300 t 游艇搬運機行走與轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)

楊曉華 彭 飛 張程軻 張靈巧 劉國輝

1 河南衛(wèi)華重型機械股份有限公司 新鄉(xiāng) 453000 2 紐科倫（新鄉(xiāng)）起重機有限公司 新鄉(xiāng) 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(wěn)定性高、轉(zhuǎn)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(qū)動1 個閉式泵和1 個開式泵。閉式泵驅(qū)動4 組液壓馬達通過行星減速器帶動輪組實現(xiàn)行走，行走液壓系統(tǒng)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(zhuǎn)向液壓缸實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)采用開式負載敏感液壓回路，通過與電控結(jié)合進行閉環(huán)控制，可實現(xiàn)直行、橫行、斜行及原地回轉(zhuǎn)等多種轉(zhuǎn)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(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 100 r/min，配備4 條轉(zhuǎn)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(tǒng)

300 t 游艇搬運機的動力系統(tǒng)采用1 臺QSL8.9-C360型發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)動機轉(zhuǎn)速降低過多而熄火。發(fā)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(tǒng)的模塊化制作。動力箱如圖2 所示。

圖2 發(fā)動機及泵組

2 行走液壓回路

發(fā)動機通過聯(lián)軸器帶動行走液壓泵旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)速傳遞給行走減速器，帶動輪胎旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)減速器，1 個輪組內(nèi)布置1 個主動輪和1 個從動輪，輪組結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 行走輪組結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)游艇搬運機結(jié)構(gòu)特點和作業(yè)要求設有4 組行走輪組，每個輪組有1 個驅(qū)動輪和1 個從動輪，驅(qū)動輪由1 個液壓馬達和行走減速器驅(qū)動，4 個行走液壓馬達并聯(lián)，圖4 所示的行走液壓系統(tǒng)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(qū)動。

圖4 行走液壓系統(tǒng)原理圖

300 t 游艇搬運機的行走不僅需要前進和后退、轉(zhuǎn)向，根據(jù)客戶要求還需要斜行、原地回轉(zhuǎn)和橫行。該游艇搬運機的行走模式有直行、轉(zhuǎn)向行走、橫行、原地回轉(zhuǎn)，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(xiàn)，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(qū)動輪旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)才能使整機橫移；當搬運機原地回轉(zhuǎn)時，同側(cè)的2 個輪組需要反向旋轉(zhuǎn)才能使整機原地回轉(zhuǎn)。由于所有行走驅(qū)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(xiàn)橫行和原地回轉(zhuǎn)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(jù)轉(zhuǎn)向液壓缸布置，所有轉(zhuǎn)向液壓缸推出，輪組轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，1、4 輪組正向旋轉(zhuǎn)，所有輪組旋轉(zhuǎn)方向與整機橫行方向一致，實現(xiàn)橫行動作。當原地回轉(zhuǎn)動作時，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，3 號、4 號輪組正向旋轉(zhuǎn)，所有輪組旋轉(zhuǎn)方向與整機原地回轉(zhuǎn)方向一致，實現(xiàn)原地回轉(zhuǎn)動作。反向原地回轉(zhuǎn)時，保持電磁閥的得電邏輯，閉式泵斜盤擺角變化可以實現(xiàn)行走的速度變化和旋轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)

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(zhuǎn)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(zhuǎn)速相同，搬運機實現(xiàn)直行行走。

當游艇搬運機轉(zhuǎn)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(nèi)圈的輪胎走過的距離大，因此需要輪胎的差速調(diào)節(jié)。根據(jù)靜壓驅(qū)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(lián)，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，在并聯(lián)油路的作用下實現(xiàn)自動的差速調(diào)節(jié)。

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(lián)行走馬達油路會產(chǎn)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(lián)油路的液壓油會涌入該行走馬達，使該馬達飛速旋轉(zhuǎn)，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(chǎn)生足夠的扭矩，使搬運機行走困難，即為多輪驅(qū)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(diào)節(jié)，馬達上還設有轉(zhuǎn)速傳感器用于檢測馬達的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)。

4 駐車制動與行車制動

駐車制動即搬運機在停止狀態(tài)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(fā)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(jīng)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(zhuǎn)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(tài)與正常狀態(tài)不同，由于重力作用，車輪組帶動液壓馬達旋轉(zhuǎn)，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(cè)液壓油對馬達形成扭矩，抵抗下坡產(chǎn)生的負扭矩，管路中的高低壓側(cè)液壓油對液壓泵和發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生促進作用，發(fā)動機加速旋轉(zhuǎn)，隨著轉(zhuǎn)速的增加發(fā)動機內(nèi)部阻力矩也增大。當發(fā)動機阻力矩與搬運機負扭矩再次平衡時，發(fā)動機開始在新的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動，搬運機的下坡速度與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速達到一個新的平衡狀態(tài)。如果發(fā)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(fā)動機吸收的負功率，還可使行走馬達轉(zhuǎn)速降低，系統(tǒng)回路壓差增大，消耗搬運機下坡勢能，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速在合理范圍內(nèi)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(tǒng)，防止發(fā)動機轉(zhuǎn)速過大失去控制。

5 游艇搬運機的轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)

300 t 游艇搬運機有4 個輪組，4 個轉(zhuǎn)向機構(gòu)，能實現(xiàn)多種模式的轉(zhuǎn)向功能。轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)為負載敏感[3-4]系統(tǒng)，開式負載敏感泵與電液比例換向閥[5]結(jié)合，具有節(jié)能、安全、方便等優(yōu)點。轉(zhuǎn)向液壓泵使用負載敏感開式泵，由于轉(zhuǎn)向與起升不同時動作，轉(zhuǎn)向與起升系統(tǒng)共用一個液壓泵，在滿足使用情況下能有效降低生產(chǎn)成本。負載敏感液壓系統(tǒng)主要作用是能與其變化的負載無關(guān)地控制執(zhí)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(gòu)(三通流量調(diào)節(jié)閥)，使流量在工作期間與變化的負載持續(xù)地匹配；該控制機構(gòu)的一側(cè)持續(xù)地作用著的負載信號和一個彈簧力，另一側(cè)作用系統(tǒng)壓力，該方法只是根據(jù)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(diào)節(jié)閥閥芯的浮動位置。在大多數(shù)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(tài)，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(huán)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(zhuǎn)向液壓缸，液壓缸推動輪組進行轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)原理如圖9 所示，僅顯示2 個轉(zhuǎn)向機構(gòu)。

圖9 轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)原理圖

輪組上布置有編碼器用于測量不同輪組的轉(zhuǎn)向角度，編碼器輸出信號至控制器，控制器根據(jù)運行模式和方向指令，計算出各個輪組的轉(zhuǎn)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(xù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向液壓缸繼續(xù)運動，當輪組轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向液壓缸伸縮位移和速度，實現(xiàn)各輪組的協(xié)調(diào)精確轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向的閉環(huán)控制如圖10 所示。

圖10 轉(zhuǎn)向閉環(huán)控制框圖

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

圖11 橫行轉(zhuǎn)向模式

圖12 原地回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向模式

6 結(jié)論

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