WJ-7FB矿用多功能铲运机全液压转向系统设计.pdf

2 0 1 5年 5月 第 4 3卷 第 1 O期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS Ma v 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ．1 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 0 ． 0 2 9 WJ ． 7 F B矿用多功能铲运机全液压转向系统设计 贺克伟 中国煤炭科工集团太原研究院，山西太原 0 3 0 0 0 6 摘要介绍了全液压转向系统的构成，阐述了液压转向系统油路状态，对比分析了定量泵、恒压泵和负载敏感变量泵 全液压转向系统的特点。完成了wJ - 7 F B多功能铲运机恒压闭芯无反应转向系统的设计。 关键词 全液压转向； 恒压泵；WJ 一 7 F B铲运机；闭芯；无反应 中图分 类号 T D 5 2 5 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 l 0 0 9 3 3 De s i g n o f Hy d r a u l i c Po we r S t e e r i n g S y s t e m f o r WJ - 7 F B Mi n i n g Mu l t i f u n c t i o n a l Lo a d． - ha u 1 ． - d ump e r Lo a d e r HE Ke we i T a i y u a n R e s e a r c h I n s t i t u t e ，C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ， T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 0 6 ，C h i n a Ab s t r a c t Co mp o s i n g o f h y d r a u l i c p o w e r s t e e rin g s y s t e m wa s i n t r o d u c e d ． T h e p o r t s t a t e o f h y d r a u l i c s t e e r i n g u n i t wa s e x p o u n d e d ． T h e f e a t u r e s o f h y d r a u l i c p o w e r s t e e ri n g s y s t e ms w i t h fi x e d p u mp，p r e s s u r e c o mp e n s a t e d p u mp a n d l o a d s e n s i n g p u mp we r e c o mp e d ． T h e d e s i g n o f c l o s e d c e n t e r a n d n o n ．- r e a c t i o n h y d r a u l i c p o w e r s t e e ri n g s y s t e m w a s c o mp l e t e d f o r WJ - 7 F B mu h i f u n c t i o n a l l o a d -- h a u l - du mpe r l o a d e r ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c p o we r s t e e ri n g；P r e s s u r e c o mp e n s a t e d p u mp；WJ 一 7 F B mu h i f u n c t i o n a l l o a d h a u l - d u mp e r l o a d e r ；C l o s e d c e nt e r ；No n r e a c t i o n 矿用铲运机用于煤矿井下辅助材料的运输，作为 无轨运输设备 ，它具有铲 、叉 、运等多种功 能 。担 负 着井下装卸料和运输的任务，某些铲运机配备液压破 碎锤 ．还可用于井下路面的修建。相对于井下其他装 载设备，矿用铲运机具有机动灵活、活动范围广、生 产能力大等特点 ] 。 矿用铲运机采用前后机架中央铰接式结构。经上 下 两根销 轴对联 ，允许 前后机 架左右 相对转 动 。对采 用双缸转 向的铲 运机 ，整机 的转向通 过两端 分别 固定 在前后机架上的油缸来完成 。转向时一根油缸活塞杆 伸出、一根油缸活塞杆缩回。采用铰接式液压转向方 式理论上可 以获得转向灵活、转弯半径小的转 向性 能_ 2 ] 。但矿井底下地面复杂、巷道窄而弯道多，铲运 机经常要行驶在凹低不平路面、松软的泥煤或是碎石 场 地。为了适应 复杂的井底环境 ，要 求矿用 铲运机的 转向系统具备操作灵活、操作力小、动作可靠 、性能 稳定等特点 ，因此设计合理 的液压转向系统十分重要 。 1 全液压转 向系统构成及分析 1 ． 1 全液 压转 向 系统 构成 全液压转 向系统 由液压泵 、转阀式转 向器 以 下称转向器 、液压缸及液压辅助元件组成 ，系统构 成如图 1 所示。转向器与液压缸通过管路连接 ，转向 器作为全液压转向系统最重要的元件由驾驶人员经方 向盘进行操控 ，方向盘与转向柱、转向柱与转向器控 制阀芯分别经花键配合，液压系统工作时 ，液压泵输 出油液至转向器，方向盘转动带动转向器内部控制阀 芯随之旋转 ．油液经控制 阀芯和阀套 间的过 流截面 流 向计量 马达 ．然后经计量 马达输 出至液压缸 ，进而实 现整机转 向。转 向器输 出油液 的多少与方 向盘转动 的 快慢有关 ，方 向盘转动速度快 ，转 向器单位时 间输 出 至液压缸 的油液就 多 J 。 a R、L口互通状态 b R、L口封闭状态 图 1 液压转向系统构成 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 4 - 2 4 作者简介 贺克伟 1 9 8 4 一 ，助理工程师，现从事矿用特种车辆的装配和调试工作。E - ma i l c u m d x y 1 6 3 ． c o n。 l 液压泵 2 转向器 3 安全阀 4 液压缸 9 4 机床与液压 第 4 3卷 1 ． 2 液压转向系统油路分析 转向器中位状态下工作油路 R 、L口存在不同的 油 口状 态 ， R、L口互通 状 态 ，见 图 1 a ，外界 负 荷作用在整机上的力可以反馈 至方 向盘 。操作人员释 放方向盘后 ，方向盘可以自动复位。设备不能维持方 向盘 释放 时的状 态 R、L口封闭状 态 ，将此称 之 为 无反应状态 【 4 ] ，如 图 1 b ，在此状态下外界负荷作 用在整机上的力不会反馈至方 向盘上 ，配置此种机能 转向器的设备，操作人员释放向盘后，设备能够保持 方向盘 释 放 时 的状态 ；中位 R、L 、T口互 通 状态 ， 此中位机能转向器可作为先导元件 ，与液控操作转向 阀匹配使用 ，用在重型车辆 的转 向上 | 5 J 。 转向器位于中位时 P、T口存在导通和封闭状 态，P 、T口导通机能可以用于定量泵供油系统，如 图 1 a ；P、T口封 闭机能 可用 于定 量泵 系统 ，如 图2 a ，或用于变量泵供油系统，如图 1 b 和 图 2 b 。与 图 1 相 比较 ，图 2所示为具备 优先转 向 功能的负载敏感转 向系统，在定量泵优先转 向系统 中，优先阀作为定压差阀感应转向 I JS信号优先保证 c F口的油液供 给。多余油液经 E F口流 向工作 回 路_ 6 J ，工作回路必须采用开芯式结构或是采用旁通 溢流结构．以保证待命时定量泵系统处于低压卸荷状 态。变量泵优先负载敏感系统 。转 向 L s信号与工作 回路 L s信号比较后反馈至变量泵排量控制机构上 。 变量泵根据转阀阀口和工作回路阀口开度提供与之相 匹配的流量 输出[ 8 - 9 3 。 路 a 定量泵系统 b 变量泵系统 图2 负载敏感液压转向系统 1 ． 3 全 液压 转向 系统 比较 定量泵和变量泵全液压转向系统油路简图如图 3 所示 ，定量泵供 油全液压转 向系统可视为节流调节 的 阀控缸调速 系统 ，定量泵在转速恒定时输出 的流量为 一 定值 ，在转向器动作时．定量泵的输出流量一部分 流向转向器实现整机转向。一部分油液供给工作回路 动作，多余的油液以高于两个回路之中压力较高值约 1 2 M P a的压力卸 荷 至油箱 ．卸荷 的油 液 因压力 损 失将造成液压油油温的升高，整机设计时需考虑加大 液压油箱的容量或加装散热装置以便将油温控制在合 理范 围内。 罾 口 a 定量泵系统 b 变量泵系统 图 3 液压转向系统油路简图 变量泵 全液压转 向系统为容积节流调节 的阀控缸 调速系统 ，对配备恒压变量泵的液压转向系统 ，恒压 变量泵实时以压力切断值的待命压力给转 向器供油。 只要转 向器动作 ，恒压泵 能快速地供给压力油 ．并及 时调整泵的排量以 匹配转 向系统 的流量 和压 力需求 ． 虽然待命时压力高。但此时恒压泵仅输出少量流量 ， 以满足泵本身和系统的泄漏。系统泄漏因压力损失引 起的热量小。采用变量泵 L s反馈优先转向系统，转 向和工作回路未动作时。变量泵以 1 ． 5 ～ 3 M P a的压 力处于待命状态．转向或工作回路动作时变量泵可提 供系统需要 的压力 和流量 ．但 系统 I J s管路 长短 、布 置及走向在一定程度上会减弱 L s反馈信号，对系统 灵敏度造成影响。同时采用此系统必须满足待命状态 下 L s信号能够及时卸荷。 对 比定 量泵和变量泵全液压转 向系统 的特点 ，根 据 WJ ． 7 F B铲运机整机设计与布置 ，并考虑到整机在 井下运行时地面情况复杂 、作用在整机上的外作用力 大，采取恒压泵供油 中位闭芯 ，R、L口封闭的全液 压转 向系统。 2 WJ ． 7 F B铲运机恒压闭芯无反应转向系统设计 2 ． 1 系统功 能分析 WJ ． 7 F B多功能 铲运 机 的全液 压转 向原理 如 图 4 所示 ，恒压变 量泵采 用 压力 补偿 柱塞 变量 泵 以下 简称柱塞变量 泵 ，转 向 回路 配置 转 向蓄能 器 5 ，转 动方 向盘时 ，柱塞变量泵和转 向蓄能器同时给闭芯转 向器供油实现整机转向此系统还包含制动回路．柱 塞变量泵 和制 动蓄能器 1 3给制 动 回路 供油 ，实 现整 机制动 释放 。转 向和制动 回路分别经气控换 向阀 9和 1 4与整机 气路 系统实现相互 闭锁 。 第 1 0 期 贺克伟 ． 7 F B矿用多功能铲运机全液压转向系统设计 9 5 l 暇抽过溏器2 幅 压变量泵 3 一高压过滤器4 、l 2 单 向阏5 转 向 蓄能器 6 截l E 阀 7 安全阀 8 一回油过滤器 9 、1 4 气控换向阀 l O 转 向器 l l 转向油缸 l 卜 制动蓄能器 l 5 营能器卸荷阀 1 6 、 1 7 、 1 8 压力表 图_4 WJ ． 7 F B全液压转向系统原理 2 ． 2工作原理和 系统特点 整机启动时柱塞变量泵输 出的油液经高压过滤器 3 、单 向阀 4和 1 2分别 向转 向蓄能器 5和制动 蓄能器 1 3充液 ，充液完毕后柱塞泵处于高压等待状态。设 定柱塞变量泵的压力切断值为 1 6 M P a ，系统安全阀 7 设 定压力 1 9 MP a 。 转向回路配置转向蓄能器 5 后 。整机转向时获得 压力油的速度相对于单柱塞泵供油时更快 ．系统响应 时间缩短 ，转 向灵活 。在转向过程中外界负荷引起转 向压力突升时 ，可经 R、L口的缓冲溢 流阀卸荷 ．缓 冲溢流阀压力设定值高于安全阀 5 ～ 7 MP a ，此时转 向蓄能器可吸收系统压力冲击和振动。 整机或柱塞变量泵出现故障。系统失去动力时， 转向蓄能器 5 可 作为紧急动力 源供 给转向器 ，转 向器 此时可以作为手动泵使用，操纵方向盘转动。转向器 通过 P、T口间的单向阀经 T口从油箱吸油，同时转 向缸的 回液输送到 P口，实现车辆紧急转向。 转向系统与整机气路系统经气控换向阀 9 进行闭 锁。整机未解制动时气控换向阀 9 切断转向器油液的 供 给 ，车辆无法 转向 。可以防止车辆 在制动器制动状 态 下操作 方向盘时磨损 轮胎 。 转向回路配备截止阀 6 ，设定为常闭状态，在车 辆故障检修和吊装整机运输时．操作截止阀可人为释 放转 向蓄能器的压力油液 ，以防止误操纵方向盘造成 周边设备损坏和人 员伤害 。 另外 ，制动 回路 经 柱 塞 泵 和 制 动 蓄 能器 1 3向 脚踏制动阀供液 ，与整机气路系统经气控换向阀 1 4 进行闭锁 ，操作此阀实现车辆的紧急制动与制动释 放 功能 。蓄能 器 卸 荷 阀 1 5控 制 信 号 取 自传 动 系 统 压力油 ，车辆熄火后传动压力消失 ，蓄能器卸荷 阀 自动释放 掉制 动蓄能 器 内压力 油 ．实现 弹簧 制 动器 动作。 转向回路与制 动 回路配合使 用 。在满 足整机转 向 性能时，又保证了整机的安全性。 3结束语 采用恒压变量泵 ，并配备转向蓄能器的全液压转 向系统 ，响应 时间短 ，转 向灵敏 ，系统节能 ，可实现 整机正常行驶和系统失去动力紧急状态下的转向．与 制动 回路相 配合满 足了 wJ ． 7 F B多功 能铲运 机的现场 使用。 参考文献 [ 1 ]张栋林． 地下铲运机[ M] ． 北京 冶金工业出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ]高梦熊． 地下装载机[ M] ． 北京 冶金工业出版社 ， 2 0 1 1 ． [ 3 ]R e x r o t h B o s c h G r o u p ． R C 1 4 3 6 5 ／ 0 1 ． 9 8 ． 1 4 5 7 1 4 6 1 ． [ 4 ]E a t o n C h a r - L y n n ． C S T O V MC 0 0 1 一 E 2 0 0 3 ， 6 - 1 1 ． [ 5 ]柳玉龙． WC 4 0 E J井下重型支架搬运车液压转向分析 [ J ] ． 煤矿机械， 2 0 1 1 2 8 2 8 3 ． [ 6 ]冯波 ， 李岩， 石磊． 负荷传感转向系统在铰接式矿用车辆 的应用[ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 1 0 5 1 7 7 1 7 9 ． [ 7 ]薛白， 徐家祥． 定量泵负荷传感系统在叉车上 的应用 [ J ] ． 起重运输机械， 2 0 1 1 7 3 5 - 3 6 ． [ 8 ]尹国会 ， 赵向阳， 景军情． 负荷传感转向系统[ J ] ． 流体传 动与控制， 2 0 0 5 8 4 4 4 5 ． [ 9 ]王先锋， 陈利东， 田晋跃． 负荷传感转向系统在隧道施工专 用搬运车辆上的应用[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 1 9 5 9 6 1 ． 上接 第 9 2页 可以看出 每一次更改后 泵的流量拐点都有显著 提高，第二次更改后流量拐点又从第一次 的 3 0 0 0 r ／ m i n提高到 3 6 0 0 r ／ m i n 。在后来的试验中测得它在 3 6 0 0 r ／ m i n 后的流量基本保持在 1 5 0 I Mm i n 。 由图 6 可知 经 过这 两次结 构上 的更 改设 计后 ． 该泵的容积效率有了显著提高，高转速下的容积效率 由原来 的不到 5 0 ％提高了 3 0 ％左 右。 3结论 通过对成 品泵的更 改设计 ，从最后 的试验数据 的 较大变化 ，即更改后流量 的显著 提高可 以得 出 进 油 室包角、进油 口结构 及 一系列 进油 口处 的涉 及尺 寸 、 结构、深度等的参数对于泵高转速区域的容积效率有 着重要的影响，更改前后泵的流量变化很大，说明在 内齿泵的设计 中，合适的进 口结构、大小及包角是必须 要保证的，这样对泵容积效率的提高有着很大的意义。 参考文献 [ 1 ]睦锁炳． 渐开线内啮合齿轮泵的内泄漏控制[ J ] ． 机电设 备， 1 9 9 7 2 3 6 - 4 0 ． [ 2 ]罗骥， 吴盛林 ， 袁子荣， 等． 内啮合齿轮泵内部泄漏流量 的建模与实验[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 5 8 1 0 6 1 0 7 ． [ 3 ]王爱平， 李宏伟． 新型高压内啮合齿轮泵理论研究[ J ] ． 通用机械， 2 0 0 4 3 4 9 5 1 ． [ 4 ]路甬祥． 液压气动技术手册 [ M] ． 北京 机械工业 出版 社 ， 2 0 0 3 ． [ 5 ]龚仁武， 刘宗其． 液力传动变速箱内啮合齿轮泵的早期 磨损分析及改进设计[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 5 7 8 0 8 2 ． [ 6 ]王乐琴， 苗天丞 ， 张菲茜． 高压渐开线内啮合齿轮泵轴向 泄漏分析[ J ] ． 排灌机械工程学报， 2 0 1 3 1 1 9 2 9 9 3 1 ．