礦用機械行走驅動系統的研究與設計

劉 毅

江蘇省第一工業設計院有限責任公司，江蘇徐州 221006

0 引言

一般礦用機械的核心組成部分即是行走驅動系統，其大概分為四種類型，即純機械驅動系統、液力驅動系統、液壓傳動系統以及電力驅動系統。相較于工作系統，礦用機械行走驅動系統要保證具有很大的傳輸功率，而且組成整套系統所需要的組件具有耐用、高效特性，從而能夠確保系統在變速、調速、轉變輸出軸旋轉方向以及逆向傳輸動力等方面具有較高特性。

1 礦用機械行走驅動系統類型的確定

目前，最常用于礦用機械行走驅動系統的類型主要是液壓驅動和液力驅動系統兩種，為此，本文針對這兩種類型的驅動系統進行如下比較：

1）反應性能

利用我國液力機械驅動型ZLD-40裝載機進行測試顯示，機械啟動加速時間為2s，制動時間為2.8s，額定功率下換向時間為2s，待采用液壓驅動系統后，由于其變速箱具有較大慣量，因此這些時間都會大大地縮短。

2）低速性能和驅動效率

液力驅動系統的結構決定了轉速的二次方是與變矩器泵輪扭矩成正比的，電機轉速過低則扭矩過小，因此造成了啟動時不能充分加速從而無法發揮變矩器輸出扭矩的作用，假使用于裝載機械上，由于裝載機械是工作在低速區的，因此液力驅動系統是具有一定的局限性的，而液壓驅動系統的轉速與扭矩是無關的，因而可以避免這種情況的發生。在驅動效率方面，在同一設計工作點上，雖然液力驅動相較于液壓驅動而言有著較高的驅動效率，但是液壓驅動會在較寬的速度范圍內保持高效率運行，由此可知液壓驅動在驅動效率上顯然要優于液力驅動。

3）調速、變速性能

在進行礦用機械設計時，無論是采用液力驅動系統還是采用液壓驅動系統，都需要進行相應的換擋設計，液力驅動系統往往會被設計為三檔或四檔，但液壓驅動系統是利用恒功率進行調速變速的，基本上可以不換擋就可以調速在較寬范圍內，通常設計為兩檔即可。

4）其他

此外，相較于液力驅動系統液壓驅動還具有根據外載荷自動改變性能，改善了發動機運行情況，避免了在礦井下由于發動機持續低速運轉而成大量的有毒氣體現象。另外，液壓驅動系統體積較小，提高了礦用機械的越野性能。

綜上所述，本文主要是針對基于液壓驅動系統的礦用機械行走驅動的研究與設計。

2 礦用機械行走驅動系統的研究設計

礦用車輛液壓驅動系統的基本構成形式為泵和發動機，其組成方式有三種類型，如圖1所示，這套系統的整體性能不單受系統內部各個組件的性能影響，還受各個組件之間參數是否良好匹配的影響，因此在進行礦用機械液壓驅動系統的設計時，基本從以下幾個方面進行相關設計。

2.1 發動機與液壓泵的參數匹配

全程式調速發動機被廣泛地用于礦用機械之中，機械性能主要由燃油效率、機械效率表示。礦用機械正常工作時，其負荷變化無規律可循，因此就要使發動機運行在最優情況之下，要滿足使得燃料消耗最低，機械效率最大以及提高功率利用率，通常情況下，按12h標定功率計算，如公式（1）。

其中式（1）中Δp 為液壓泵的進出口壓差，qb為泵理論排量，n 為泵驅動轉速，ηpm為泵機械效率，Pe為發動機驅動泵的凈功率。上式沒有將補油泵功率消耗計算在內。液壓電機的外部負荷扭矩與液壓泵的進出口壓差呈正比例關系，在轉速輸出確定的前提下，發動機驅動泵凈功率極易泵機械效率也是能確定的，因此泵理論排量表現在作用于發動機的負荷，其最大值會受到發動機輸出功率的約束。

此外泵理論排量也會影響液壓泵性能，其表現在于qb越大，機械效率和總效率越高。綜上若想獲得高效率的液壓驅動，就要將各個轉速下的最大輸出功率作為液壓驅動系統的控制對象，如式（2）所示，液壓驅動系統的最佳工作狀態就是要滿足式（2）。發動機扭矩與液壓泵的匹配公式如式（3）所示，其中Mb為泵吸收轉矩。

2.2 液壓泵與驅動電機的參數匹配

針對這一環節主要通過以下四個方面：液壓元件壓力匹配、液壓元件轉速的匹配、液壓元件效率分析、驅動電機驅動方式的選擇與控制。

1）液壓元件壓力的匹配：對于液壓驅動系統來說，壓力是一個重要的參數，合理的壓力選取與參數匹配可以確保系統的可靠性以及耐用性。其匹配原則是以液壓元件最高壓力為基準，選取其0.5～0.6的倍數作為礦用機械行走液壓元件額定壓力；2）液壓元件轉速的匹配：實踐表明合理地減小壓力和轉速可以提高液壓元件使用壽命、增加其可靠性和傳動效率。其參數匹配原則是忽略液壓泵低速時的工作性能，將驅動電機實用轉速向低轉速轉變。可是低速運行不穩定，所以不能使斜盤式軸向柱塞電動機持續工作在100rpm～450rpm和斜軸式軸向柱塞電機持續工作在50rpm；3）液壓元件效率分析：液壓元件的效率要通過實際試機對現實中的泵和電機工作在不同條件下測試記錄，進行效率分析可以高度發揮和充分利用傳動裝置的性能；4）驅動電機驅動方式的選擇與控制：驅動電機一般為高壓自動變量驅動電機。控制方式要求具體為：在大部分工作時間內，保持驅動電機和液壓系統在中高壓范圍內工作；對車輛外部負荷變化，驅動電機應具有相應的自適應能力；任意工況下，都要確保驅動電機高效率、穩定可靠的工作。

2.3 行走機構與滑轉曲線的匹配

滑轉率是車輛行走時與地面的相對滑轉程度，在一定程度上影響著車輛牽引性能。通過實驗和實踐方法可繪制出滑轉率隨牽引力變化的關系，具體可解釋為滑轉率一定時，牽引力高的附著性能強，也可解釋為若地面相等牽引力時，滑轉率低的附著性能強，其關系可用式（4）表示。

其中Fkp味機車有效牽引力，Gφ為單位附著重力，它們的比值即為額定牽引力，然后通過繪制的滑轉率隨牽引力變化的關系求得相對應的滑轉率，完成行走機構與滑轉曲線的匹配工作。

[1]沈曉剛.礦用機械行走驅動系統性能匹配研究與應用[D].沈陽：東北大學，2008.

[2]盧義茂.礦山機器行走機構液壓與液力傳動的分析比較[J].礦山機械，1982：57-62.