300 t 游艇搬運機行走與轉向液壓系統

楊曉華 彭 飛 張程軻 張靈巧 劉國輝

1 河南衛華重型機械股份有限公司 新鄉 453000 2 紐科倫（新鄉）起重機有限公司 新鄉 453000

0 引言

300 t 游艇搬運機是一種低速行走設備，具有載重量大、低速穩定性高、轉向靈活等特點，主要用于中大型游艇的搬運。搬運機整機采用靜液壓傳動，由柴油機提供動力，驅動1 個閉式泵和1 個開式泵。閉式泵驅動4 組液壓馬達通過行星減速器帶動輪組實現行走，行走液壓系統采用閉式液壓回路；開式泵輸出液壓油至比例多路閥，比例多路閥控制4 條轉向液壓缸實現轉向，轉向液壓系統采用開式負載敏感液壓回路，通過與電控結合進行閉環控制，可實現直行、橫行、斜行及原地回轉等多種轉向模式。游艇搬運機起重量為300 t，爬坡能力為4%，空載速度為40 m/min，重載速度為20 m/min，發動機轉速為2 100 r/min，配備4 條轉向液壓缸，8 個輪胎，工作時適應風速為6 級。300 t 游艇搬運機三維模型如圖1 所示。

圖1 300 t 游艇搬運機三維模型圖

1 動力系統

300 t 游艇搬運機的動力系統采用1 臺QSL8.9-C360型發動機，額定功率264 kW，閉式液壓泵、開式液壓泵、齒輪泵直接串接在發動機法蘭上，閉式泵使用A4VG 變量泵，開式液壓泵使用A11VO 負載敏感變量泵。發動機的輸出扭矩應當大于工作液壓泵所需扭矩之和，避免發動機轉速降低過多而熄火。發動機、液壓泵、柴油箱、液壓油箱、電控柜全部集中在靜音箱中，便于動力系統的模塊化制作。動力箱如圖2 所示。

圖2 發動機及泵組

2 行走液壓回路

發動機通過聯軸器帶動行走液壓泵旋轉，液壓泵輸出壓力油，通過管路和閥進入行走液壓馬達，液壓馬達將扭矩和轉速傳遞給行走減速器，帶動輪胎旋轉，從而帶動整機運行。行走馬達使用A6VE 柱塞液壓馬達，減速器使用GFT 殼轉減速器，1 個輪組內布置1 個主動輪和1 個從動輪，輪組結構如圖3 所示。

圖3 行走輪組結構圖

根據游艇搬運機結構特點和作業要求設有4 組行走輪組，每個輪組有1 個驅動輪和1 個從動輪，驅動輪由1 個液壓馬達和行走減速器驅動，4 個行走液壓馬達并聯，圖4 所示的行走液壓系統原理圖包含1 組行走液壓回路，其余行走回路與此相同，共同由閉式液壓泵驅動。

圖4 行走液壓系統原理圖

300 t 游艇搬運機的行走不僅需要前進和后退、轉向，根據客戶要求還需要斜行、原地回轉和橫行。該游艇搬運機的行走模式有直行、轉向行走、橫行、原地回轉，搬運機的前進和后退可以通過閉式變量泵的斜盤傾角[1]實現，閉式泵斜盤擺角為正時，閉式泵A 口輸出液壓油，B 口回油，搬運機前行；閉式泵斜盤擺角為負時，閉式泵B 口輸出液壓油，A 口回油，搬運機后退；搬運機前進和后退時，所有的驅動輪旋轉方向一致。當搬運機90°橫向行走時，對角的2 個輪組需要反向旋轉才能使整機橫移；當搬運機原地回轉時，同側的2 個輪組需要反向旋轉才能使整機原地回轉。由于所有行走驅動共用一個閉式液壓泵，此時只靠液壓泵的擺角變化不足以實現橫行和原地回轉動作，需要對某個行走輪組進行單獨換向，這需要在閉式行走回路中增加換向閥。行走閥塊原理和行走閥塊模型如圖5、圖6 所示。

圖5 行走閥塊原理圖

圖6 行走液壓閥塊模型圖

在圖5中，1號、2號換向閥出口分別連接圖7中1號、2 號輪組行走液壓馬達，閥塊上3 號、4 號油路直接連接3 號、4 號輪組行走液壓馬達。

圖7 游艇搬運機輪組

當游艇搬運機橫向行走時，根據轉向液壓缸布置，所有轉向液壓缸推出，輪組轉向90°，行走閥塊換向閥2 號、3 號需得電，進入2 號、3 號輪組的液壓油換向，2 號、3 號輪組反向旋轉，1、4 輪組正向旋轉，所有輪組旋轉方向與整機橫行方向一致，實現橫行動作。當原地回轉動作時，轉向液壓缸推出合適長度，行走閥塊換向閥1 號、2 號得電，進入1 號、2 號輪組的液壓油換向，1 號、2 號輪組反向旋轉，3 號、4 號輪組正向旋轉，所有輪組旋轉方向與整機原地回轉方向一致，實現原地回轉動作。反向原地回轉時，保持電磁閥的得電邏輯，閉式泵斜盤擺角變化可以實現行走的速度變化和旋轉方向變化。由于300 t 游艇搬運機行走液壓回路流量大，壓力高，沒有合適的電磁換向閥，且在換向時電磁閥可能存在電磁鐵推力不夠造成換向失敗，故行走閥塊上均采用電液換向閥。

3 行走的差力與差速調節

當游艇搬運機直行時，各輪走過的距離相等，在各輪負載差別不大且在轉向液壓缸作用下保持搬運機行走方向不變，從閉式液壓泵流出的液壓油均等的流入4 個行走馬達，4 個行走馬達的排量相同，此時4 個行走馬達轉速相同，搬運機實現直行行走。

當游艇搬運機轉向行走時，各輪走過的距離不同，外圈的輪胎走過的距離比內圈的輪胎走過的距離大，因此需要輪胎的差速調節。根據靜壓驅動的原理，壓力取決于外負載且行走馬達得到的流量與其阻力成反比，將4 個行走馬達并聯，轉向行走時，作用在4 組車輪上的阻力不同，外圈行走馬達會得到更多的流量，所有車輪圍繞同一個中心進行轉動，在并聯油路的作用下實現自動的差速調節。

由于所有車輪與地面的接觸情況并不完全相同，在復雜路面情況下并聯行走馬達油路會產生新的問題。當某個車輪接觸的地面有泥水、冰雪或輪胎由于路面坑洼被架空時，該輪與地面的摩擦力顯著降低甚至為零，并聯油路的液壓油會涌入該行走馬達，使該馬達飛速旋轉，可能會超過馬達的極限而損壞該馬達，其他車輪馬達也因油路壓力降低而不能產生足夠的扭矩，使搬運機行走困難，即為多輪驅動行走的差力問題。為了解決此類問題，選用電比例液壓馬達，馬達的排量可以通過電氣進行比例調節，馬達上還設有轉速傳感器用于檢測馬達的轉速，轉速傳感器將檢測到的信號傳遞給控制器，當某個車輪馬達轉速超過設定值時，控制器改變車輪馬達的排量，切斷進入該馬達的油路，防止該馬達超速，并保證其余車輪馬達的壓力，其余馬達能正常工作并保持足夠牽引力，使搬運機能夠迅速脫離困區。

4 駐車制動與行車制動

駐車制動即搬運機在停止狀態下的制動，防止強風、路面等因素引起的搬運機非正常移動，增加搬運機的安全性。駐車制動原理如圖8 所示。

圖8 駐車制動原理圖

行走減速器上帶有制動器，在此充當駐車制動作用，在輪組行走時，液壓油進入制動器打開制動，輪組停止后，制動器的液壓油也斷開，制動器閉合鎖死輪組。為了在搬運機發生故障時解鎖駐車制動，便于臨時牽引拖動搬運機，制動器打開油路是單獨的，從齒輪泵輸出的液壓油經過駐車控制閥組進入行走減速器制動器，當行走時，控制器同時輸出信號給閉式泵和駐車控制閥組，駐車控制閥組上的電磁閥打開制動器控制油路，解除制動，閉式泵斜盤傾角變化輸出壓力油，行走液壓馬達建立壓力，帶動行走減速器轉動，搬運機開始行走。

行走制動即在行走過程中對搬運機進行制動，防止搬運機超速。搬運機下坡時，工作狀態與正常狀態不同，由于重力作用，車輪組帶動液壓馬達旋轉，液壓馬達工作在泵工況，行走液壓馬達輸出液壓油至閉式泵，泵工作在馬達工況。管路中的高低壓側液壓油對馬達形成扭矩，抵抗下坡產生的負扭矩，管路中的高低壓側液壓油對液壓泵和發動機的旋轉產生促進作用，發動機加速旋轉，隨著轉速的增加發動機內部阻力矩也增大。當發動機阻力矩與搬運機負扭矩再次平衡時，發動機開始在新的穩定轉速下轉動，搬運機的下坡速度與發動機的轉速達到一個新的平衡狀態。如果發動機本身的制動力矩[2]不足以平衡下坡負扭矩，則需要減小閉式泵排量和增加行走馬達排量，減小閉式泵排量可減小發動機吸收的負功率，還可使行走馬達轉速降低，系統回路壓差增大，消耗搬運機下坡勢能，使發動機轉速在合理范圍內重新達到平衡。當客戶場地有長距離下坡時，應在搬運機上增加氣動輔助剎車系統，防止發動機轉速過大失去控制。

5 游艇搬運機的轉向液壓系統

300 t 游艇搬運機有4 個輪組，4 個轉向機構，能實現多種模式的轉向功能。轉向液壓系統為負載敏感[3-4]系統，開式負載敏感泵與電液比例換向閥[5]結合，具有節能、安全、方便等優點。轉向液壓泵使用負載敏感開式泵，由于轉向與起升不同時動作，轉向與起升系統共用一個液壓泵，在滿足使用情況下能有效降低生產成本。負載敏感液壓系統主要作用是能與其變化的負載無關地控制執行元件的流量，該流量應當保持恒定，或是按照一個任意的比例控制信號以最小的滯后進行變化，這需要一個控制機構(三通流量調節閥)，使流量在工作期間與變化的負載持續地匹配；該控制機構的一側持續地作用著的負載信號和一個彈簧力，另一側作用系統壓力，該方法只是根據負載的情況將泵的剩余壓力(控制壓差P)與彈簧力互相作用，從而確定了三通流量調節閥閥芯的浮動位置。在大多數情況下，當比例閥的所有滑閥都處于中位時，公共的LS 信號通路通過一條油路卸壓。所有的三通流量控制閥和泵控制器都將無LS壓力信號，此時視為無負載狀態，則泵處于最小排量(變量泵)。在三通流量控制閥或壓力/流量控制器中安裝的彈簧，其特性曲線決定無壓循環的壓力，該壓力近似等于控制壓差加上回油路的背壓。

負載敏感泵輸出液壓油進入電液比例換向閥，比例閥對油液的流量和方向進行控制，比例閥輸出的液壓油進入轉向液壓缸，液壓缸推動輪組進行轉向。轉向液壓系統原理如圖9 所示，僅顯示2 個轉向機構。

圖9 轉向液壓系統原理圖

輪組上布置有編碼器用于測量不同輪組的轉向角度，編碼器輸出信號至控制器，控制器根據運行模式和方向指令，計算出各個輪組的轉向角度，每個輪組中的角度被編碼器實時反饋至控制器，并與控制器計算的目標值進行比較，判斷繼續動作還是停止動作。控制器控制比例多路閥動作，當輪組未轉到預定角度時，控制器輸出信號控制相應的比例閥動作，使轉向液壓缸繼續運動，當輪組轉到預定角度，控制器判斷輪組角度到位，切斷輸出到比例閥的電流，轉向液壓缸停止動作。控制器控制比例閥的開口量以控制各轉向液壓缸伸縮位移和速度，實現各輪組的協調精確轉向。轉向的閉環控制如圖10 所示。

圖10 轉向閉環控制框圖

輪組轉向后，為使輪組盡量純滾動轉動減少滑動，所有輪組應當繞同一個圓心轉動，使輪組具有最小的摩擦阻力，根據設備的尺寸，控制器實時計算每個輪組的理論轉角。游艇搬運機的轉向模式包括直行、橫行、斜行、原地回轉，轉向角度符合阿克曼原理[6]，橫行和原地回轉轉向如圖11、圖12 所示。

圖11 橫行轉向模式

圖12 原地回轉轉向模式

6 結論

本文在分析游艇搬運機行走與轉向工況基礎上，結合實際應用，完成了對游艇搬運機行走與轉向的液壓系統設計分析。作為游艇的維修保養設備，游艇搬運機為中大型游艇維護保養提供了充分的保障。隨著我國國民經濟的發展，游艇旅游業將會得到長足的發展，游艇搬運機也將迎來良好的發展契機。