除雪车液压系统设计计算.pdf

E QUI P ME NT MANAGE ME NT AND MAI NTE NANCE 文章 编 号 1 0 0 0 0 3 3 X 2 0 1 3 O 1 2 0 0 9 4 0 4 除雪车液压系统设计计算 司癸 卯 ， 雷 元 ， 张铁 匠 长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室 ， 陕西 西安 7 1 0 0 6 4 摘 要 设 计 了一种 由装载机 底盘 改装 而成 的除 雪车 的液压 系统 ， 阐述 了除 雪车工 作装 置回路 和转 向回路 的原理 ， 并时 液压 系统和 元件进 行 了计算 ， 最后 对液 压泵和 发动机 功 率进行 了校核 。对液压 系统及工作装置的理论计算表明 改装后的除雪车各项性能满足设计要求， 能正常、 稳定工作。 关键 词 除雪 车 ； 液压 系统 ； 元件 选型 ； 功 率校 核 中图分类 号 U4 1 8 ． 3 文献标 志码 B De s i g n a nd Ca l c u l a t i o n o f Hy dr a u l i c S y s t e m o f S n o w Re m o v a l Ve h i c l e S I Gu i ma o ，I EI Yu a n。Z HANG Ti e j i a n g Ke y La bo r a t o r y f or H i g hwa y Co ns t r uc t i o n Te c h ni que a nd Equ i p me nt of M i ni s t r y o f Edu c a t i on， Cha ng’a n Uni ve r s i t y，Xi ’ a n 71 006 4，Chi n a Ab s t r a c t Th e h yd r a ul i c s ys t e m o f o ne ki n d o f s n ow r e mov a l v e h i c l e c o nv e r t e d f r o m l oa de r c ha s s i s wa s d e s i gn e d， a nd t he c a l c ul a t i o n o f t he s ys t e m a nd i t s c o mpo ne nt s wa s c o n du c t e d， a n d t he h yd r a ul i c p ump a nd e n g i ne po we r we r e c he c ke d ． The t he o r e t i c a l c a l c ul a t i o n i nd i c a t e s t ha t t he r e f i t t e d s n ow r e m o v a l v e h i c l e me e t s t h e r e qu i r e me n t a nd wor k s s t a bl y ． Ke y wo r d ss n o w r e m o v a l ve hi c l e；h yd r a ul i c s y s t e m ；c omp on e n t s e l e c t i o n；p owe r c he c k 0 引 言 中 国的东北 、 西北及 华北 地 区地处北 温带 ， 全年 气温在 一2 9。 C～3 6℃之 间 ， 平 均气 温 8 ． 3℃， 而冬 季最低 温度 可达 一3 0。 C， 不 仅 冬 季气 候 寒 冷 ， 降雪 较多 ， 而 且 降雪 期 长 ， 平 均 可达 4 ～ 6个 月 之 久口 ] 。 当降雨 、 降雪时 ， 路面极易积雪结 冰， 严重影响车辆 行驶安 全 ， 增加能 源 消 耗 ， 造 成 交通 阻 塞 ， 增 加 交通 事故 的发 生率 。因此 ， 中 国北 方 的 冬季 除 雪 作业 是 一 项 艰 巨 、 重要 的 任 务 。除雪 车是 冬 季 除雪 的重 要 工具 ， 本 文论 及 的某 除雪 车是 在 Z I 5 O装 载 机底 盘 的基 础上 改装 而成 的 。通 过卸掉 装载 机原有 的铲 斗 装置 ， 安装上振动铲和滚刷装 置， 便可进行 除雪作 业 ， 实现了一机多用 ， 提高了装载机的使用效率 。 1 除雪车液压 系统 设计 该除雪车包括振动铲和滚刷两大工作装置 。振 动 铲和滚 刷 的液压 系统 是利 用 原有 Z I 5 O装 载机 液 压系统改装而成， 油路大部分保持不变 ， 只是对振动 收稿 E t 期 2 0 1 3 - 0 4 0 9 9 4 铲 和滚 刷 的液 压 系统进 行 了设 计 。整机 液压 系统 如 图 1所 示 。 1 ． 1工作装 置 回路原 理 工作泵 负责 给滚刷 、 振动 铲 、 提升油 缸 和摆动 油 缸供油 ， 这 4个装 置通 过 4个 三 位六 通 电磁 换 向 阀 串、 并 联连 接而成 。并 且 ， 滚 刷和 振动铲 的三位六 通 电磁 换 向阀置 于其他 阀之 前 ， 以保证 滚刷 和 振 动 铲 优先 动作 。工作 时 ， 4个 阀独 立工 作 ， 如 果其 中一 个 阀动 作 ， 偏 离 中位 ， 则液 压油 会流 人相应 的工 作装 置 回路 ， 驱 动该工 作装置 工作 。如 果几个 阀 同时动作 ， 液压 油 只会 经 过最靠 近油 源 的那个 阀 ， 而不 会 进 入 其他 阀 ， 从 而使 得最靠 近油 源 的那个工 作装 置工作 。 当 4个 阀都 不 动作 时 ， 液压 油流 回油箱 。 1 ． 2转 向回路 原理 转 向工作 装置 回路 主要 靠 转 向泵 提供 油 液 ， 特 殊情 况下 ， 需要 辅 助 泵补 充 油 液 。转 向泵 和辅 助 泵 是 通过 流量分 配 阀并 联 ， 同 时转 向 回路 中又 串联 有 伺服阀和两位两通换 向阀。伺服阀和换向阀确保了 换 向的精确性 。当发 动 机 有稳 定 的转 速 时 ， 进入 转 E Q U I P ME N T MA N A G E ME N T A N D MA I N T E N A N C E l 嗵围固回国嚣囱 图 l 整体液压 系统 向液压 缸 的流量 恒定 ， 经 过 2个节 流 阀之 后 产 生 的 压 差也 恒定 ， 则 流量 分配 阀保 持原位 ， 不 动作 。当装 载机由于负载过大， 导致发动机转速降低时 ， 转向泵 提供 的油量 减少 ， 进 而 经 过 2个 节 流 阀之 后 的压 差 也 减少 ， 最后 导致 流 量 分 配 阀转 向右 位工 作 。此 时 辅助泵也向转向油路 提供油液 ， 以保证进入转 向回 路 中 的油 量 稳定 ， 从 而 确保 转 向的稳 定性 _ 2 ] 。 2 液压 系统计算及元件选型 2 ． 1 滚 刷 力矩计 算 已知 滚刷 的宽 度 B一3 ． 6 m， 除雪 厚 度 H一0 ． 1 m， 积雪 密度为 p 一2 5 0 k gr n， 除雪车 的作业速 度 V一3 O k m h 一， 滚刷的直径 d一8 0 0 mm， 工作 转速 一4 0 0 r mi n _ 。 。刷 苗 圆周 线 速度 V 为 V 一 兀 1 ／ 6 0 1 6 ． 7 m s 1 根 据 经验公 式 F 一 9 ． 8N BHp 2 式 中 F 为行 进 方 向所 受 的雪 阻力 即滚 刷 切线 方 向 的力 ； N 为 除雪 比阻 。 同时 除雪 比阻 与除雪 速 度还有 如 下关 系 N ≈ 0． 0 0 9 2 4 V 一 0． 2 4 V 6 ． 55 3 因此可 求得 N 一8 。 将此结果代入式 2 ， 最终可求得 F一7 0 0 0 N。 则 滚刷 的功 率 N 为 Nk FV ／ 3 6 0 0 3 2 ． 5 k W 4 同时 因为 Nk一 2 7 r n 】 T／ 6 0 5 式 中 T为滚 刷 的阻力矩 。 则T-- 一7 7 6 ． 3 N ． m 厶 丌 H 1 2 ． 2 振 动铲 阻力 矩计算 振动 铲是 利用 其偏 心块 旋转 产生 的离 心力 和振 动铲 本身 的重 力作 用于 冰雪 上来破 冰 的 。已知振 动 铲 的质量 M 一4 0 0 0 k g 假设 只有 1个 偏 心 块 ， 宽 度 6 3 ． 2 m， 振幅 A一4 mm， 振动频率 fl O Hz 6 0 0 r rai n 。同时 ， 振动 铲上 切削 刃 的面 积S 3 2 0 0 mm 1 0 0 mm， 冰 雪 的抗 切 强 度 一 1 ． 3 1 0 P a ； 因此要 想破 冰 ， 则 切 削刃 作 用 于 冰雪 上 的应 力要 大于 冰雪 的抗 切强度 ] ， 即 P 一 FP 4 - Mp g Mg ／ S≥ 6 式 中 P为作 用 于 冰 雪 上 的应 力 ； F 为偏 心块 离 心 力 ； MP 为 偏 心 块 的 质 量 ； M 为 振 动 铲 质 量 ； S为 切 削刃 面积 。 代入相关数值可求得 ， F 一1 ． 6 1 0 。N。则作 用于 冰面 上 总 的作 用 力 为 F 一F 。 Mg一 4 ． 1 6 1 0 N。同时根据振动铲的振幅 A和振动频率 厂， 可 以求得 向下的振动速度为 v一 4 A 厂 1 0 一 0． 1 6 m s 7 9 5 E QUI P ME NT MANAGE ME NT AND MAI NT E NANCE 因此 ， 振动铲向下的振动功率 P F v 一6 ． 6 6 k W。同时振动铲还要受到推雪阻力 F 。 ， 根据相关 的经验 公式 得 F2一 [ z Mg f K 而HC O S 0 8 式 中 为振 动铲 与路 面间 的滑 动摩擦 阻力 ， 一般 取 一o ． 0 8 ； M 为振 动 铲 的质 量 ； f K为 所 受 预 紧 弹 簧 压力 ， 取 为 1 0 0 0 k g ； r为积 雪 的 抗 剪 应力 ， 取 为 7 0 P a ； b为 除 雪 宽 度 ； H 为 除雪 深 度 ， 取 H 一0 ． 1 iT I ； 0 为振动铲的切削角 ， 取 0 3 0 。 。代入相关数值求得 F 一4 1 0 。 N。 由此 可 以得 到振 动 铲 的推 雪 功 率 P 一F 一3 2 k W 。则 振 动 铲 总 功 率 为 P 一P P一 6 ． 6 6 k W 3 2 k W 3 8 ． 6 6 k W E 。 又有公 式P 。一 2 z r n 2 T ／ 6 0 9 式 中 ” 。 为振动铲偏心块的转速， 取 一6 0 0 r m i n ～； T 为 振动铲 阻力 矩 。 代 人相 关 的数值 可求得 T 一6 1 5 ． 6 N m。 2 ． 3滚刷 马达 选型 已知滚刷 的阻力矩为 7 7 6 ． 3 N 1T I ， 由于有 2个马 达 ， 所 以每个 马达 的阻力矩为 7 7 6 ． 8 ／ 2 3 8 8 ． 2 N m。 为 了满足 液 压 马 达 转 速 要 求 ， 从 装 载 机 自身 的 工 作 泵 出 发进行 核 算 ， 已知 工作 泵 的 技 术 参数 如表 1 所 示 。 表 1 装载机工作泵型号 公称排量／ 额定压力／ 最高压力／ 额定转速／ 最高转速／ 额定功率／ 型号 mLr - 1 MPa MP a r min - r min 一 k W CB Gl 6 0 1 6 O 1 6 2 O 2 0 0 0 2 5 0 0 9 3 ． 6 泵 工 作 时 排 出 的流 量 Qq n 一 1 6 0 2 2 0 0 3 5 2 L mi n ～。 已知 除 雪 车工 作 时 ， 工 作 泵 的转 速 为 2 2 0 0 rrai n _ 。 。 由于滚 刷 马达和 振 动铲 马达 各 2个 ， 而 且 是 串 联 ， 则流入每个滚刷马达的流量 Q 一Q， 7 、 ， ／ 2 ， 已知 即 、 ， 为液压 泵 的容积效 率 ， 取 为 0 ． 9 2 。代 入数 值可 求 得 Q 一1 6 2 I rai n _ 。 。 同时 已知 液 压 马 达 的转 速 为 1 4 0 0 r rai n ～ ， 则 有 Q 一 q l l 1 0 式 中 q 为滚 刷 马 达 排 量 ； 为 滚 刷 马 达 转 速 ， 取 4 0 0 r rai n _ 。 。代人数值求得 q 1 4 0 5 mI r ～， 则选 择 J Ml l F 0 ． 4 F 型马达。马达具体参数如表 2 所示。 表 2 滚刷马达型号 额定压力／ 最高压力／ 额定转速／ 最高转速／ 额定转矩／ 最大转矩／ 型号 排 量／ mI r MPa M Pa rrai n rrai n 1 N m N m J M 1 1 F0 ． 4 F1 3 9 3 2 0 2 5 3 2 O 1 8～ 4 0 0 l 1 2 8 1 41 1 已知 滚刷 马达 的排 量 q 和滚 刷 所 受 的阻 力 矩 T， 可 由下式 算得 马达前后 压差 。根 据公式 T／ 2 0 ． 1 5 9 AP q } ] 1 1 式 中 △ P为 前后 马达 压 差 ； g 为滚 刷 马 达 的排 量 ； 为 机械效 率 ， 取 为 0 ． 9 。 代入相关的数值可求得 △ P一6 ． 9 MP a 。 2 ． 4振 动铲 马达选 型 已知 有 2 个 马 达 ， 可求 得每 个马 达 的转 矩 为 6 1 5 ． 6 ／ 2 3 0 7 ． 8 N I n 。流入每 个振 动铲 马 达 的流 量 同样是 Q 。 一1 6 2 I rai n。已知 振 动 铲 马 达 的 转速 2 6 0 0 r mi n 一 ， 则有 Q q 2 2 1 2 式 中 q 。为 振 动铲 马 达 的排 量 ； ” 为 振 动铲 马达 的 转速 ， 取 为 6 0 0 r rai n。 代人数值求得 g 一2 7 0 mLr 1 。 ， 则选择合适 的 J M3 3 一E 0 ． 2 5型 马达 ， 参 数如 表 3所示 。 表 3 振动铲 马达型号 排量／ 额定压力／ 最高压力／ 额定转速／ 最高转速／ 额定转矩／ 最高转矩／ 型号 ml r 一 M Pa M Pa rrai n一1 rrai n一1 N m N m J M 3 3 一 E0 ． 25 2 5 l l 6 2 0 5 O 0 2 5 ～ 6 0 0 5 4 8 6 8 5 已知振动铲 马达 的排量 q 和所受 的 阻力矩 T ， 可 由下式求得马达前后压差。 T】 ／ 2 0 ． 1 5 9 △P1 q 2 1 3 式 中 A P 为振动铲马达 的前后压差 ； q 。为振动铲 马达的排量 ； 为马达 的机械效率 ， 取为 0 ． 9 。 代人数值可求得 △ P 一8 ． 6 MP a 。由于振动铲 马达 和滚刷 马达是 并 联 的 ， 因此 工作 泵 的 出 口压力 9 6 为 △ P△ Pl 一6 ． 9 8 ． 6 1 5 ． 5 MP a ， 与 原 有 装 载 机 工作装 置 的工作 压力相 当 ， 满 足滚 刷 马达 、 振 动铲 马达和 工作泵 的性 能要求 。 3 液压泵和发动机的校核 3 ． 1液压 泵的校 核 已知 装 载 机 自带 的 工作 泵 型 号 为 C B G1 6 0 矩 E QUI P ME NT MANAGEME NT AND MAI NTE NANCE 形花键左旋 ， 其正常工作时排 出的流量为 Qq n 一 35 2 L mi n_。 。 而滚刷 和振动铲工作时 ， 需要 的最大流量为 Q 。 Q2一 q n 一 3 1 4 ． 4 L mi n 即 Q一3 5 2 Lrai n Q2 3 1 4 ． 4 L mi n 。 所 以工 作泵 满 足要求 。 3 ． 2发动 机功 率校 核 已知 除雪 车行驶 阻力 为_ 8 ] F 一 g AV f M 1 2 式 中 F 为 除雪 车行 驶 阻力 ； 为 空 气 阻 力 系 数 ， 取 0 ． 0 0 2 7 5 ； A 为 除雪 车正 面投影 面 积 ， 取 3 1 T I ； f 为滚动阻力 系数 ， 取 0 ． 0 3 ； V为 除雪 车车速 ， 取 3 O k m h； M 为 除雪 车质量 ， 取 1 6 2 0 0 k g 。 除雪 车 的行驶 功率 P。 一F V， 代人 相 关 的数值 可求 得 P 。 一3 8 ． 8 8 k w 。 同时除雪 车 上转 向泵 的型 号 为 C B G2 0 8 0 ， 其详 细的技术参数如表 4所示。 表 4 转 向泵型号 公称排量／ 额定压力／ 最高压力／ 额定转速／ 最高转矩／ 额定功率／ 型号 mLf 1 MP a MP a r mi n 一 1 r 耐 n 1 k W CB G2 0 8 0 8 0 1 6 2 O 2 O O O 2 5 0 0 5 1 6 已知转 向工 作 压 力 为 1 4 MP a ， 转 向泵 转 速 为 2 2 0 0 r mi n ～ ， 因此可求得转 向泵 能提供 的最 高 功率 P1 1 4 2 2 0 0 8 O 一4 1 k W 。 车体所采用的发动机型号为 6 7 G3 2 8 ， 其详细 的技 术参 数如 表 5所示 。 而 除雪车 消耗 的最 大 总功率 为 Pz Po- - P1 P2 Nk一 1 5 O ． 5 4 k W 由表 5知 发 动机额 定功 率为 1 6 2 k w ， 大 于 P ， 表 5装载机发 动机型号 标定功率／ 标定转速／ 最大扭矩／ 最大扭矩时转速／ 燃油消耗率／ 型号 k W r min 一1 N m r min 一 1 g k W h 6 7 G32 8 1 6 2 2 2 0 0 8 8 0 1 4 O O ～ 1 5 0 0 2 1 5 因此可知发动机功率满足作业性能要求 。 4 结 语 在冬季 ， 将原有的工程车辆或者其他车辆改装 成 除雪 车 ， 具 有很 重要 的意 义 ， 这 样可 提高 车辆 的使 用 率 ， 实现一 机 多用 。 参 考 文献 [1] [2] [3] [4] [5 ] [6] [7 ] [8 ] [9 ] 齐晓杰． 楔刃振动式道路冰雪清除机理和 除雪机械研究 [ D] ． 哈尔滨 哈尔滨理工大学 ， 2 0 0 7 ． 宋建安 ， 赵铁栓． 液压传 动[ M] ． 西安 世 界 图书 出版西 安公 司 ， 2 0 0 4 ． 刘 月娥． C X F 2 5 0 0除 雪机 的技 术改进 及分 析[ J ] ． 科学 之友 ， 2 0 0 9 1 7 3 1 - 3 2 ． 李文 峰． 多功能清雪车碾压辊工作机理及参数优 化研究[ D] ． 长春 吉林大学 ， 2 0 0 9 ． 王 杰夫． 振 动清除 冰雪机 理及振 动碾 压辊优化 研究[ D ] ． 长 春 吉林大学 ， 2 0 1 1 ． 王 晓方． 除雪车功能及主要参数设 计[ J ] ． 农业 装备与 车辆工 程 ， 2 0 0 6 1 2 2 4 2 9 ． 徐东 明， 刘莉莉． 除雪车的设计计算 [ J _ ． 专用 汽车． 2 0 0 1 4 9 一 l 0 ． 杨 阳． 除雪机组合 除雪装置 的设计 [ D] ． 大庆 东北石 油大 学 ， 2 01 2 ． 牟艳秋 ， 巴吾东． 一种小型破冰除雪机 的设计[ J ] ． 机械 工程与 自动化 ， 2 0 0 9 4 1 0 3 1 0 5 ． [ 责任编 辑 杜卫华 ] 9 7