矿用机械行走驱动系统的研究与设计

摘 要 本文通过对比确定了矿用机械行走驱动系统所采用的驱动类型，然后通过发动机与液压泵的参数匹配、液压泵与驱动电机的参数匹配和行走机构与滑转曲线的匹配详细地阐述了矿用机械行走驱动系统的研究与设计。

关键词 矿用机械；液压驱动；行走驱动

中图分类号TH13 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）80-0063-02

0 引言

一般矿用机械的核心组成部分即是行走驱动系统，其大概分为四种类型，即纯机械驱动系统、液力驱动系统、液压传动系统以及电力驱动系统。相较于工作系统，矿用机械行走驱动系统要保证具有很大的传输功率，而且组成整套系统所需要的组件具有耐用、高效特性，从而能够确保系统在变速、调速、转变输出轴旋转方向以及逆向传输动力等方面具有较高特性。

1 矿用机械行走驱动系统类型的确定

目前，最常用于矿用机械行走驱动系统的类型主要是液压驱动和液力驱动系统两种，为此，本文针对这两种类型的驱动系统进行如下比较：

1）反应性能

利用我国液力机械驱动型ZLD-40装载机进行测试显示，机械启动加速时间为2s，制动时间为2.8s，额定功率下换向时间为2s，待采用液压驱动系统后，由于其变速箱具有较大惯量，因此这些时间都会大大地缩短。

2）低速性能和驱动效率

液力驱动系统的结构决定了转速的二次方是与变矩器泵轮扭矩成正比的，电机转速过低则扭矩过小，因此造成了启动时不能充分加速从而无法发挥变矩器输出扭矩的作用，假使用于装载机械上，由于装载机械是工作在低速区的，因此液力驱动系统是具有一定的局限性的，而液压驱动系统的转速与扭矩是无关的，因而可以避免这种情况的发生。在驱动效率方面，在同一设计工作点上，虽然液力驱动相较于液压驱动而言有着较高的驱动效率，但是液压驱动会在较宽的速度范围内保持高效率运行，由此可知液压驱动在驱动效率上显然要优于液力驱动。

3）调速、变速性能

在进行矿用机械设计时，无论是采用液力驱动系统还是采用液压驱动系统，都需要进行相应的换挡设计，液力驱动系统往往会被设计为三档或四档，但液压驱动系统是利用恒功率进行调速变速的，基本上可以不换挡就可以调速在较宽范围内，通常设计为两档即可。

4）其他

此外，相较于液力驱动系统液压驱动还具有根据外载荷自动改变性能，改善了发动机运行情况，避免了在矿井下由于发动机持续低速运转而成大量的有毒气体现象。另外，液压驱动系统体积较小，提高了矿用机械的越野性能。

综上所述，本文主要是针对基于液压驱动系统的矿用机械行走驱动的研究与设计。

2 矿用机械行走驱动系统的研究设计

矿用车辆液压驱动系统的基本构成形式为泵和发动机，其组成方式有三种类型，如图1所示，这套系统的整体性能不单受系统内部各个组件的性能影响，还受各个组件之间参数是否良好匹配的影响，因此在进行矿用机械液压驱动系统的设计时，基本从以下几个方面进行相关设计。

2.1 发动机与液压泵的参数匹配

全程式调速发动机被广泛地用于矿用机械之中，机械性能主要由燃油效率、机械效率表示。矿用机械正常工作时，其负荷变化无规律可循，因此就要使发动机运行在最优情况之下，要满足使得燃料消耗最低，机械效率最大以及提高功率利用率，通常情况下，按12h标定功率计算，如公式（1）。

式（1）

其中式（1）中为液压泵的进出口压差，为泵理论排量，为泵驱动转速，为泵机械效率，为发动机驱动泵的净功率。上式没有将补油泵功率消耗计算在内。液压电机的外部负荷扭矩与液压泵的进出口压差呈正比例关系，在转速输出确定的前提下，发动机驱动泵净功率极易泵机械效率也是能确定的，因此泵理论排量表现在作用于发动机的负荷，其最大值会受到发动机输出功率的约束。

此外泵理论排量也会影响液压泵性能，其表现在于越大，机械效率和总效率越高。综上若想获得高效率的液压驱动，就要将各个转速下的最大输出功率作为液压驱动系统的控制对象，如式（2）所示，液压驱动系统的最佳工作状态就是要满足式（2）。发动机扭矩与液压泵的匹配公式如式（3）所示，其中Mb为泵吸收转矩。

式（2）

式（3）

2.2 液压泵与驱动电机的参数匹配

针对这一环节主要通过以下四个方面：液压元件压力匹配、液压元件转速的匹配、液压元件效率分析、驱动电机驱动方式的选择与控制。

1）液压元件压力的匹配：对于液压驱动系统来说，压力是一个重要的参数，合理的压力选取与参数匹配可以确保系统的可靠性以及耐用性。其匹配原则是以液压元件最高压力为基准，选取其0.5～0.6的倍数作为矿用机械行走液压元件额定压力；2）液压元件转速的匹配：实践表明合理地减小压力和转速可以提高液压元件使用寿命、增加其可靠性和传动效率。其参数匹配原则是忽略液压泵低速时的工作性能，将驱动电机实用转速向低转速转变。可是低速运行不稳定，所以不能使斜盘式轴向柱塞电动机持续工作在100rpm～450rpm和斜轴式轴向柱塞电机持续工作在50rpm；3）液压元件效率分析：液压元件的效率要通过实际试机对现实中的泵和电机工作在不同条件下测试记录，进行效率分析可以高度发挥和充分利用传动装置的性能；4）驱动电机驱动方式的选择与控制：驱动电机一般为高压自动变量驱动电机。控制方式要求具体为：在大部分工作时间内，保持驱动电机和液压系统在中高压范围内工作；对车辆外部负荷变化，驱动电机应具有相应的自适应能力；任意工况下，都要确保驱动电机高效率、稳定可靠的工作。

2.3 行走机构与滑转曲线的匹配

滑转率是车辆行走时与地面的相对滑转程度，在一定程度上影响着车辆牵引性能。通过实验和实践方法可绘制出滑转率随牵引力变化的关系，具体可解释为滑转率一定时，牵引力高的附着性能强，也可解释为若地面相等牵引力时，滑转率低的附着性能强，其关系可用式（4）表示。

式（4）

其中味机车有效牵引力，为单位附着重力，它们的比值即为额定牵引力，然后通过绘制的滑转率随牵引力变化的关系求得相对应的滑转率，完成行走机构与滑转曲线的匹配工作。

参考文献

[1]沈晓刚.矿用机械行走驱动系统性能匹配研究与应用[D].沈阳：东北大学，2008.

[2]卢义茂.矿山机器行走机构液压与液力传动的分析比较[J].矿山机械，1982：57-62.