某专用设备转向液压系统的设计

赵重年1 李立顺2 王青峰3
1 陆军军事交通学院学员五大队研究生队 天津 300161
2 陆军军事交通学院国家应急交通运输装备工程技术研究中心 天津 300161 3 陆军军事交通学院 天津 300161

摘 要：根据某专用设备的作业任务、转向模式需求特点等，基于转向系统的转向原理，对转向液压系统进行了设计，分析了转向液压系统的结构组成及工作原理，并根据相关原则，结合实际进行了转向液压缸和电比例多路换向阀选型研究，该方法对类似设计研究具有参考价值。

关键词：专用设备; 转向系统; 液压系统; 设计

中图分类号：TH137.7 文献标识码：B 文章编号：1001-0785（2018）06-0115-03

某专用设备可在应急条件下在场地内完成对20 英尺和40 英尺集装箱的移位、短距离搬运、堆码等作业任务。由于作业场地有限，作业环境恶劣，该设备需要通过正常转向、原地转向、蟹行转向和平移转向等多种转向模式的转换来满足在狭小空间的作业需求。针对作业任务多样、转向模式需求多样的特点，设计了转向液压系统，以提高场地利用率和作业效率。

1 转向系统整体设计
转向系统作为专用设备重要组成部分，主要由转向
机构、液压执行元件、电控单元三部分组成，如图1 所示。转向液压回路与作业装置公用双联齿轮泵，串接在变量泵的尾部，同轴驱动，通过带复合动作的电比例多路换向阀控制进入转向液压缸的流量来控制转向轮偏转的角度和速度。每个车轮分别由各自转向液压缸推动转向机构实现转向，具有全轮独立转向能力。

转向原理：转向时，PLC 控制器根据传感器测得的方向盘偏转角度和转向轮实际转角等输入信号，由控制算法求解出输出控制电比例多路阀开度的脉宽调制（PWM）信号；电比例多路阀根据电流大小调整阀芯开度和位移方向，控制转向液压缸行程；转向机构在转向液压缸推拉下，带动转向轮偏转；转向轮角度传感器将偏转角度反馈给PLC 控制器，PLC 控制器根据输入信号
输出相应的PWM 信号，此过程持续循环，直至转向轮偏转到目标角度。转向时，各轮组转向轮和基准轮根据对方偏转角度和控制算法适时调整偏转的速度和角度，确保转向时各轮为纯滚动。

图1 转向控制系统示意图

2 转向液压系统的设计
转向液压系统部分的总体设计如图2 所示。其工作原理是：双联齿轮液压泵输入液压油，电比例阀在PLC输出的脉宽调制信号（PWM）的调控下通过调控阀芯的开度与开向调整控制输入到转向液压缸的油液流量，从而控制转向液压缸的行程与速度，最终将力传递给回转支撑带动转向轮偏转，实现预定转向。电比例阀开度大，则转向液压缸伸缩快，完成预定转向的时间就短；电比例阀开度小，则转向液压缸伸缩慢，完成预定转向的时间就长。

图2 转向液压系统工作原理图

根据整体方案，该专用设备同一车组的4 个转向液压缸由同一双联齿轮液压泵提供动力油源，液压泵选择力士乐公司A4V0125 型电控变量泵，工作压力30MPa，额定转速允许达到2 850 r/min，转向驱动采用双联齿轮泵，串接在变量泵的尾部，同轴驱动。双连齿轮泵选用天津塘沽伯姆克公司生产的197 系列产品，单泵排量24.2 mL/r，额定转速2 500 r/min，额定工作压力24 MPa。

3 主要液压元件的选型分析
3.1 转向液压缸选型
转向液压缸的选用和设计是在对所设计的液压系统进行工况分析、负载计算和确定了其工作压力的基础上进行的。在设计和选用时首先根据使用要求确定液压缸的类型，再按负载和运动要求确定转向液压缸的主要结构尺寸。根据机械设计手册，结合实际工况选择液压缸系统供油压力P = 20 MPa，转向时，转向液压缸的主要工作负载是转向偏转阻力，转向液压缸最大推力F = 60 000 N ，转向液压缸需要的最大行程L = 300 mm。F = 60 000 N，P = 20 MPa ，则缸径

因此, 选D = 63 mm ，则杆径

根据计算结果，考虑到安装的方便，避免占用的空间过大，查机械设计手册，选用转向液压缸的型号为HSGl-80t200。

已知流量Q = ，伸展行程液压缸承压面积

则伸展行程活塞运动速度

伸展行程液压缸压力随时间的变化曲线如图3 所示。

图3 伸展行程液压缸压力随时间变化图

压缩行程液压缸承压面积

活塞运动速度

压缩行程液压缸压力随时间的变化曲线如图4 所示。

图4 压缩行程液压缸压力随时间变化图

选用的转向液压缸能够满足转向机构的要求，在水泥、沥青路面，转向系统工作压力8 ～ 16 MPa，流量10 L/min，车轮偏转角度-45 ～ +45。偏转速度在偏转角度-25 ～ +25。范围为18 ～ 20。/s，符合转向要求。

3.2 电比例多路换向阀选型
用于电比例控制的多路阀充分考虑到工程机械的使用特点，具有先导控制、负载传感和压力补偿等功能，其选型主要考虑以下原则：

1）在选用比例多路换向阀时，要选用合适的流量和压力，如泵的允许最大流量和压力、阀输出的最大流量和压力等。

2）在选择泵侧阀块时，要先确定采用定量泵系统或变量泵系统，还是恒压系统，再进行选型，有三通负载敏感阀、限压阀、卸荷阀等选项。

3）在选择基本阀块时，要认真核对滑阀机能，确定选择的附加功能，有二通负载敏感阀、缓阀、补油阀、负载敏感限压阀等选项。

4）在选择驱动阀块时，可以选择不同的驱动方式。

5）在选择端板时，可以根据系统的要求选择油口堵住或相互导通，确定负载反馈压力进口和回油接口的个数和接口形式。

6）可以把不同通径的比例多路换向阀组合在一起，用过渡连接板进行连接。

昂马凯APV-22 电比例多路换向阀是一种带压力补偿的负载敏感比例换向多路阀，它整体采用统一的模块化设计，主要由进油联、工作联、出油联组成，用户可以根据功能要求对阀体进行不同的组合。因此，本系统选用昂马凯APV-22 带反馈电比例多路换向阀。

4 结论
根据某专用设备的作业任务、转向模式需求特点等，设计了其转向液压系统，并着重完成转向液压缸和电比例多路换向阀的选型分析研究。原理样机试验结果表明，该转向液压系统安全可靠，符合预期的设计要求。

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