新型平地机铲刀回转机构及其回转力矩计算

苗国华+崔元福+王永+等

摘要：为了提高平地机的作业效率，提高铲刀带载回转的能力，提出了一种新型平地机铲刀回转结构，即双油缸加回转阀摆动的回转结构，并阐述了这种回转结构的工作原理。通过分析回转过程中回转油缸各工作象限作用关系，推导出新结构回转力矩的计算方法，并基于上述方法获得回转周期内回转力矩理论值。这种设计可为平地机回转结构设计和回转力矩计算提供参考。

关键词：作业效率；双油缸；回转阀；回转力矩

中图分类号：U415.51文献标志码：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

目前绝大多数平地机采用摆线马达、涡轮减速机、回转架的回转结构，这种结构通过操作手柄控制多路阀阀芯位置，从而使高压液压油进入摆线马达A口或B口驱动摆线马达旋转，再由摆线马达来控制旧转架动作，实现铲刀的360°回转。

摆线马达启动过程中的容积效率低、启动扭矩小、启动功率小，在铲刀带有负载的情况下，不能操作铲刀回转，大大降低了平地机的作业效率，并限制了其工作范围。

针对上述缺点，为使铲刀具备带载回转能力，本文阐述一种新型平地机铲刀回转机构——双回转油缸加回转阀摆动回转结构，并推导出新型铲刀回转机构回转力矩的计算方法。

1新型铲刀回转机构及其工作原理

新型铲刀回转机构如图1所示。回转油缸在360° 回转过程中，当回转油缸缸底支点、活塞杆端支点及回转臂回转中心点处在一条连线上时，回转油缸与回转臂会形成2个死点位置，此时回转油缸无法驱动回转臂回转[13]。为避免2个回转油缸在回转过程中同时出现死点位置，从而发生回转架及铲刀不能回转的情况，左回转油缸与右回转油缸设计成90° 相位关系。

如图2所示，回转阀AA与BB两个油口分别与平地机多路阀回转控制片阀的2个工作油口连接；回转阀油口AA通过回转阀壳体的环油槽、回转阀芯的轴向通油孔和径向油道始终与回转阀芯的半月槽D相通；回转阀油口BB通过回转阀壳体的环油槽、回转阀芯的轴向通油孔和径向油道始终与回转阀芯的半月槽E相通。回转阀的油口1与左回转油缸的活塞端连接，油口2与右回转油缸的活塞端连接，油口3与左回转油缸的活塞杆端连接，油口4与右回转油缸的活塞杆端连接[47]。

以铲刀顺时针回转为例，初始位置左回转油缸处于死点，液压系统高压油通过AA油口进入回转阀，再通过壳体环油槽与回转阀芯轴向、径向通油孔到达回转阀芯的半月槽D区域，经回转的油口4进入右回转油缸的活塞杆端，推动右回转油缸回缩，从而带动右回转臂逆时针回转，右回转油缸活塞端的液压油经过回转阀的油口2和回转阀芯的半月槽E至油口BB回油。此时左回转油缸的活塞端、活塞杆端通过回转阀的油口1、3与回转阀芯径向节流小孔互通。右回转臂带动右驱动齿轮逆时针回转，从而驱动回转架顺时针回转，同时带动左驱动齿轮及左回转臂逆时针回转，使左回转油缸通过死点位置；与此同时，回转架顺时针回转带动回转阀驱动齿轮逆时针回转，从而带动回转阀芯逆时针同步回转[89]。在进一步回转过程中，当右回转油缸出现死点位置时，因为回转阀芯的同步回转，回转阀芯半月槽A与回转阀油口1连通，此时高压油经AA油口、回转阀芯半月槽D、油口1到左回转油缸活塞端，左回转油缸伸出，带动左回转臂进一步逆时针回转，从而带动右回转油缸通过死点位置，以此类推从而实现双油缸加回转阀回转机构的连续回转，反之依然。

2新型铲刀回转力矩计算方法

由以上分析可知，在连续回转过程中，回转阀芯驱动齿轮，实现同步回转；在整个回转过程中左右回转油缸活塞端、活塞杆端高低压油连续规则地切换，保证了回转的连续性。

以回转驱动齿轮顺时针旋转为例，回转臂回转过程中的位置关系如图3所示。

式中：K为回转臂长度（mm）；L为回转油缸缸底支点与回转臂回转中心两点间的距离（mm）；θ為回转油缸与缸底支点和回转臂回转中心2点连线的夹角（rad）；β为回转油缸与回转臂之间的夹角（rad）；Lc为回转油缸回转力臂（mm）。

考虑到回转驱动齿轮与回转架齿轮之间存在啮合间隙、回转阀驱动齿轮与回转架齿轮存在啮合间隙、各齿轮的制造误差、回转阀芯的偏差以及回转架与牵引架等装配误差等原因，回转油缸在死点切换时有一定空行程角度。假设回转油缸在死点附近±7.5° （即弧度±0.13）为死点空行程区域。为保证回转油缸回转过程的连续性，左、右回转油缸相位差设置为90° ，结合公式（1）～（3）可得双油缸加回转阀的回转力矩计算公式

以某机型回转机构为例，回转油缸缸底支点与回转臂回转中心2点间的距离L=644 mm，回转臂长度K=120 mm，回转油缸缸径D=63 mm，回转油缸活塞杆杆径d=35 mm，回转油缸工作压力P=18 MPa，回转架齿数Z2=55，驱动齿轮齿数Z1=6。不考虑回油背压、回转油缸高低压油路切换过程中的冲击，则其理论回转力矩见图4。

由理论计算可知，在回转油缸驱动回转臂回转的过程中，回转驱动力矩随回转臂曲柄角度发生周期性变化。在左回转油缸回转臂曲柄角度为45° 时，总回转力矩达到最大值89 kN·m；在左回转油缸回转臂曲柄角度为173° 、263° 时，总回转力矩达到最小值41 kN·m。因为油缸的工作效率达到095且不受油缸速度等的影响，其油缸作用力只受限于液压系统设定的工作压力，启动力矩仅受限于系统设定工作压力，不存在摆线马达低速启动时容积效率低、启动扭矩小以及启动功率低等缺点，故回转油缸加回轉阀的回转机构可以带载回转，大幅提高了平地机铲刀的工作效率和工作范围。

4结语

（1）阐述了一种新的平地机铲刀回转结构的工作原理，基于左、右回转油缸在各工作象限内的关系，推导出新回转结构回转力矩的计算方法，并基于此方法计算出新型回转机构回转力矩理论值。

（2）回转油缸在死点区域切换高、低压油和工作象限时会有一定的冲击，后续还需进一步研究液压冲击的影响因素和改善措施。

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[责任编辑：杜卫华]