1、1第十讲 摊铺机液压系统设计设计摊铺机液压系统就是根据摊铺机的工作要求，合理地选择和设计液压元件，并将它们有机地组合在一起，使之完成一定的工作循环。摊铺机是边行走边作业的路面施工机械。在摊铺作业中，行走、刮板输料、螺旋输料、振捣、振动、辅助等等系统的职能不但内容多而且还一起动作，因而马达、油缸等执行元件不但数量多而且还相互关联。所以，摊铺机液压系统属于多泵多回路复合液压传动系统。按执行的功能分，摊铺机液压系统包括行走液压系统、刮板输料液压系统、螺旋输料液压系统、振捣液压系统、振动液压系统及辅助液压系统。各部分液压系统既能独立地传递动力、完成各自的动作，又能通过控制系统相互关联、协调，达到对执行
2、元件运动参数的准确控制。多泵多回路复合液压传动系统，实施的方法多是在发动机之后采用分动箱进行动力（功率）分流，小型摊铺机可以在发动机上直接安装通轴多联泵进行动力（功率）分流。1 设计步骤1.1 明确摊铺机总体及各系统的设计要求进行摊铺机液压系统设计，首先应明确摊铺机总体及各系统（总成）的设计要求。具体讲就是将总体方案设计和总成方案设计时所确定的摊铺机的整机性能、技术参数、职能匹配及控制方法中的有关部分作为液压系统设计的目的或指标，从而使摊铺机能准确地完成职能动作和精确地控制运动参数。（1）摊铺机整机的设计要求主要包括：发动机。生产率。操纵方法。可靠性。智能化。控制方法。（2）行走系统的设计要求
3、主要包括：摊铺作业时使用低速档，最大速度不超过 16m/min 为宜；空机行驶时使用高速档，履带式摊铺机最大速度选择3km/h 左右为宜，轮胎式摊铺机最大速度不超过 20km/h 为宜。摊铺速度恒速控制的方法，是控制马达转速还是控制发动机转速，或是不进行控制。左右履带（轮胎）差速、差力的方式，轮胎式摊铺机前后桥差速、差力的方式。调速方式，是电控变量还是手动变量。（3）刮板输料系统的设计要求主要包括：刮板输料系统的生产率，其值等于摊铺机整机的生产率。刮板链的数量，是单排刮板链还是双排刮板链，或是不设置刮板链。输料量的控制方法，是开关控制还是比例控制。刮板链的速度，开关控制不超过 20m/min
4、为宜，比例控制不超过 28m/min 为宜。（4）螺旋输料系统的设计要求主要包括：螺旋输料系统的生产率（略小于刮板输料系统的生产率） 。双螺旋。输料量的控制方法，是开关控制还是比例控制。螺旋的转速，摊铺宽度 712m 的摊铺机在 80130r/min 为宜。（5）振捣系统的设计要求主要包括：熨平装置的形式，是机械加宽熨平装置还是液压伸缩熨平装置。振捣频率，不超过 25Hz（1500r/min）为宜。调速方式，是电控变量还是手动变量。（6）振动系统的设计要求主要包括：熨平装置的形式，是机械加宽熨平装置还是液压伸缩熨平装置。振动频率，在 5565Hz 范围内为宜。调速方式，是电控变量还是手动变量。
5、（7）辅助系统的设计要求主要包括：转向方式，是差速转向还是偏转前轮转向。熨平装置的功能（状态） ，有浮动、提升、下降、锁住、增压、减压、延时、防爬升、防下沉、防压痕等等，设计时选择，但至少要有前四种功能。液压系统防污染措施。液压油冷却方法。2明确了这些设计要求，就能正确地确定各系统的传动方案（传动路线）和液压系统的型式，为液压系统设计打下基础。1.2 确定各系统的传动方案传动方案是从传动系统的动力源到传动系统的执行元件之间动力传递的路线。它是机械传动路线和液压传动路线有理有序的链接。确定传动方案是摊铺机总体方案设计和总成方案设计的重要内容，是液压系统设计的基础。下面介绍几个摊铺机典型的传动方案
6、：（1）轮胎式摊铺机行走系统传动方案发动机 联轴器 分动箱 变量泵 变量马达 换档变速箱 左链传动或左万向节传动 左轮胎右链传动或右万向节传动 右轮胎（2）履带式摊铺机行走系统传动方案发动机 联轴器 分动箱 左变量泵 左双速马达 左减速器或左链传动 左履带右变量泵 右双速马达 右减速器或右链传动 右履带（3）螺旋系统传动方案发动机 联轴器 分动箱 左 变 量 泵 或 左 定 量 泵 左 变 量 马 达 或 左 定 量 马 达 左 减 速 器 左 链 传 动 左 螺旋右 变 量 泵 或 右 定 量 泵 右 变 量 马 达 或 右 定 量 马 达 右 减 速 器 右 链 传 动 右 螺旋（4）机械
7、加宽熨平装置摊铺机振捣系统传动方案发动机 联轴器 分动箱 变量泵或定量泵 定量马达 带传动或链传动 万向节 振捣器传动方案确定的过程，同时也是液压系统型式确定的过程。两者确定后，就能进行液压执行元件（马达和油缸）的载荷及速度的计算。1.3 确定液压系统的型式液压系统由液压基本回路组成。基本回路由液压元件组成。压力控制回路用来控制系统的工作压力，以满足执行元件对力或力矩的要求，防止系统过载及减少能量损耗。摊铺机常用的压力控制回路有溢流阀调压回路、溢流阀保压回路、溢流阀卸荷回路、换向阀卸荷回路、蓄能器缓冲补油回路。速度控制回路用来控制执行元件的速度，控制方式有阀控制和泵（或马达）控制。摊铺机常用的
8、速度控制回路有变量泵调速回路、变量马达调速回路、双速马达调速回路、调速阀调速回路、机械同步回路、分流阀同步回路、单稳阀限速回路。方向控制回路用来对油路进行接通、切断或改变方向，控制方式有阀控制、泵控制和执行元件控制。摊铺机常用的方向控制回路有换向阀换向回路、双向变量泵换向回路、液压锁锁紧回路、换向阀浮动回路。液压系统的型式按油液循环方式的不同，可分为开式系统和闭式系统。开式系统的优点是：结构简单；散热好；背压消耗功率少；油液过滤条件好；维修方便；对油液过滤精度要求一般不严格。缺点是：不易无级调速；油液中易进入空气；换向冲击大；元件分散；不易实现机电液一体化；元件使用转速低；不易连续控制。闭式系
9、统的优点是：元件集成化；无级调速；操纵方便；油液中不易进入空气；元件使用转速高；3易实现机电液一体化；易连续控制。缺点是：结构复杂；散热差；背压消耗功率大；过滤条件差；维修复杂；对油液过滤精度要求高。摊铺机的液压系统比较复杂，设计时应根据设计要求选择合适的系统。一般大型摊铺机以闭式系统为主，开式系统为辅；小型摊铺机以开式系统为主，闭式系统为辅。下面介绍几个摊铺机典型的液压系统：（1）行走液压系统。对于履带式摊铺机，行走液压系统采用双泵双回路(左变量泵左双速马达、右变量泵右双速马达) 闭式液压系统。对于轮胎式摊铺机，行走液压系统采用单泵单回路(单变量泵单变量马达) 闭式液压系统或单泵双回路(单变
10、量泵双变量马达) 闭式液压系统均可。小型或后桥驱动的轮胎式摊铺机通常选用前者，大中型或前后桥驱动的轮胎式摊铺机选用后者为宜。（2）刮板输料液压系统。采用单泵单回路(单定量泵单定量马达) 开式液压系统或单泵单回路(单变量泵单定量马达) 闭式液压系统均可。小型摊铺机通常选用前者，大型摊铺机通常选用后者。（3）振动液压系统。对于机械加宽熨平装置摊铺机，采用单泵单回路(单定量泵单定量马达) 开式液压系统或单泵单回路(单变量泵单定量马达) 闭式液压系统均可。小型摊铺机通常选用前者，大型摊铺机通常选用后者。对于液压伸缩熨平装置摊铺机，采用单泵双回路(单定量泵双串连定量马达) 开式液压系统。1.4 确定液压
11、执行元件的载荷及速度液压执行元件指的是马达和油缸，它们是将液体压力能转换成机械能的元件。摊铺机上的油缸基本上都是直接承受载荷的，载荷（推拉力）大小及速度（包括行程）的计算比较简单。而马达则是通过机械传动（如齿轮传动、链传动、带传动等）承受载荷的。因此，需要根据设计要求和传动方案，经过计算才能明确马达的载荷及速度。马达的载荷既是马达的阻力矩（或驱动力矩） ，计算公式在各个系统设计中已经介绍过，不再赘述。马达的速度既是马达的设计转速。马达阻力矩（或驱动力矩）及设计转速是选择马达的重要依据。油缸推拉力及速度（包括行程）是选择油缸的重要依据。1.5 确定液压元件液压系统由液压元件有机的组合而构成。液压
12、元件包括动力元件（油泵） 、执行元件（马达、油缸） 、控制元件（各类压力、方向、流量控制阀） 、辅助元件（管道、油箱、滤油器、冷却器、蓄能器、压力表等）四大部分。液压元件选定的是否合理得当，直接影响着液压系统的完善程度和可靠性。液压元件的确定，考虑的因素很多，要考虑油泵和马达的特性（如压力、转速、效率、排量、控制等） 、油泵和马达的匹配、发动机和油泵的匹配、传动方案中机械传动元件和液压元件的匹配、系统之间的相互关联、系统传动效率、系统热平衡、系统防污染、总体布置、操纵方法、成本、维修、标准化等等。所以，液压元件的确定，必须综合考虑，反复验算。下面重点介绍如何确定马达和油泵。（1）确定马达马达的
13、确定分四步进行：第一步，确定马达的类型。马达的类型是在摊铺机总体方案设计和总成方案设计时确定的，主要考虑的因素是变量方式、控制方式、压力等级、转速范围、系统型式（闭式或开式）等。摊铺机的行走马达通常选用斜轴式（或斜盘4式）轴向柱塞变量马达，刮板马达通常选用摆线马达，螺旋马达通常选用斜轴式轴向柱塞定量马达或径向柱塞大扭矩定量马达，振捣和振动马达通常选用斜轴式轴向柱塞定量马达或齿轮马达。第二步，计算马达的设计转速。按照设计要求中对传动系统的执行元件所确定的速度(如摊铺速度、行走速度、刮板速度、螺旋转速、振捣频率、振动频率等) 和传动方案中初定的机械传动元件(如减 速 器 、 链传动、带传动等)的速
14、比计算马达的设计转速。为了提高可靠性和延长使用寿命，马达的设计转速应当不大于其额定转速的 85。第三步，计算马达的工作压力。液压系统的压力由载荷产生。马达的阻力矩（或驱动力矩）计算出来以后，按照传动方案中确定的马达类型初定马达的排量，然后计算马达的压力差 P。马达压力差 P 用下式表示：P= （MPa） （81）imZqM2式中，M Z一个马达承受的载荷，即阻力矩（或驱动力矩） ，N m；q 马达的排量，ml/r； m马达的机械效率；i 从 马 达 到 传动系统的执行元件 之 间 各 种 传 动 元 件 （ 如 减 速 器 、 链 传动 、 带 传 动 等 ） 的 总 速 比 ； i从马达到传
15、动系统的执行元件之间各种传动元件（如减 速 器 、 链传动、带传动、万向节、支撑等）的总效率。由公式（81）可知，马达压力差与其排量成反比。马达压力差加上背压就是马达的工作压力，或称系统压力。在计算马达压力差时，马达的阻力矩（或驱动力矩）是由摊铺机在标准工况下作业时的连续载荷（平均载荷）产生的。因此，马达的工作压力也就是连续工作压力（平均工作压力） 。为了提高可靠性和延长使用寿命，马达的工作压力应当不大于其额定压力（或公称压力）的75（履带式摊铺机行走系统应是 45） ，但也不能偏小。如果马达的工作压力偏高，必须重新选择大排量的马达，或者调大减 速 器 、 链传动、带传动的速比，进行调整设计。
16、如果减 速 器 、 链传动或带传动的速比被改变，还必须重新计算马达的设计转速。重新计算后的马达设计转速同样不得大于其额定转速的85。第四步，确定马达在高效率区工作。马达的工作压力和设计转速确定以后，查寻马达的特性曲线图，看看马达是否在高效率（总效率和容积效率）区工作。还应查寻一下，一旦马达的工作压力和实际转速发生波动变化时，是否会偏离高效率区。如果马达的工作状况偏离了高效率区，应当调整设计。但是，马达的最终确定，还要待考虑与油泵的匹配关系以后与油泵的确定一起完成。（2）确定油泵油泵的确定分四步进行：第一步，确定油泵的类型。油泵的类型也是在摊铺机总体方案设计和总成5方案设计时确定的，主要考虑的因
17、素是变量方式、控制方式、压力等级、转速范围、系统型式（闭式或开式）等。摊铺机的行走油泵通常选用斜轴式（或斜盘式）轴向柱塞变量泵，刮板、螺旋、振捣和振动油泵通常选用斜轴式（或斜盘式）轴向柱塞变量泵或齿轮泵，辅助油泵通常选用齿轮泵。第二步，计算油泵的转速。按照总体方案设计中确定的发动机转速及初定的分动箱速比，计算油泵的转速。为了提高可靠性和延长使用寿命，油泵的转速应当不大于其额定转速的 85。第三步，计算马达的输出转速。按照传动方案中确定的油泵类型初定油泵的排量（马达的排量已经确定） ，计算马达的输出转速。马达的输出转速应等于其设计转速，误差应控制在 2以内。如果超差，必须重新选择油泵的排量，或者
18、调整分动箱的速比，进行调整设计。重新计算后的马达输出转速同样不得大于其额定转速的 85。第四步，确定油泵在高效率区工作。油泵的转速和系统压力（马达工作压力）确定以后，查寻油泵的特性曲线图，看看油泵是否在高效率（总效率和容积效率）区工作。如果油泵的工作状况偏离了高效率区，应当调整设计。调整油泵的设计，有可能影响到马达的工作压力。因此，油泵和马达的性能应当匹配，油泵和马达的最终确定是经过反复验算后一起完成的。1.6 绘制液压系统图在确定了液压系统方案并对动力元件、执行元件、控制元件和辅助元件进行了计算选定之后，就可以绘制液压系统图。液压系统图包括液压原理图、液压配管图和液压装配图。液压原理图中各元
19、件应按系统不工作时的状况画出。为了保证实现工作循环，在基本回路组合时要防止相互干扰，要注意并联油路中执行元件因载荷的干扰造成动作不同步及超速运动，要考虑串联油路中执行元件的背压叠加及动作紊乱。绘制液压原理图，还要注意液压系统与机械传动、电气传动的配合。液压原理图中还应包括所有液压元件的型号、性能，泵的流量、压力、转速，执行元件的转速、速度、压力、行程，操纵及控制说明。图 8 是省略部分内容的一台摊铺宽度 6m 轮胎式液压伸缩摊铺机的液压原理图。该机行走选用斜盘式轴向柱塞变量泵和斜轴式轴向柱塞变量马达，左右刮板、左右螺旋、振捣与辅助分别选用双联齿轮泵，刮板马达是摆线马达，螺旋马达是径向柱塞大扭矩
20、定量马达，振捣马达是齿轮马达。行走液压系统是闭式系统，由电控变量泵和电控变量马达组成。变量泵的排量可无级控制，变量马达的排量为高低两档。因而，行驶速度分低速（摊铺）和高速（行走）两个档位，在每个档位里均能无级调速。左右刮板、左右螺旋及振捣液压系统均为各自独立的开式系统，由齿轮泵、定量马达和电磁溢流阀组成。控制电磁溢流阀即可对刮板、螺旋及振捣进行开关控制。振捣液压回路的四个马达先并联后串连，属机械同步回路，使左右熨平装置的振捣频率保持一致。辅助液压系统为单泵多回路开式液压系统，由齿轮泵、优先阀、转向器、液压缸、溢流阀、三路流量阀、电磁换向阀组、液控单向阀和电控单向阀组成。齿轮泵排出的油液经优先阀
21、及五个串接的三路流量阀可定量的供给转向油缸，左右大臂油缸，熨平装置提升油缸和左右熨平装置伸缩油缸，使其速度保持恒定。操纵电磁换向阀可实现大臂升降及左右熨平板伸缩。操纵电磁换向阀组可实现熨平装置的浮动、减压、锁定三种摊铺作业状态及提升、下降、锁定三种调整状态。经三路流量阀后剩余的油液，再由电磁换向阀供给料斗油缸。操纵电磁换向阀可实现6料斗开合。所有七个油泵共用一个吸油粗滤器，粗滤器安装在油箱内。行走变量泵上集成着辅助泵压力油精滤器。其余六个齿轮泵各自独立设置压力油精滤器。行走变量泵、行走变量马达和螺旋大扭矩马达的壳体泄漏油经冷却器回油箱。其余回油经集油管自然散热回油箱。四个振捣马达的壳体泄漏油直
22、接回油箱。图 9 是省略部分内容的一台摊铺宽度 13m 履带式机械加宽摊铺机的液压原理图。该机左右行走、左右刮板、左右螺旋、振捣和振动均选用斜盘式轴向柱塞变量泵，辅助选用齿轮泵，行走马达是斜轴式轴向柱塞变量马达，刮板马达是摆线马达，螺旋、振捣和振动马达均是斜轴式轴向柱塞定量马达。行走变量泵和刮板变量泵、两个螺旋变量泵分别组成三个双联泵。振捣变量泵、振动变量泵和辅助7图 8 摊铺宽度 6m 轮胎式液压伸缩摊铺机的液压原理图TSxxx xxxxxxxxxx xxx xxxxxx x x xxx xxxxx x x x xxxx xxx x xxxx xxxxx x xxxxxxx x xxxxxx
23、x x xxxxTKx xxxx8图 9 摊铺宽度 13m 履带式机械加宽摊铺机的液压原理图。图 10 摊铺宽度 9m 履带式摊铺机刮板系统的液压配管图。齿轮泵组成一个三联泵。行走液压系统是左右两个独立的闭式系统，各由电控变量泵和电控变量马达组成，变量泵的排量可无级控制，变量马达的排量为高低两档。因而，行驶速度分低速（摊铺）和高速（行走）两个档位，在每个档位里均能无级调速。行走马达内安装着速度传感器，可对摊铺速度进行恒速控制。左右刮板、左右螺旋、振捣和振动液压系统均是独立的闭式系统，各由电控变量泵和定量马达组成。控制变量泵的排量即可无级改变刮板速度、螺旋转速、振捣频率和振动频率。辅助液压系统为
24、单泵多回路开式液压系统，由齿轮泵、液压缸、溢流阀、三路流量阀、电磁换向阀组、液控单向阀和电控单向阀组成。齿轮泵排出的油液经三个串接的三路流量阀可定量的供给左右大臂油缸和熨平装置提升油缸，使其速度保持恒定。操纵电磁换向阀可实现大臂升降。操纵电磁换向阀组可实现熨平装置的浮动、减压、锁定三种摊铺作业状态及提升、下降、锁定三种调整状态。经三路流量阀后剩余的油液，再由电磁换向阀供给料斗油缸。操纵电磁换向阀可实现料斗开合。所有九个油泵共用一个吸油粗滤器，粗滤器安装在油箱内。行走、螺旋和振捣五个变量泵上集成着辅助泵压力油精滤器。刮板和振动三个变量泵的辅助泵压力油路上均外置着压力油精滤器。辅助系统齿轮泵独立设
25、置压力油精滤器。行走、螺旋、振捣变量泵和行A B347121314151617 18 19151617214121213B AST34563 4 5 63456 3 4 5 69871011101124 2512141918 20 2123232214 2021 19141214129走变量马达的壳体泄漏油经主冷却器回油箱。刮板、振捣、振动马达的壳体泄漏油和辅助系统回油经温控冷却器回油箱。其余回油经集油管自然散热回油箱。螺旋马达的壳体泄漏油直接回油箱。液压配管图是液压元件施工安装的依据。在液压配管图上，应表示出液压系统所有液压元件的型号、规格、尺寸及连接关系。图 10 是省略部分内容的一台摊铺
26、宽度 9m 履带式摊铺机刮板系统的液压配管图。液压装配图也是液压元件施工安装的依据。在液压装配图上，应表示出液压系统所有液压元件的实际位置、安装方式、联接形式和管路走向。液压装配图以轴侧图形式绘制。2 液压系统设计时应注意的问题摊铺机的可靠性和使用寿命主要取决于液压系统。液压系统设计时应注意的问题必然是如何使所设计的系统在保障功能的前提下尽量提高其可靠性。常规的设计应当采取以下措施：（1）降额设计降额是指液压元件使用时的工作压力或转速比其额定值低，且低得适量。大型摊铺机刮板、螺旋、振捣、振动启动及停止的冲击压力大，可达到正常工作压力的 2.2 倍，往往影响系统的可靠性。为降低压力冲击产生的危害
27、，有效的措施之一就是降低工作压力。前面讲的马达的工作压力应当不大于其额定压力（或公称压力）的 75（履带式摊铺机行走系统应是 45） ，马达的设计转速和油泵的转速应当不大于其额定转速的 85，就是降额设计的实例。（2）集成化设计采用标准化的叠加式和块式集成阀块，减少管路和管接头，使导致失效的环节减少，液压系统可靠性自然会提高。（3）人机设计尽可能使设计的系统具有过载保护、监控报警或故障诊断功能，使设计出的摊铺机对操作者来说是宜人的，不容易因人引起故障。（4）优化设计优化设计主要指优选液压回路。如大型摊铺机必须对行走、刮板、螺旋、振捣、振动进行调速控制，对自动调平液压缸进行恒速控制。在进行这些回
28、路设计时，除了使各执行元件能完成满意的设计功能外，还应考虑系统产生的热量问题。因此，不能用简单的节流调速回路，应当采用变量泵定量马达调速回路、变量泵变量马达调速回路、高效率调速阀组成的调速回路、高效率流量阀组成的恒速回路，尽量减少系统的发热量。除此之外，大型摊铺机还应优化设计双冷却分级控温冷却回路，控制液压油温度。（5）预留量设计在确定油泵或马达时，对其选用的效率（容积效率及总效率）值应适当的折减 12，给设计值一个合理的预留量，使摊铺机能长久保持在设计的高性能（如不降速和不降压）状态下工作。这一方面是由于油泵和马达在工作一段时间后效率会下降，另一方面是由于液压件厂家提供的效率值或特性曲线图是实验室测得的，与装在摊铺机上使用的工况有差别。
