全液压履带式挖掘机行走回路分析

四川建筑职业技术学院 交通与市政工程系 四川德阳 618000

1 液压传动概述

自行式工程机械因机种和类型不同,总体构造也各有特点[1]。作为底盘的重要组成部分,传动系的作用是将动力装置发动机的动力适当改变后传至驱动轮或驱动链轮。传统的传动方式是通过机械传动将动力传至行走装置,机械传动效率虽然很高,但是存在冲击大、噪声大、磨损严重等一系列问题。液压传动具有功率密度大、布置灵活、结构简单、动态响应快、易过载保护、操作方便等优点,在工程机械中应用普遍[2-4]。近年来,越来越多的工程机械行走装置也采用了液压传动。工作装置、转向装置、行走装置均采用液压传动的工程机械被称为全液压工程机械。全液压履带式挖掘机是一种典型的全液压工程机械,除工作装置、回转机构采用液压传动外,行走装置也采用液压传动。笔者对全液压履带式挖掘机行走回路进行分析。

2 行走装置传动方案

全液压履带式挖掘机采用液压马达作为行走装置的驱动元件。液压马达类型不同,转速和转矩也各有不同,作为行走装置驱动元件使用时,存在两种不同的传动方案:高速传动方案和低速传动方案。采用高速小转矩液压马达时,需要经过减速器的增矩作用后再将动力传至驱动链轮,此为高速传动方案。采用低速大转矩液压马达时,直接将动力传至驱动链轮,此为低速传动方案。行走装置高速传动方案如图1所示。发动机工作时,将产生的机械能传至液压泵。液压泵将机械能转换为压力能[5],输出压力油。压力油经换向阀油道、管道和中央回转接头后,到达液压马达[6]。液压马达的动力经过减速器放大后,传至驱动链轮。

图1 行走装置高速传动方案

3 行走回路功能性分析

3.1 双速行走

含有两台同规格液压马达的两级调速回路如图2所示。作为液压系统的执行元件,液压马达的功能是将压力能转换为机械能,输入的参数为压力和流量,输出的参数为转矩和转速。

图2 两级调速回路

设液压马达的进、回油腔压力差为ΔpM,输入的流量为qM,则液压马达的输入功率PMi为:

PMi=ΔpMqM

(1)

液压马达的理论流量qMt为排量VM与转速nM的乘积,不考虑泄漏损失,液压马达的实际流量qM等于理论流量qMt,则有:

qM=qMt=VMnM

(2)

于是输入功率PMi为:

PMi=ΔpMVMnM

(3)

液压马达的输出功率PMo为角速度ωM与输出转矩TM的乘积,则有:

PMo=ωMTM=2πnMTM

(4)

不考虑泄漏损失和转矩损失,液压马达的输入功率PMi等于输出功率PMo,则有:

ΔpMVMnM=2πnMTM

(5)

整理得:

TM=ΔpMVM/(2π)

(6)

两台同规格液压马达通过二位四通换向阀连接,形成可共同驱动机械的行走装置。由图2可知,二位四通换向阀1处于上位时,两台液压马达为并联,每台液压马达的进油腔最大压力均取决于输入油液的调定压力。溢流阀一般在回路中用于调定供油压力,设该压力为py,不考虑液压马达回油腔的背压,则液压马达的进、回油腔压力差ΔpM与py相等。由式(6)可知,液压马达的最大输出转矩为pyVM/(2π)。二位四通换向阀1处于下位时,两台液压马达为串联,此时每台液压马达的进、回油腔最大压差为并联时的一半,即此时ΔpM与py/2相等。由式(6)可知,最大输出转矩为pyVM/(4π)。另一方面,液压马达并联时输入流量为供油量的一半,串联时为全部供油量,定量马达的排量VM不可调节,由式(2)可得液压马达并联时的转速为串联时的一半。

综上所述,当两台液压马达并联时,输出大转矩、低转速,这一工况称为低速大转矩工况,适用于道路阻力大或上坡时。当两台液压马达串联时,输出小转矩、大转速,这一工况称为高速小转矩工况,适用于道路阻力小时快速行走[7]。高速小转矩工况回路可应用于全液压工程机械,用作行走回路。WY100型全液压履带式挖掘机行走液压系统如图3所示,左液压马达和右液压马达分别并排布置在左、右履带驱动链轮的动力输入处,构成两个独立的行走回路。两个变速阀决定了挖掘机的行走挡位。值得注意的是,并不是每种机型的行走回路都具有这一双速行走设计,某些机型采用的是左、右驱动链轮各由单个液压马达驱动。

3.2 直线行走与转向

因作业及施工需要,全液压履带式挖掘机需要实现直线行走与转向的切换。如图1所示,两台双联的液压泵排量相等,因此流量也相同。直线行走时,每台液压泵的压力油分别全部供至对应的液压马达,因此流经两台液压马达的流量相等,两台液压马达的转速相同,全液压履带式挖掘机实现直线行走[8]。全液压履带式挖掘机需要转向时,操纵换向阀,借助换向阀的节流调速作用,形成两台液压马达的差速转动,使两个驱动链轮实现转向。同理,在切换前进或倒退模式时,也是通过换向阀操纵两台液压马达正转或反转来实现的。可见,在多泵多回路系统中,两台液压马达应分别布置在不同的回路中,由各自的换向阀控制行走速度,这样不仅可以方便地实现转向[9-10],而且可以在最大程度上利用发动机功率。

图3 WY100型全液压履带式挖掘机行走液压系统

3.3 限速行走

全液压履带式挖掘机在下坡路段行走时,需要采取限速措施,以保证行车安全。在WY100型全液压履带式挖掘机行走液压系统中,采用节流阀作为限速方式,节流阀的工作受到梭阀提供的两个液压泵中压力较大者的控制。在全液压履带式挖掘机直线行走时,因为存在道路阻力,两个液压泵均能够输出较大的压力,所以节流阀在梭阀引出的压力油作用下处于上位,左、右液压马达的回油腔中无背压,全液压履带式挖掘机以正常速度行走。当全液压履带式挖掘机下坡行走时,由于重力的作用,左、右液压马达有超速下滑的趋势,此时左、右液压马达的进油腔压力因为负载消失或急剧减小而随之减小,节流阀在弹簧的作用下处于下位。实际左、右液压马达的回油腔因为节流阀的限速作用,不会出现超速下行。

WY40型全液压履带式挖掘机行走液压回路如图4所示,其中,单向阀、溢流阀、液控顺序阀构成行走限速阀组。当该挖掘机下坡行走时,因为重力的影响,左、右液压马达进油腔压力减小,此时液控顺序阀的控制油压减小,阀芯在弹簧的作用下产生复位的趋势,开度迅速减小,直至达到新的平衡。在这一行走液压回路中,液控顺序阀作为限速锁使用[11],起到限速作用。

图4 WY40型全液压履带式挖掘机行走液压回路

4 结束语

全液压履带式挖掘机在工程建设中有广泛的用途,其行走装置采用液压传动。笔者对全液压履带式挖掘机的行走回路进行了分析。在分析之前,应当先了解工作条件、整机性能及行走装置的要求。正确分析整机液压系统及各个回路,对后续进行改进设计、正确使用与维护、故障诊断与排除等,均具有重要意义。