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第1章 緒論
第1章 緒論
1．1 大型礦用電動輪自卸車的現(xiàn)狀及發(fā)展
自1963年由美國Unit-Rig公司G.E公司合作研制出世界上第一臺裝載質(zhì)量問77t礦用電動輪自卸車以來，經(jīng)過多年的不斷完善和大量新技術(shù)、新材料、新工藝的采用，重型礦用電動輪自卸車作為汽車中的新品種已發(fā)展成熟，已經(jīng)有108t、154t、170t、280t等多個系列。它是目前過內(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。國內(nèi)礦用電動輪自卸車在我國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。國外生產(chǎn)重型礦用自卸車的主要廠家有：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：車型全系列、部件專業(yè)化、有完整的配套體系。我國重型礦用電動輪自卸車的生產(chǎn)廠商主要有三家：湘潭電機(jī)廠、本溪重型汽車廠和常州冶金機(jī)械廠。湘潭電機(jī)廠生產(chǎn)的自卸車經(jīng)過不斷改進(jìn)和完善，吸收國外技術(shù)的基礎(chǔ)上已經(jīng)形成了幾個系列，遼寧本溪重型汽車廠由于多種原因現(xiàn)已停產(chǎn)，江蘇常州冶金機(jī)械廠主要與美國Unit-Rig公司合作生產(chǎn)Mark-36型154t礦用電動輪自卸車。
目前重型礦用電動輪自卸車驅(qū)動的傳動方式都是采用交-直流傳動，由柴油機(jī)帶動發(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后橋兩側(cè)的直流牽引電機(jī)，以驅(qū)動汽車行駛。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)均采用動力轉(zhuǎn)向，舉升系統(tǒng)才采用側(cè)置式雙缸三級雙作用油缸外置于車架兩側(cè)。電傳動系統(tǒng)是由發(fā)電機(jī)、牽引電機(jī)、和電控制三大部分組成，其主要滿足恒功控制的要求。驅(qū)動形式通常都采用4×2后軸驅(qū)動。
重型礦用電動輪自卸車的發(fā)展趨勢主要是三點(diǎn)：
1. 大型化。促使礦用電動輪自卸車朝大型化方向發(fā)展的動因主要有兩個：一是大型露天礦山開采的需要，二是大型機(jī)械傳動自卸車的發(fā)展。隨著大型礦山的發(fā)展和開采運(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，這促使許多制造廠家相繼研制開發(fā)出大噸位礦用電動輪自卸車一滿足礦山用戶的需要。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)、大功率車用柴油機(jī)的問世、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)展又為礦用電動輪自卸車的大型化鋪平了道路。因此，礦用電動輪自卸車的大型化已經(jīng)成為許多制造廠家為開拓市場吸引更多客戶而普遍采用的一種競爭策略。
2．計算機(jī)控制和大量新的電控元器件的使用。80年代中后期開始，計算機(jī)控制技術(shù)已經(jīng)逐步用于礦用電動輪自卸車的車速自動調(diào)節(jié)、柴油機(jī)燃油噴射及整車的故障分析診斷等領(lǐng)域。隨著計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)等的進(jìn)一步發(fā)展，計算機(jī)控制技術(shù)將在礦用電動輪自卸車的許多方面得到應(yīng)用，從而減輕駕駛員和礦山維護(hù)人員的勞動強(qiáng)度，提高電動輪自卸車的自動化程度和勞動生產(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世，重型礦用電動輪自卸車已開始采用交-交傳動。
3．整車性能和工作可靠性進(jìn)一步提高。目前國內(nèi)外許多廠家已將大量先進(jìn)的設(shè)計方法和成熟的分析軟件應(yīng)用在礦用電動輪自卸車的前后橋懸架系統(tǒng)、車架、后橋殼等關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)力分析中，以提高整車的工作可靠性、操縱穩(wěn)定性及整車使用壽命。
4．采用雙能源作動力。重型電動輪自卸車采用輔助架線供電和本身柴油發(fā)動機(jī)作為雙能源運(yùn)行也是一個值得關(guān)注的新趨向。雙能源礦用自卸車的出現(xiàn)既解決了礦用電動輪自卸車重載上坡時柴油發(fā)動機(jī)動力不足、車速慢等問題，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)。
但是電動輪自卸車有體積龐大、重量大、故障率高、維修次數(shù)多等缺點(diǎn)，因此，結(jié)合現(xiàn)代傳動技術(shù)的發(fā)展，探索一種礦用自卸車新的傳動方法是必要的。
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)代化傳動與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一，世界各國對液壓工業(yè)的發(fā)展都給予很大重視。世界液壓元件的總銷售額為350億美元。據(jù)統(tǒng)計，世界各主要國家液壓工業(yè)銷售額占機(jī)械工業(yè)產(chǎn)值的2%～3.5%，而我國只占1%左右，這充分說明我國液壓技術(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，可柔性傳送動力，易實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，并易與微電子、電氣技術(shù)相結(jié)合，形成自動控制系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，液壓技術(shù)廣泛用于國民經(jīng)濟(jì)各部門。但是近年來，液壓技術(shù)面臨與機(jī)械傳動和電氣傳動的競爭，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。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)品參與市場競爭取勝的關(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，以滿足日益變化的市場需求。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。市場上出現(xiàn)了一種新型的被稱為“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，它的徑向和軸向都會發(fā)生伸縮，軸向的伸縮量可達(dá)其總長的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)動時不會生抖動，在有些場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，它的體積僅是過去的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年代中期起就開始和微電子工業(yè)接觸，并相互結(jié)合。在迄今30多年時間內(nèi)，結(jié)合層次不斷提高，由簡單拼裝，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)或微型計算機(jī)處送來的信息，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始不久，但是從它的星星點(diǎn)點(diǎn)實(shí)踐成功的事例來看，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是它最常見的例子而已?，F(xiàn)在國外已在著手開發(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，用戶的主要技術(shù)工作將只是挑選，改編或自編計算程序了。
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、無泄漏以及污染控制、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)在國民經(jīng)濟(jì)中的作用實(shí)在很大，它常?？梢杂脕碜鳛楹饬恳粋€國家工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一。與世界上主要的工業(yè)國家相比，我國的液壓工業(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，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，為滿足國民經(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，它在各個工業(yè)部門中的應(yīng)用越來越廣泛。
1．3 大型礦用自卸車用靜液壓驅(qū)動的可行性與優(yōu)越性
與車輛的其它系統(tǒng)相比，行走驅(qū)動系統(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)方向及反向傳輸動力等方面具有良好的能力。于是，采用何種傳動方式，如何更好地滿足各種車輛行走驅(qū)動的需要，一直是車輛研究和使用所要面對的課題。尤其是近年來，隨著我國交通、能源等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)程的快速發(fā)展，礦山開發(fā)規(guī)模將不斷擴(kuò)大，大型礦用自卸車在市場需求大大增強(qiáng)的同時，更面臨著作業(yè)環(huán)境更為苛刻、工況條件更為復(fù)雜等所帶來的挑戰(zhàn)，也進(jìn)一步推動著對其行走驅(qū)動系統(tǒng)的深入研究。
靜液壓傳動技術(shù)在國內(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、市政工程機(jī)械等。它是伴隨著液壓傳動技術(shù)與元件制造技術(shù)的快速發(fā)展而成長起來的先進(jìn)傳動方式，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)簡單，輸出轉(zhuǎn)速無級調(diào)速，可正、反向運(yùn)轉(zhuǎn)，速度剛性大，動作實(shí)現(xiàn)容易等突出優(yōu)點(diǎn)，其在各種車輛的系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)異的微動性能，使駕駛員能夠更加準(zhǔn)確定位。
靜液壓傳動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元件（減速器或變速箱），成為一種無級變速的傳動裝置。靜液壓傳動與現(xiàn)在重型礦用自卸車上采用的交-直流傳動和交-交傳動相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1.實(shí)現(xiàn)無級變速更加方便，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)動機(jī)在任一調(diào)定轉(zhuǎn)速下工作，傳動系統(tǒng)都能發(fā)揮出較大的牽引力。在靜態(tài)啟動時對應(yīng)與大的阻力矩，能迅速建立起相應(yīng)大的工作壓力，從而獲得大的啟動力矩。通過液壓泵和液壓馬達(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，靜液壓傳動比交-直流傳動和交-交傳動有更高的可靠性。
車輛合理運(yùn)用靜液壓驅(qū)動裝置，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)上升到一個新的階段。借助電子技術(shù)與靜液壓傳動技術(shù)的結(jié)合，可以很方便地實(shí)現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的各種調(diào)節(jié)和控制。而計算機(jī)控制的引入和各類傳感元件的應(yīng)用，更極大地擴(kuò)展了液壓元件的工作范圍。通過傳感器監(jiān)測工程車輛各種狀態(tài)參數(shù)，經(jīng)過計算機(jī)運(yùn)算輸出控制目標(biāo)指令，使車輛在整個工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動化控制，機(jī)器的燃料經(jīng)濟(jì)性、動力性、作業(yè)生產(chǎn)率均達(dá)到最佳值。因此，采用靜液壓傳動可使車輛易于實(shí)現(xiàn)智能化、節(jié)能化和環(huán)?；@已成為當(dāng)前和未來重型車輛的發(fā)展趨勢。隨著靜液壓傳動技術(shù)的發(fā)展和所用元件的完善，在重型礦用自卸車上采用靜液壓傳動裝置很有可能成為一種新的發(fā)展和趨勢，有很廣泛的市場潛力。
1．4 本設(shè)計的任務(wù)和目標(biāo)
通過對湘潭電機(jī)廠生產(chǎn)的108t大型自卸車相關(guān)參數(shù)的分析，結(jié)合實(shí)際將其驅(qū)動型式改為靜液壓驅(qū)動，設(shè)計出較為合理的靜液壓驅(qū)動系統(tǒng)，并對液壓系統(tǒng)的牽引特性進(jìn)行分析、計算和對各個參數(shù)的校核，同時設(shè)計其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和舉升系統(tǒng)，對其原來的系統(tǒng)一定程度上進(jìn)行改進(jìn)。
所做的設(shè)計和改進(jìn)力求做到更好，但由于水平有限，肯定存在不少問題和漏洞，希望在以后的求知過程中能進(jìn)一步完善。
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