轮履复合式底盘液压系统的设计与计算

司癸卯，刘 乐，赵 明，宋星亮，师 毓，汪程浩

(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 710064)

0 引 言

中国地域辽阔，边远地区国防工程建设及山区公路建设、抢险任务繁重，但是由于山区公路相对狭窄，路况不好，致使施工机械转场比较困难，因此研制出高机动性、高通过性的底盘显得尤为迫切。轮履复合式底盘可根据实际作业状况转换不同的行走方式，应对各种复杂环境[1]。国外轮履复合底盘的研究较早，19世纪20年代，雪铁龙公司发明了P17型半履带车。在国内，2012年由八达重工研制的30 t级双臂手救援机器人试制成功[2]，其底盘可以在轮式和履带式之间自由切换，大大提高了适应环境的能力。液压系统作为轮履复合式底盘的重要组成部分，直接关系着轮履复合式底盘工程车辆的作业性能。目前国内的轮履复合式底盘还是直接引进国外技术，价格昂贵，使用和维护成本较高，甚至远远超过整车的成本预算。因此，开发出符合中国国防建设需求的先进轮履复合式底盘非常重要。

本文中的轮履复合式底盘是在履带挖掘机的基础上改装而成，其液压系统是在原有挖掘机液压系统的基础上进行改进扩充的，使轮履复合式底盘液压系统集合了轮式和履带式2套相对独立的液压系统的优点，其中轮式行走机构采用的是车轮独立驱动的方式，最高设计速度为40 km·h-1[3]，坡度角为16.7°，轮胎的驱动半径为0.5 m。

1 系统设计

1.1 轮履复合式底盘液压系统原理

轮履复合式底盘配置有履带式行走机构、轮式行走机构、回转机构和轮履切换摆动机构，4个部分的液压系统组成了轮履复合式底盘的液压系统。工作泵负责给履带式行走机构、轮式行走机构、回转机构和轮履切换摆动机构供油。上述装置的动作存在顺序动作和复合动作，故通过顺序单动油路[4]和并联多路阀连接。本系统采用负流量控制系统[5]，使得从主控制阀中位回到油箱而浪费的流量得到有效控制，并将其限制在尽可能小的范围内，从而大大降低液压系统的能耗。复合式底盘液压系统如图1所示。

图1 轮履式复合底盘液压系统

在泵的进油口和油液的回油口都装有滤油器，保证了进入液压系统的油液清洁，利于液压系统的正常工作。在泵的出口处设置安全阀，保证液压系统在设定的压力范围内安全工作[6]。

1.2 轮式行走机构的液压回路设计

图2 轮式行走机构的液压系统原理

由于轮式行走机构采用的是车轮独立驱动的方式，在轮式行走机构的液压系统回路中有4个行走液压缸，1个工作泵带动2个液压马达，且这2个液压马达并联，如图2所示。液压马达1和2并联，分别为前轮的左右马达，液压马达3和4并联，分别为后轮的左右马达。轮式行走机构的液压系统包括制动回路、转向回路和直行回路。其中制动回路包括制动液压缸和制动换向阀，当主阀未切换至轮式行走时，由于制动液压缸中的弹簧力，使液压马达1锁死，当切换至轮式行走时，液压油经节流阀1流至制动换向阀，当换向阀切换在右位时，液压油通过先导油路使制动换向阀处于左位，制动解锁。轮式行走机构的直行主要依靠分流集流阀的作用，分流集流阀又称同步阀，内部设有压力反馈装置，它可以保证无论外部负载怎样变化，工作泵供油的2台行走马达都同步运行。该系统采用的是差速转向，对于同一驱动桥的轮胎，可以粗略地认为，一侧速度减少，而另外一侧速度增加[7]。分流集流阀分向两侧的流量相同，基本上不因负载差异而产生变化，两回路增加的流量阀会起到差速的作用，即通过控制流量阀的开口来改变流向液压马达的流量，符合差速时的流量需求，同样可以满足工程机械车辆不同的转动半径和转动要求。节流阀2和3的作用是消除前后轮之间在速度上的微小差异[8]。

1.3 轮履切换摆动机构液压回路设计

在轮履复合式底盘中，轮履切换摆动机构是轮式行走和履带式行走的切换机构，当摆动缸伸出时，切换成轮式行走，当摆动缸收缩时，切换成履带式行走。轮履切换摆动机构的液压系统如图3所示。

图3 轮履切换摆动机构的液压系统原理

轮履复合式底盘的切换装置安装了4个摆动液压缸，前后车各2个，且两两并联。在摆动液压缸下面安装有双向液压锁，当摆动油缸停止运动时，双向液压锁发挥作用，阻断提升缸的油路，油压液基本上不会产生流失[9-10]，因此双向液压锁会紧紧地锁死摆动液压缸，让其稳定停留在某一处，当行走机构切换至履带式行走时，不会由于轮履切换摆动机构的自重产生自动下摆的问题。在双向液压锁下面还装有平衡阀，这样增加了摆动液压缸的平稳性。当油缸下摆时，油路经过单向阀，而不经过顺序阀，这样减少了功率损失；当摆动液压缸提升时，油路则经过顺序阀，而不经过单向阀，这样保证了摆动液压缸下游存在一定的背压，有利于摆动液压缸缓和提升，大大减少了由于液压缸的提升而造成的履带与地面接触的冲击。

2 履带式行走机构参数计算及选型

本设计底盘质量为4 t，承载能力为16 t，整机质量为20 t。最高行驶速度为3 km·h-1，最大爬坡角度为25°，轮边减速器减速比为7.5。由于空气阻力和惯性阻力很难精确计算，由经验可知履带式工程车辆的行走牵引力TL与整机的质量G取下列比例。

TL=(0.7～0.85)G

(1)

则系数取0.7时TL=0.7×20×103×9.8=137.2 kN。

经验算可知，本设计中履带式行走机构的爬坡能力和原地转弯能力均符合设计要求。履带式行走机构液压马达所受外负载力矩Mm·max为3 547.2 N·m。

2.1 液压马达计算选型

液压马达的排量

(2)

式中：Δp为进出口油压力的差值；ηm为液压马达机械效率，取0.95。

液压马达在最大行走速度下所需的流量

(3)

式中：nmm为排量达到最大时马达的转速(r·min-1)；ηmv为液压马达的容积效率，取0.95。

液压马达在最大行走速度下的功率

(4)

式中：T为扭矩；n11为转速。

根据液压马达的设计排量、最高设计转速和扭矩的要求，查阅相关的液压马达样本，选择泰勒姆斯TILORMS YLM11-1000马达，其最高转速为320 r·min-1，单位扭矩为158 N·m·MPa-1，排量为981 mL·r-1，满足车辆所需。

2.2 液压泵的参数计算及选型

整个轮履式复合底盘中，各个机构为单独动作，系统所需最大流量即为单个执行机构所需的最大流量。其中，轮式行走机构只用于行走，在行走时不用于作业；而履带式行走时，有作业要求，则以履带式行走时所需最大流量为主工作泵的最大流量进行计算。履带式行走机构单马达所需流量ΔQm为186.1 L·min-1，则液压泵的流量

Qb=K∑ΔQm=1.15×186.1≈220 L·min-1

(5)

式中：K为系统的泄露系数，取1.15。

因此，变量泵的排量

(6)

式中：nb为液压泵的额定转速(本设计选用力士乐A8VSO系列双联变量柱塞泵，最高转速为2 150 r·min-1)；ηpv为液压泵的容积效率，取0.95。

根据液压泵的设计排量、流量和压力的要求，查阅相关的液压泵样本资料，选择力士乐REXROTH AV8SO107液压泵，其最高转速为2 150 r·min-1，排量为2×107mL·r-1，满足车辆所需。

3 轮式行走机构的参数计算及选型

轮履复合式底盘的轮式行走机构主要是省去了工程车辆必须使用转场运输车这一环节，将轮式行走设置2个档位，即越野档和公路档，设计的最高速度为40 km·h-1，坡度角为16.7°，轮胎驱动半径为0.5 m。

由于复合底盘是在原有履带式挖掘机的底盘上改装的，原挖掘机质量约为20 t，改装后可初步估计该工程车辆质量仍然为20 t，经计算轮式行走的牵引力为70 kN。由于轮式行走主要用于辅助转场，因此工作泵仍然使用原有的REXROTH A8VSO107液压泵，其中A8VSO107液压泵的最高转速为2 150 r·min-1，排量为2×107mL·min-1。由于液压泵的流量应稍大于液压马达的流量，轮式行走为四轮独立驱动，则设行走液压马达流量Q为100 L·min-1，转速n2为1 500 r·min-1。

液压马达排量

(7)

液压马达的最大输出扭矩

M2max=0.159ΔPV2ηm

(8)

式中：ΔP为进出油口压力的差值；ηm为液压马达机械效率，取0.95。

经计算M2max≈207.7 N·m。

液压马达的启动扭矩

MQ=0.159ΔPV2ηm≈196.9 N·m

(9)

根据液压马达的设计排量、最高设计转速和扭矩的要求，查阅相关的液压马达样本，选择博克莱XQM1-63马达。XQM1-63马达的最高转速nmax为1 500 r·min-1，额定扭矩为225 N·m，满足工程车辆所需。

当轮式行走机构处于越野挡位时，总传动比

(10)

此时其行走速度

(11)

当轮式行走机构处于公路挡位时，其传动比

(12)

式中：vmax为最大行驶速度。

根据以上计算的减速比及扭矩的要求，选用力士乐型号为RRWD 200B的减速机。RRWD 200B减速机减速比为6.09，额定扭矩为320 N·m，满足工程车辆所需。

校核轮式机构行走速度

v=ωr2d=2πnr2d

(13)

经计算，行走速度v=46.4 km·h-1，大于40 km·h-1，则所选液压马达满足最高行走速度的要求。

4 轮履切换装置摆动缸参数计算及选型

轮履切换机构的主要作用是实现轮式行走和履带式行走之间的相互切换，摆动缸在其中起着关键的作用。

本设计取受力最大时的角度为18°，则摆动缸的最大受力

Fmax=G/msinβ=158.57 kN

(14)

式中：m为液压缸数量，本设计数量为4；β为摆动角。

摆动缸工作压力P1为16 MPa，背压为1.0 MPa。则液压缸内径

(15)

式中：P1为作用在活塞上的有效压力(Pa)；ηm为液压缸机械效率，取0.95。

计算得D=125 mm。

缸筒壁厚

(16)

式中：Pmax为最大工作压力，当液压缸额定压力P≤16 MPa时，Pmax=1.5P。

缸筒外径D1=D+2δ=125+2×12.5=150 mm。

5 结 语

轮履复合式底盘将轮式和履带式2套相对独立的系统集合在同一个底盘机构中，通过轮履切换摆动机构进行切换，作业时车轮收起，使用履带式底盘，转场时，履带悬空，进行轮式行走，集合了轮式和履带式底盘的优点，从而在不影响作业效率的基础上解决目前履带式工程机械转场困难、效率过低的问题，可将其应用在军用国防工程建设和地震泥石流等地质灾害的抢险救援中。

本文只是对轮履复合式底盘的液压系统进行了初步的探究，其中还存在许多不足之处，需要进一步进行液压系统的建模与仿真；同时对各类阀、过滤器、油液、马达和泵的参数进行详细设定；设计一套轮履复合式底盘的自适应控制系统并对液压阀的控制制定良好的控制策略。