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第1章 緒論
第1章 緒論
1．1 大型礦用電動(dòng)輪自卸車(chē)的現(xiàn)狀及發(fā)展
自1963年由美國(guó)Unit-Rig公司G.E公司合作研制出世界上第一臺(tái)裝載質(zhì)量問(wèn)77t礦用電動(dòng)輪自卸車(chē)以來(lái)，經(jīng)過(guò)多年的不斷完善和大量新技術(shù)、新材料、新工藝的采用，重型礦用電動(dòng)輪自卸車(chē)作為汽車(chē)中的新品種已發(fā)展成熟，已經(jīng)有108t、154t、170t、280t等多個(gè)系列。它是目前過(guò)內(nèi)外大型露天礦普通采用的高效運(yùn)輸設(shè)備，已占有大份額市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)礦用電動(dòng)輪自卸車(chē)在我國(guó)大型露天礦山的使用始于70年代中期，使用單位主要分布在煤炭、冶金等行業(yè)，其裝載質(zhì)量主要為108t和154t兩種。國(guó)外生產(chǎn)重型礦用自卸車(chē)的主要廠家有：小松礦用設(shè)備公司、尤克里德-日產(chǎn)公司、卡特彼勒、利勃海爾公司等，其共同特點(diǎn)是：車(chē)型全系列、部件專(zhuān)業(yè)化、有完整的配套體系。我國(guó)重型礦用電動(dòng)輪自卸車(chē)的生產(chǎn)廠商主要有三家：湘潭電機(jī)廠、本溪重型汽車(chē)廠和常州冶金機(jī)械廠。湘潭電機(jī)廠生產(chǎn)的自卸車(chē)經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)和完善，吸收國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上已經(jīng)形成了幾個(gè)系列，遼寧本溪重型汽車(chē)廠由于多種原因現(xiàn)已停產(chǎn)，江蘇常州冶金機(jī)械廠主要與美國(guó)Unit-Rig公司合作生產(chǎn)Mark-36型154t礦用電動(dòng)輪自卸車(chē)。
目前重型礦用電動(dòng)輪自卸車(chē)驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)方式都是采用交-直流傳動(dòng)，由柴油機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出三相中頻交流電，經(jīng)外部整流裝置整流變成直流電后輸往汽車(chē)后橋兩側(cè)的直流牽引電機(jī)，以驅(qū)動(dòng)汽車(chē)行駛。舉升和轉(zhuǎn)向采用液壓系統(tǒng)，有兩種形式：常流式和常壓式，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)均采用動(dòng)力轉(zhuǎn)向，舉升系統(tǒng)才采用側(cè)置式雙缸三級(jí)雙作用油缸外置于車(chē)架兩側(cè)。電傳動(dòng)系統(tǒng)是由發(fā)電機(jī)、牽引電機(jī)、和電控制三大部分組成，其主要滿(mǎn)足恒功控制的要求。驅(qū)動(dòng)形式通常都采用4×2后軸驅(qū)動(dòng)。
重型礦用電動(dòng)輪自卸車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)主要是三點(diǎn)：
1. 大型化。促使礦用電動(dòng)輪自卸車(chē)朝大型化方向發(fā)展的動(dòng)因主要有兩個(gè)：一是大型露天礦山開(kāi)采的需要，二是大型機(jī)械傳動(dòng)自卸車(chē)的發(fā)展。隨著大型礦山的發(fā)展和開(kāi)采運(yùn)輸量的增大，為了提高運(yùn)輸效率、降低成本，許多大型礦山都傾向于采用大噸位礦用自卸車(chē)，這促使許多制造廠家相繼研制開(kāi)發(fā)出大噸位礦用電動(dòng)輪自卸車(chē)一滿(mǎn)足礦山用戶(hù)的需要。高速發(fā)展的電子技術(shù)、控制技術(shù)和新型電子元器件的出現(xiàn)、大功率車(chē)用柴油機(jī)的問(wèn)世、高負(fù)荷大型輪胎材料的研制成功及相關(guān)技術(shù)的解決和發(fā)展又為礦用電動(dòng)輪自卸車(chē)的大型化鋪平了道路。因此，礦用電動(dòng)輪自卸車(chē)的大型化已經(jīng)成為許多制造廠家為開(kāi)拓市場(chǎng)吸引更多客戶(hù)而普遍采用的一種競(jìng)爭(zhēng)策略。
2．計(jì)算機(jī)控制和大量新的電控元器件的使用。80年代中后期開(kāi)始，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)已經(jīng)逐步用于礦用電動(dòng)輪自卸車(chē)的車(chē)速自動(dòng)調(diào)節(jié)、柴油機(jī)燃油噴射及整車(chē)的故障分析診斷等領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)等的進(jìn)一步發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)將在礦用電動(dòng)輪自卸車(chē)的許多方面得到應(yīng)用，從而減輕駕駛員和礦山維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高電動(dòng)輪自卸車(chē)的自動(dòng)化程度和勞動(dòng)生產(chǎn)率，使其性能和工作可靠性將得到進(jìn)一步的提高。隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和大功率逆變器的問(wèn)世，重型礦用電動(dòng)輪自卸車(chē)已開(kāi)始采用交-交傳動(dòng)。
3．整車(chē)性能和工作可靠性進(jìn)一步提高。目前國(guó)內(nèi)外許多廠家已將大量先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和成熟的分析軟件應(yīng)用在礦用電動(dòng)輪自卸車(chē)的前后橋懸架系統(tǒng)、車(chē)架、后橋殼等關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析中，以提高整車(chē)的工作可靠性、操縱穩(wěn)定性及整車(chē)使用壽命。
4．采用雙能源作動(dòng)力。重型電動(dòng)輪自卸車(chē)采用輔助架線(xiàn)供電和本身柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為雙能源運(yùn)行也是一個(gè)值得關(guān)注的新趨向。雙能源礦用自卸車(chē)的出現(xiàn)既解決了礦用電動(dòng)輪自卸車(chē)重載上坡時(shí)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足、車(chē)速慢等問(wèn)題，又節(jié)約了能源，降低了柴油機(jī)廢氣的排放，利于環(huán)境保護(hù)。
但是電動(dòng)輪自卸車(chē)有體積龐大、重量大、故障率高、維修次數(shù)多等缺點(diǎn)，因此，結(jié)合現(xiàn)代傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，探索一種礦用自卸車(chē)新的傳動(dòng)方法是必要的。
1．2 現(xiàn)代液壓技術(shù)的發(fā)展
液壓技術(shù)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化傳動(dòng)與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一，世界各國(guó)對(duì)液壓工業(yè)的發(fā)展都給予很大重視。世界液壓元件的總銷(xiāo)售額為350億美元。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界各主要國(guó)家液壓工業(yè)銷(xiāo)售額占機(jī)械工業(yè)產(chǎn)值的2%～3.5%，而我國(guó)只占1%左右，這充分說(shuō)明我國(guó)液壓技術(shù)使用率較低，努力擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域，將有廣闊的發(fā)展前景。液壓技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如:液壓技術(shù)具有功率重量比大，體積小，頻響高，壓力、流量可控性好，可柔性傳送動(dòng)力，易實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，并易與微電子、電氣技術(shù)相結(jié)合，形成自動(dòng)控制系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，液壓技術(shù)廣泛用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)。但是近年來(lái)，液壓技術(shù)面臨與機(jī)械傳動(dòng)和電氣傳動(dòng)的競(jìng)爭(zhēng)，如：數(shù)控機(jī)床、中小型塑機(jī)已采用電控伺服系統(tǒng)取代或部分取代液壓傳動(dòng)。其主要原因是液壓技術(shù)存在滲漏、維護(hù)性差等缺點(diǎn)。為此，努力發(fā)揮液壓技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，克服缺點(diǎn)，注意和電子技術(shù)相結(jié)合，不斷擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)降低能耗，提高效率，適應(yīng)環(huán)保需求，提高可靠性，這些都是液壓技術(shù)繼續(xù)努力的永恒目標(biāo)，也是液壓產(chǎn)品參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)取勝的關(guān)鍵。
為了和最新技術(shù)的發(fā)展保持同步，液壓技術(shù)必須不斷發(fā)展，不斷提高和改進(jìn)元件和系統(tǒng)的性能，以滿(mǎn)足日益變化的市場(chǎng)需求。這是液壓技術(shù)的創(chuàng)新特征，液壓技術(shù)的不斷發(fā)展體現(xiàn)在如下一些比較重要的特征上：
一、提高元件性能，創(chuàng)制新元件，體積不斷縮小。為了能在盡可能小的空間里傳遞盡可能大功率，液壓元件的結(jié)構(gòu)不斷地在向小型化發(fā)展。市場(chǎng)上出現(xiàn)了一種新型的被稱(chēng)為“肌腱”的執(zhí)行元件。它的形狀像一根兩端有接頭的軟管，把它接入系統(tǒng)使用時(shí)，它的徑向和軸向都會(huì)發(fā)生伸縮，軸向的伸縮量可達(dá)其總長(zhǎng)的15%--30%。在相同條件下，它的作用力是普通汽缸的10倍。這種元件抗污染，運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)生抖動(dòng)，在有些場(chǎng)合還可用它的徑向膨脹去夾持工件等，是一種極有應(yīng)用前景的元件，而微型元件也得到發(fā)展，如活塞直徑小到2.5mm的汽缸，10mm寬的氣閥以及相關(guān)的輔助元件已成為系列化產(chǎn)品。由于這些元件能在0.2---0.7Mpa壓力下工作，所以可被方便地集成到標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)中。新小型閥，在流量相同時(shí)，它的體積僅是過(guò)去的7%。這些小，微型的元件已被應(yīng)用于精密機(jī)械加工，電子工業(yè)，制藥工業(yè)，食品加工和包裝技術(shù)等場(chǎng)合。
二、高度的組合化，集成化和模塊化。液壓系統(tǒng)由管式配置經(jīng)板式配置，箱式配置，集成塊式配置發(fā)展到疊加式配置，插裝式配置，使連接的通道越來(lái)越短。也出現(xiàn)了一些組合集成件，如把液壓泵和壓力閥作成一體，把壓力閥插裝在液壓泵的殼體內(nèi)，把液壓缸和換向閥作成一體，只需接一條高壓管與液壓泵相連，一條回油管與油箱相連，就可以構(gòu)成一個(gè)液壓系統(tǒng)。這種組合件不但結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，而且簡(jiǎn)便，也容易維護(hù)保養(yǎng)。
三、與微電子結(jié)合，走向智能化。液壓技術(shù)從本世紀(jì)70年代中期起就開(kāi)始和微電子工業(yè)接觸，并相互結(jié)合。在迄今30多年時(shí)間內(nèi)，結(jié)合層次不斷提高，由簡(jiǎn)單拼裝，分散混合到總體組合，出現(xiàn)了多種形式的獨(dú)立產(chǎn)品如數(shù)字液壓泵，數(shù)字閥，數(shù)字液壓缸等，其中的高級(jí)形式已發(fā)展到把編了程的芯片和液壓控制元件，液壓執(zhí)行元件或能源裝置，檢測(cè)反饋裝置，數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置，集成電路等匯成一體，這種匯在一起的聯(lián)結(jié)體只要一收到微處理機(jī)或微型計(jì)算機(jī)處送來(lái)的信息，就能實(shí)現(xiàn)預(yù)先規(guī)定的任務(wù)。液壓技術(shù)的智能化階段雖然開(kāi)始不久，但是從它的星星點(diǎn)點(diǎn)實(shí)踐成功的事例來(lái)看，成果已非常誘人。液壓技術(shù)在與微電子技術(shù)緊密結(jié)合后，在微型計(jì)算機(jī)或微處理機(jī)的控制下，可以進(jìn)一步拓寬它的應(yīng)用領(lǐng)域，形形式式機(jī)器人和智能元件的使用不過(guò)是它最常見(jiàn)的例子而已?，F(xiàn)在國(guó)外已在著手開(kāi)發(fā)多種行業(yè)能通用的智能組合硬件，它們只需配上適當(dāng)?shù)能浖涂梢栽诓煌男袠I(yè)中完成不同任務(wù)。這樣一來(lái)，用戶(hù)的主要技術(shù)工作將只是挑選，改編或自編計(jì)算程序了。
綜上所述可以看到，液壓元件將向高性能、高質(zhì)量、高可靠性、系統(tǒng)成套方向發(fā)展；向低能耗、低噪聲、低振動(dòng)、無(wú)泄漏以及污染控制、應(yīng)用水基介質(zhì)等適應(yīng)環(huán)保要求方向發(fā)展；開(kāi)發(fā)高集成化高功率密度、智能化、機(jī)電一體化以及輕小型微型液壓元件；積極采用新工藝、新材料和電子、傳感等高新技術(shù)。液壓工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的作用實(shí)在很大，它常?？梢杂脕?lái)作為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一。與世界上主要的工業(yè)國(guó)家相比，我國(guó)的液壓工業(yè)還是比較落后的，標(biāo)準(zhǔn)化的工作有待于繼續(xù)做好，優(yōu)質(zhì)化的工作須形成聲勢(shì)，智能化的工作則剛剛在準(zhǔn)備起步，為此必須急起直追，才能迎頭趕上。
可以預(yù)見(jiàn)，為滿(mǎn)足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，液壓技術(shù)也將繼續(xù)獲得飛速的發(fā)展，它在各個(gè)工業(yè)部門(mén)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
1．3 大型礦用自卸車(chē)用靜液壓驅(qū)動(dòng)的可行性與優(yōu)越性
與車(chē)輛的其它系統(tǒng)相比，行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不僅需要傳輸更大的功率，要求器件具有更高的效率和更長(zhǎng)的壽命，還希望在變速調(diào)速、差速、改變輸出軸旋轉(zhuǎn)方向及反向傳輸動(dòng)力等方面具有良好的能力。于是，采用何種傳動(dòng)方式，如何更好地滿(mǎn)足各種車(chē)輛行走驅(qū)動(dòng)的需要，一直是車(chē)輛研究和使用所要面對(duì)的課題。尤其是近年來(lái)，隨著我國(guó)交通、能源等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)程的快速發(fā)展，礦山開(kāi)發(fā)規(guī)模將不斷擴(kuò)大，大型礦用自卸車(chē)在市場(chǎng)需求大大增強(qiáng)的同時(shí)，更面臨著作業(yè)環(huán)境更為苛刻、工況條件更為復(fù)雜等所帶來(lái)的挑戰(zhàn)，也進(jìn)一步推動(dòng)著對(duì)其行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的深入研究。
靜液壓傳動(dòng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用始于上世紀(jì)80年代，主要應(yīng)用于聯(lián)合收割機(jī)、叉車(chē)、市政工程機(jī)械等。它是伴隨著液壓傳動(dòng)技術(shù)與元件制造技術(shù)的快速發(fā)展而成長(zhǎng)起來(lái)的先進(jìn)傳動(dòng)方式，由于具有傳遞效率高，可進(jìn)行恒功率輸出控制，功率利用充分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出轉(zhuǎn)速無(wú)級(jí)調(diào)速，可正、反向運(yùn)轉(zhuǎn)，速度剛性大，動(dòng)作實(shí)現(xiàn)容易等突出優(yōu)點(diǎn)，其在各種車(chē)輛的系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)異的微動(dòng)性能，使駕駛員能夠更加準(zhǔn)確定位。
靜液壓傳動(dòng)裝置以液壓泵和液壓馬達(dá)為主組成，附加各種變量控制單元和傳動(dòng)元件（減速器或變速箱），成為一種無(wú)級(jí)變速的傳動(dòng)裝置。靜液壓傳動(dòng)與現(xiàn)在重型礦用自卸車(chē)上采用的交-直流傳動(dòng)和交-交傳動(dòng)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1.實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速更加方便，且調(diào)速平穩(wěn)、均勻、準(zhǔn)確、加速性能好，調(diào)速性能更可靠，換向方便。
2.發(fā)動(dòng)機(jī)在任一調(diào)定轉(zhuǎn)速下工作，傳動(dòng)系統(tǒng)都能發(fā)揮出較大的牽引力。在靜態(tài)啟動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)與大的阻力矩，能迅速建立起相應(yīng)大的工作壓力，從而獲得大的啟動(dòng)力矩。通過(guò)液壓泵和液壓馬達(dá)的變排量可以保證很好的低速運(yùn)行工況。
3.傳動(dòng)系統(tǒng)能在很寬的輸出轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持較高的效率。
4.行走功率和作業(yè)裝置功率可以合理匹配，使發(fā)動(dòng)機(jī)功率充分利用。
5.液壓泵和液壓馬達(dá)的位置布置比較靈活。
6.能夠較大地減輕礦用自卸車(chē)的自重，提高礦山運(yùn)輸能力和運(yùn)輸效率。
7.液壓泵和液壓馬達(dá)都容易采用電比例變量控制，微機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使二者很好的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能化控制。
8.在礦山開(kāi)發(fā)和運(yùn)輸作業(yè)環(huán)境苛刻、工況條件復(fù)雜的情況下，靜液壓傳動(dòng)比交-直流傳動(dòng)和交-交傳動(dòng)有更高的可靠性。
車(chē)輛合理運(yùn)用靜液壓驅(qū)動(dòng)裝置，能改善機(jī)構(gòu)性能，提高生產(chǎn)效率，節(jié)省能量消耗，使機(jī)器的品質(zhì)上升到一個(gè)新的階段。借助電子技術(shù)與靜液壓傳動(dòng)技術(shù)的結(jié)合，可以很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)的各種調(diào)節(jié)和控制。而計(jì)算機(jī)控制的引入和各類(lèi)傳感元件的應(yīng)用，更極大地?cái)U(kuò)展了液壓元件的工作范圍。通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)工程車(chē)輛各種狀態(tài)參數(shù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算輸出控制目標(biāo)指令，使車(chē)輛在整個(gè)工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，機(jī)器的燃料經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、作業(yè)生產(chǎn)率均達(dá)到最佳值。因此，采用靜液壓傳動(dòng)可使車(chē)輛易于實(shí)現(xiàn)智能化、節(jié)能化和環(huán)保化，而這已成為當(dāng)前和未來(lái)重型車(chē)輛的發(fā)展趨勢(shì)。隨著靜液壓傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展和所用元件的完善，在重型礦用自卸車(chē)上采用靜液壓傳動(dòng)裝置很有可能成為一種新的發(fā)展和趨勢(shì)，有很廣泛的市場(chǎng)潛力。
1．4 本設(shè)計(jì)的任務(wù)和目標(biāo)
通過(guò)對(duì)湘潭電機(jī)廠生產(chǎn)的108t大型自卸車(chē)相關(guān)參數(shù)的分析，結(jié)合實(shí)際將其驅(qū)動(dòng)型式改為靜液壓驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)出較為合理的靜液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并對(duì)液壓系統(tǒng)的牽引特性進(jìn)行分析、計(jì)算和對(duì)各個(gè)參數(shù)的校核，同時(shí)設(shè)計(jì)其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和舉升系統(tǒng)，對(duì)其原來(lái)的系統(tǒng)一定程度上進(jìn)行改進(jìn)。
所做的設(shè)計(jì)和改進(jìn)力求做到更好，但由于水平有限，肯定存在不少問(wèn)題和漏洞，希望在以后的求知過(guò)程中能進(jìn)一步完善。
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