苗國(guó)華+崔元福+王永+等

摘要：為了提高平地機(jī)的作業(yè)效率，提高鏟刀帶載回轉(zhuǎn)的能力，提出了一種新型平地機(jī)鏟刀回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，即雙油缸加回轉(zhuǎn)閥擺動(dòng)的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，并闡述了這種回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的工作原理。通過(guò)分析回轉(zhuǎn)過(guò)程中回轉(zhuǎn)油缸各工作象限作用關(guān)系，推導(dǎo)出新結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算方法，并基于上述方法獲得回轉(zhuǎn)周期內(nèi)回轉(zhuǎn)力矩理論值。這種設(shè)計(jì)可為平地機(jī)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和回轉(zhuǎn)力矩計(jì)算提供參考。

關(guān)鍵詞：作業(yè)效率；雙油缸；回轉(zhuǎn)閥；回轉(zhuǎn)力矩

中圖分類號(hào)：U415.51文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： In order to improve the working efficiency of the motor grader and the ability of the blades to carry the load， a new kind of rotary mechanism for the blade of motor grader with double cylinders and swinging rotary valve was proposed， and the working principle of the rotary mechanism was expounded. The calculating method of rotary torque of the new mechanism was deduced by analyzing the working quadrant relationship of the rotary cylinder in the rotary process. Based on the above formula， the theoretical value of the rotary torque was obtained. This design can provide reference for the design of rotary mechanism and calculation of rotary torque.

Key words： working efficiency； double cylinders； rotary valve； rotary torque

0引言

目前絕大多數(shù)平地機(jī)采用擺線馬達(dá)、渦輪減速機(jī)、回轉(zhuǎn)架的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)通過(guò)操作手柄控制多路閥閥芯位置，從而使高壓液壓油進(jìn)入擺線馬達(dá)A口或B口驅(qū)動(dòng)擺線馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，再由擺線馬達(dá)來(lái)控制舊轉(zhuǎn)架動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)鏟刀的360°回轉(zhuǎn)。

擺線馬達(dá)啟動(dòng)過(guò)程中的容積效率低、啟動(dòng)扭矩小、啟動(dòng)功率小，在鏟刀帶有負(fù)載的情況下，不能操作鏟刀回轉(zhuǎn)，大大降低了平地機(jī)的作業(yè)效率，并限制了其工作范圍。

針對(duì)上述缺點(diǎn)，為使鏟刀具備帶載回轉(zhuǎn)能力，本文闡述一種新型平地機(jī)鏟刀回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)——雙回轉(zhuǎn)油缸加回轉(zhuǎn)閥擺動(dòng)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，并推導(dǎo)出新型鏟刀回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算方法。

1新型鏟刀回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及其工作原理

新型鏟刀回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖1所示?；剞D(zhuǎn)油缸在360° 回轉(zhuǎn)過(guò)程中，當(dāng)回轉(zhuǎn)油缸缸底支點(diǎn)、活塞桿端支點(diǎn)及回轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)處在一條連線上時(shí)，回轉(zhuǎn)油缸與回轉(zhuǎn)臂會(huì)形成2個(gè)死點(diǎn)位置，此時(shí)回轉(zhuǎn)油缸無(wú)法驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)[13]。為避免2個(gè)回轉(zhuǎn)油缸在回轉(zhuǎn)過(guò)程中同時(shí)出現(xiàn)死點(diǎn)位置，從而發(fā)生回轉(zhuǎn)架及鏟刀不能回轉(zhuǎn)的情況，左回轉(zhuǎn)油缸與右回轉(zhuǎn)油缸設(shè)計(jì)成90° 相位關(guān)系。

如圖2所示，回轉(zhuǎn)閥AA與BB兩個(gè)油口分別與平地機(jī)多路閥回轉(zhuǎn)控制片閥的2個(gè)工作油口連接；回轉(zhuǎn)閥油口AA通過(guò)回轉(zhuǎn)閥殼體的環(huán)油槽、回轉(zhuǎn)閥芯的軸向通油孔和徑向油道始終與回轉(zhuǎn)閥芯的半月槽D相通；回轉(zhuǎn)閥油口BB通過(guò)回轉(zhuǎn)閥殼體的環(huán)油槽、回轉(zhuǎn)閥芯的軸向通油孔和徑向油道始終與回轉(zhuǎn)閥芯的半月槽E相通?；剞D(zhuǎn)閥的油口1與左回轉(zhuǎn)油缸的活塞端連接，油口2與右回轉(zhuǎn)油缸的活塞端連接，油口3與左回轉(zhuǎn)油缸的活塞桿端連接，油口4與右回轉(zhuǎn)油缸的活塞桿端連接[47]。

以鏟刀順時(shí)針回轉(zhuǎn)為例，初始位置左回轉(zhuǎn)油缸處于死點(diǎn)，液壓系統(tǒng)高壓油通過(guò)AA油口進(jìn)入回轉(zhuǎn)閥，再通過(guò)殼體環(huán)油槽與回轉(zhuǎn)閥芯軸向、徑向通油孔到達(dá)回轉(zhuǎn)閥芯的半月槽D區(qū)域，經(jīng)回轉(zhuǎn)的油口4進(jìn)入右回轉(zhuǎn)油缸的活塞桿端，推動(dòng)右回轉(zhuǎn)油缸回縮，從而帶動(dòng)右回轉(zhuǎn)臂逆時(shí)針回轉(zhuǎn)，右回轉(zhuǎn)油缸活塞端的液壓油經(jīng)過(guò)回轉(zhuǎn)閥的油口2和回轉(zhuǎn)閥芯的半月槽E至油口BB回油。此時(shí)左回轉(zhuǎn)油缸的活塞端、活塞桿端通過(guò)回轉(zhuǎn)閥的油口1、3與回轉(zhuǎn)閥芯徑向節(jié)流小孔互通。右回轉(zhuǎn)臂帶動(dòng)右驅(qū)動(dòng)齒輪逆時(shí)針回轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)架順時(shí)針回轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)左驅(qū)動(dòng)齒輪及左回轉(zhuǎn)臂逆時(shí)針回轉(zhuǎn)，使左回轉(zhuǎn)油缸通過(guò)死點(diǎn)位置；與此同時(shí)，回轉(zhuǎn)架順時(shí)針回轉(zhuǎn)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)閥驅(qū)動(dòng)齒輪逆時(shí)針回轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)回轉(zhuǎn)閥芯逆時(shí)針同步回轉(zhuǎn)[89]。在進(jìn)一步回轉(zhuǎn)過(guò)程中，當(dāng)右回轉(zhuǎn)油缸出現(xiàn)死點(diǎn)位置時(shí)，因?yàn)榛剞D(zhuǎn)閥芯的同步回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)閥芯半月槽A與回轉(zhuǎn)閥油口1連通，此時(shí)高壓油經(jīng)AA油口、回轉(zhuǎn)閥芯半月槽D、油口1到左回轉(zhuǎn)油缸活塞端，左回轉(zhuǎn)油缸伸出，帶動(dòng)左回轉(zhuǎn)臂進(jìn)一步逆時(shí)針回轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)右回轉(zhuǎn)油缸通過(guò)死點(diǎn)位置，以此類推從而實(shí)現(xiàn)雙油缸加回轉(zhuǎn)閥回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的連續(xù)回轉(zhuǎn)，反之依然。

2新型鏟刀回轉(zhuǎn)力矩計(jì)算方法

由以上分析可知，在連續(xù)回轉(zhuǎn)過(guò)程中，回轉(zhuǎn)閥芯驅(qū)動(dòng)齒輪，實(shí)現(xiàn)同步回轉(zhuǎn)；在整個(gè)回轉(zhuǎn)過(guò)程中左右回轉(zhuǎn)油缸活塞端、活塞桿端高低壓油連續(xù)規(guī)則地切換，保證了回轉(zhuǎn)的連續(xù)性。

以回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)齒輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為例，回轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)過(guò)程中的位置關(guān)系如圖3所示。

式中：K為回轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度（mm）；L為回轉(zhuǎn)油缸缸底支點(diǎn)與回轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)中心兩點(diǎn)間的距離（mm）；θ為回轉(zhuǎn)油缸與缸底支點(diǎn)和回轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)中心2點(diǎn)連線的夾角（rad）；β為回轉(zhuǎn)油缸與回轉(zhuǎn)臂之間的夾角（rad）；Lc為回轉(zhuǎn)油缸回轉(zhuǎn)力臂（mm）。

考慮到回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)齒輪與回轉(zhuǎn)架齒輪之間存在嚙合間隙、回轉(zhuǎn)閥驅(qū)動(dòng)齒輪與回轉(zhuǎn)架齒輪存在嚙合間隙、各齒輪的制造誤差、回轉(zhuǎn)閥芯的偏差以及回轉(zhuǎn)架與牽引架等裝配誤差等原因，回轉(zhuǎn)油缸在死點(diǎn)切換時(shí)有一定空行程角度。假設(shè)回轉(zhuǎn)油缸在死點(diǎn)附近±7.5° （即弧度±0.13）為死點(diǎn)空行程區(qū)域。為保證回轉(zhuǎn)油缸回轉(zhuǎn)過(guò)程的連續(xù)性，左、右回轉(zhuǎn)油缸相位差設(shè)置為90° ，結(jié)合公式（1）～（3）可得雙油缸加回轉(zhuǎn)閥的回轉(zhuǎn)力矩計(jì)算公式

以某機(jī)型回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為例，回轉(zhuǎn)油缸缸底支點(diǎn)與回轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)中心2點(diǎn)間的距離L=644 mm，回轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度K=120 mm，回轉(zhuǎn)油缸缸徑D=63 mm，回轉(zhuǎn)油缸活塞桿桿徑d=35 mm，回轉(zhuǎn)油缸工作壓力P=18 MPa，回轉(zhuǎn)架齒數(shù)Z2=55，驅(qū)動(dòng)齒輪齒數(shù)Z1=6。不考慮回油背壓、回轉(zhuǎn)油缸高低壓油路切換過(guò)程中的沖擊，則其理論回轉(zhuǎn)力矩見(jiàn)圖4。

由理論計(jì)算可知，在回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)的過(guò)程中，回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩隨回轉(zhuǎn)臂曲柄角度發(fā)生周期性變化。在左回轉(zhuǎn)油缸回轉(zhuǎn)臂曲柄角度為45° 時(shí)，總回轉(zhuǎn)力矩達(dá)到最大值89 kN·m；在左回轉(zhuǎn)油缸回轉(zhuǎn)臂曲柄角度為173° 、263° 時(shí)，總回轉(zhuǎn)力矩達(dá)到最小值41 kN·m。因?yàn)橛透椎墓ぷ餍蔬_(dá)到095且不受油缸速度等的影響，其油缸作用力只受限于液壓系統(tǒng)設(shè)定的工作壓力，啟動(dòng)力矩僅受限于系統(tǒng)設(shè)定工作壓力，不存在擺線馬達(dá)低速啟動(dòng)時(shí)容積效率低、啟動(dòng)扭矩小以及啟動(dòng)功率低等缺點(diǎn)，故回轉(zhuǎn)油缸加回轉(zhuǎn)閥的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以帶載回轉(zhuǎn)，大幅提高了平地機(jī)鏟刀的工作效率和工作范圍。

4結(jié)語(yǔ)

（1）闡述了一種新的平地機(jī)鏟刀回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的工作原理，基于左、右回轉(zhuǎn)油缸在各工作象限內(nèi)的關(guān)系，推導(dǎo)出新回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算方法，并基于此方法計(jì)算出新型回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)力矩理論值。

（2）回轉(zhuǎn)油缸在死點(diǎn)區(qū)域切換高、低壓油和工作象限時(shí)會(huì)有一定的沖擊，后續(xù)還需進(jìn)一步研究液壓沖擊的影響因素和改善措施。

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[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]