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液壓傳動(dòng)技術(shù)在行走驅動(dòng)中的應用
1、概述
行走驅動(dòng)系統是工程機械的重要組成部分。與工作系統相比，行走驅動(dòng)系統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(cháng)的壽命，還希望在變速調速、差速、改變輸出軸旋轉方向及反向傳輸動(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)足各種工程機械行走驅動(dòng)的需要，一直是工程機械行業(yè)所要面對的課題。尤其是近年來(lái)，隨著(zhù)我國交通、能源等基礎設施建設進(jìn)程的快速發(fā)展，建筑施工和資源開(kāi)發(fā)規模不斷擴大，工程機械在市場(chǎng)需求大大增強的同時(shí)，更面臨著(zhù)作業(yè)環(huán)境更為苛刻、工況條件更為復雜等所帶來(lái)的挑戰，也進(jìn)一步推動(dòng)著(zhù)對其行走驅動(dòng)系統的深入研究。
這里試圖從技術(shù)構成及性能特征等角度對液壓傳動(dòng)技術(shù)在工程機械行走驅動(dòng)系統的發(fā)展及其規律進(jìn)行探討。
2、基于單一技術(shù)的傳動(dòng)方式
工程機械行走系統最初主要采用機械傳動(dòng)和液力機械傳動(dòng)(全液壓挖掘機除外)方式�，F在，液壓和電力傳動(dòng)的傳動(dòng)方式也出現在工程機械行走驅動(dòng)裝置中，充分表明了科學(xué)技術(shù)發(fā)展對這一領(lǐng)域的巨大推動(dòng)作用。
2.1 機械傳動(dòng)
純機械傳動(dòng)的發(fā)動(dòng)機平均負荷系數低，因此一般只能進(jìn)行有級變速，并且布局方式受到限制。但由于其具有在穩態(tài)傳動(dòng)效率高和制造成本低方面的優(yōu)勢，在調速范圍比較小的通用客貨汽車(chē)和對經(jīng)濟性要求苛刻、作業(yè)速度恒定的農用拖拉機領(lǐng)域迄今仍然占據著(zhù)霸主地位。
2.2 液力傳動(dòng)
液力傳動(dòng)用變矩器取代了機械傳動(dòng)中的離合器，具有分段無(wú)級調速能力。它的突出優(yōu)點(diǎn)是具有接近于雙曲線(xiàn)的輸出扭矩-轉速特性，配合后置的動(dòng)力換擋式機械變速器能夠自動(dòng)匹配負荷并防止動(dòng)力傳動(dòng)裝置過(guò)載。變矩器的功率密度很大而負荷應力卻較低，大批生產(chǎn)成本也不高等特點(diǎn)使它得以廣泛應用于大中型鏟土運土機械、起重運輸機械領(lǐng)域和汽車(chē)、坦克等高速車(chē)輛中。但其特性匹配及布局方式受限制，變矩范圍較小，動(dòng)力制動(dòng)能力差，不適合用于要求速度穩定的場(chǎng)合。
2.3 液壓傳動(dòng)
與機械傳動(dòng)相比。液壓傳動(dòng)更容易實(shí)現其運動(dòng)參數(流量)和動(dòng)力參數(壓力)的控制，而液壓傳動(dòng)較之液力傳動(dòng)具有良好的低速負荷特性。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，系統結構簡(jiǎn)單，輸出轉速無(wú)級調速，可正、反向運轉，速度剛性大，動(dòng)作實(shí)現容易等突出優(yōu)點(diǎn)，液壓傳動(dòng)在工程機械中得到了廣泛的應用。幾乎所有工程機械裝備都能見(jiàn)到液壓技術(shù)的蹤跡，其中不少已成為主要的傳動(dòng)和控制方式。極限負荷調節閉式回路，發(fā)動(dòng)機轉速控制的恒壓，恒功率組合調節的變量系統開(kāi)發(fā)，給液壓傳動(dòng)應用于工程機械行走系提供了廣闊的發(fā)展前景。
與純機械和液力傳動(dòng)相比，液壓傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是其調節的便捷性和布局的靈活性，可根據工程機械的形態(tài)和工況的需要，把發(fā)動(dòng)機、驅動(dòng)輪、工作機構等各部件分別布置在合理的部位，發(fā)動(dòng)機在任一調度轉速下工作，傳動(dòng)系統都能發(fā)揮出較大的牽引力，而且傳動(dòng)系統在很寬的輸出轉速范圍內仍能保持較高的效率，并能方便地獲得各種優(yōu)化的動(dòng)力傳動(dòng)特性，以適應各種作業(yè)的負荷狀態(tài)。在車(chē)速較高的行走機械中所采用的帶閉式油路的行走液壓驅動(dòng)裝置能無(wú)級調速，使車(chē)輛柔和起步、迅速變速和無(wú)沖擊地變換行駛方向。對在作業(yè)中需要頻繁起動(dòng)和變速、經(jīng)常穿梭行駛的車(chē)輛來(lái)說(shuō)這一性能十分寶貴。但與開(kāi)式回路相比，閉式回路的設計、安裝調試以及維護都有較高的難度和技術(shù)要求。
借助電子技術(shù)與液壓技術(shù)的結合，可以很方便地實(shí)現對液壓系統的各種調節和控制。而計算機控制的引入和各類(lèi)傳感元件的應用，更極大地擴展了液壓元件的工作范圍。通過(guò)傳感器監測工程車(chē)輛各種狀態(tài)參數，經(jīng)過(guò)計算機運算輸出控制目標指令，使車(chē)輛在整個(gè)工作范圍內實(shí)現自動(dòng)化控制，機器的燃料經(jīng)濟性、動(dòng)力性、作業(yè)生產(chǎn)率均達到最佳值。因此，采用液壓傳動(dòng)可使工程機械易于實(shí)現智能化、節能化和環(huán)�；�，而這已成為當前和未來(lái)工程機械的發(fā)展趨勢。
2.4 電力傳動(dòng)
電力傳動(dòng)是由內燃機驅動(dòng)發(fā)電機，產(chǎn)生電能使電動(dòng)機驅動(dòng)車(chē)輛行走部分運動(dòng)，通過(guò)電子調節系統調節電動(dòng)機軸的轉速和轉向，具有凋速范圍廣，輸人元件(發(fā)電機)、輸出元件(電動(dòng)機)、及控制裝置可分置安裝等優(yōu)點(diǎn)。電力傳動(dòng)最早用于柴油機電動(dòng)船舶和內燃機車(chē)領(lǐng)域，后又推廣到大噸位礦用載重汽車(chē)和某些大型工程機械上，近年來(lái)又出現了柴油機電力傳動(dòng)的叉車(chē)和牽引車(chē)等中小型起重運輸車(chē)輛。但基于技術(shù)和經(jīng)濟性等方面的一些原因，適用于行走機械的功率電元件還遠沒(méi)有像固定設備用的那樣普及，電力傳動(dòng)對于大多數行走機械還僅是“未來(lái)的技術(shù)”。
3、發(fā)展中的復合傳動(dòng)技術(shù)
從前面的分析可以看出，應用于工程機械行走驅動(dòng)系統中的基于單一技術(shù)的傳動(dòng)方式構成簡(jiǎn)單、傳動(dòng)可靠，適用于某些特定的場(chǎng)合和領(lǐng)域。而在大多數的實(shí)際應用中，這些傳動(dòng)技術(shù)往往不是孤立存在的，彼此之間都存在著(zhù)相互的滲透和結合，如液力、液壓和電力的傳動(dòng)裝置中都或多或少的包含有機械傳動(dòng)環(huán)節，而新型的機械和液力傳動(dòng)裝置中也設置了電氣和液壓控制系統。換句話(huà)說(shuō)，采用有針對性的復合集成的方式，可以充分發(fā)揮各種傳動(dòng)方式各自的優(yōu)勢，揚長(cháng)避短，從而獲得最佳的綜合效益。值得注意的是，兼有調節與布局靈活性及高功率密度的液壓傳動(dòng)裝置在其中充當著(zhù)重要角色。
3.1 液壓與機械和液力傳動(dòng)的復合
(1) 串聯(lián)方式
串聯(lián)方式是最為簡(jiǎn)單和常見(jiàn)的復合方式，是在液壓馬達或液壓變速器的輸出端和驅動(dòng)橋之間設置機械式變速器以擴大調速的高效區，實(shí)現分段的無(wú)級變速。目前已廣泛用于裝載機、聯(lián)合收獲機和某些特種車(chē)輛上。對其的發(fā)展是將可在行進(jìn)間變換傳動(dòng)比的動(dòng)力換擋行星變速器直接安裝在驅動(dòng)輪內，實(shí)現了大變速比的輪邊液壓驅動(dòng)，因而取消了驅動(dòng)橋，更便于布局。
(2) 并聯(lián)方式
即為通常所稱(chēng)的“液壓機械功率分流傳動(dòng)”，可理解為一種將液壓與機械裝置“并聯(lián)”分別傳輸功率流的傳動(dòng)系統，也就是是利用多自由度的行星差速器把發(fā)動(dòng)機輸出的功率分成液壓的和機械的兩股“功率流”，借助液壓功率流的可控性，使這兩股功率流在重新匯合時(shí)可無(wú)級調節總的輸出轉速。這種方式將液壓傳動(dòng)的無(wú)級調速性能好和機械傳動(dòng)的穩態(tài)效率高這兩方面的優(yōu)點(diǎn)結合起來(lái)，得到一個(gè)既有無(wú)級變速性能，又有較高效率和較寬高效區的變速裝置。
按其結構，這種復合式傳動(dòng)裝置可分為兩類(lèi):第一類(lèi)為利用行星齒輪差速器分流的外分流式，其中常見(jiàn)的分流傳動(dòng)機構又可分為輸入分流式和輸出分流式兩種基本形式;第二類(lèi)為利用液壓泵或馬達轉子與外殼間的差速運動(dòng)分流的內分流式。
日本小松公司開(kāi)發(fā)的這種復合方式的液壓傳動(dòng)變速器，已經(jīng)應用在裝載機、推土機等工程機械上。德國Fendt拖拉機生產(chǎn)的采用Vario型無(wú)級變速器裝備的農用拖拉機，到2003年總銷(xiāo)量超過(guò)了30000臺。
由此可以看出，這種新型的傳動(dòng)裝置已日益成為大中功率液力傳動(dòng)和動(dòng)力換檔變速器的有力競爭者。
(3) 分時(shí)方式
對于作業(yè)速度和非作業(yè)狀態(tài)下轉移空駛速度相差懸殊的專(zhuān)用車(chē)輛，采用傳統機械變速器用于高速行駛、附加液壓傳動(dòng)裝置用于低速作業(yè)的方式能很好地滿(mǎn)足這兩種工況的矛盾要求。機械——液壓分時(shí)驅動(dòng)的方式在此類(lèi)車(chē)輛上的應用已很普遍，這一技術(shù)也已被應用于飛機除冰車(chē)和田間移栽機等需要“爬行速度”的車(chē)輛和機具上。
(4) 分位方式
把液壓馬達直接安裝在車(chē)輪內的“輪邊液壓驅動(dòng)裝置”是一種輔助液壓驅動(dòng)裝置，可以解決工程機械需要提高牽引性能，但又無(wú)法采用全輪驅動(dòng)方式，難以布置傳統的機械傳動(dòng)裝置的問(wèn)題。液壓傳動(dòng)的無(wú)級調速性能使以不同方式傳動(dòng)的驅動(dòng)輪之間能協(xié)調同步，這在某種意義上也可視為一種功率分流傳動(dòng):動(dòng)力機的功率被分配到幾組驅動(dòng)輪上，經(jīng)地面耦合后產(chǎn)生推動(dòng)車(chē)輛運動(dòng)的牽引力。目前，許多工程機械制造廠(chǎng)商將這一技術(shù)用于具有部分自走驅動(dòng)能力的，諸如自走式平地機和鏟運機這樣的工程機械上。
3.2 液壓與電力傳動(dòng)的復合
由于現代技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)在信號處理的能力和速度方面占有很大的優(yōu)勢，而液壓與電力傳動(dòng)在各自功率元件的特性方面各有所長(cháng)。因此，除了現在已普遍存在的“電子神經(jīng)+液壓肌肉”這種模式外，兩者在功率流的復合傳輸方面也有許多成功的實(shí)例，如:由變頻或直流調速電機和高效、低脈動(dòng)的定量液壓泵構成的可變流量液壓油源，用集成安裝的電動(dòng)泵-液壓缸或低速大扭矩液壓馬達構成的電動(dòng)液壓執行單元，以及混合動(dòng)力工業(yè)車(chē)輛的驅動(dòng)系統等。
3.3 二次調節靜液傳動(dòng)系統
二次調節靜液傳動(dòng)技術(shù)是通過(guò)對液壓元件所進(jìn)行的調節來(lái)實(shí)現液壓能與機械能互相轉換。一般來(lái)說(shuō)，它的實(shí)現是以壓力耦聯(lián)系統為基礎的，在一次元件(泵)及二次元件(馬達)間采用定壓力偶合方式，依靠實(shí)時(shí)調節馬達排量來(lái)平衡負荷扭矩。目前，對二次調節靜液傳動(dòng)技術(shù)進(jìn)行研究的出發(fā)點(diǎn)是對傳動(dòng)過(guò)程進(jìn)行能量的回收和能量的重新利用，從宏觀(guān)的角度對靜液傳動(dòng)總體結構進(jìn)行合理的配置以及改善其靜液傳動(dòng)系統的控制特性。
為了使不具備雙向無(wú)級變量能力的液壓馬達和往復運動(dòng)的液壓缸也能在二次調節系統的恒壓網(wǎng)絡(luò )中運行，出現了利用二次調節技術(shù)的“液壓變壓器”，它類(lèi)似于電力變壓器用來(lái)匹配用戶(hù)對系統壓力和流量的不同需求，從而實(shí)現液壓系統的功率匹配。
二次調節靜液傳動(dòng)系統與傳統靜液傳動(dòng)系統相比，其優(yōu)點(diǎn)是更便于控制，能在四個(gè)象限中工作，可在不轉變能量形式情況下回收能量，進(jìn)行能量的存儲，利用液壓蓄能器加速可大大提高加速功率，且系統中無(wú)壓力峰值，由于一次元件和二次元件分開(kāi)安裝，可通過(guò)一個(gè)泵站給多個(gè)液壓動(dòng)力元件提供油源，減少了冷卻費用，設備的制造成本降低，系統效率高。
二次調節靜液傳動(dòng)與電力傳動(dòng)相比，具有閉環(huán)控制動(dòng)態(tài)響應快、功率密度高、重量輕、安裝空間小等優(yōu)點(diǎn)。
由于二次調節靜液傳動(dòng)系統具有許多優(yōu)點(diǎn)，使它在很多領(lǐng)域得到廣泛地應用。國外已將其成功應用于造船工業(yè)、鋼鐵工業(yè)、大型試驗臺、車(chē)輛傳動(dòng)等領(lǐng)域。奔馳汽車(chē)公司已將二次調節技術(shù)應用于無(wú)人駕駛運輸系統中的行駛驅動(dòng)。
4、結束語(yǔ)
自2O世紀9O年代以來(lái)，工程機械進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期，新技術(shù)的廣泛應用使得新結構和新產(chǎn)品不斷涌現。隨著(zhù)微電子技術(shù)向工程機械的滲透，工程機械日益向智能化和機電一體化方向發(fā)展，對工程機械行走驅動(dòng)裝置提出的要求也越來(lái)越苛刻。近年來(lái)，液壓技術(shù)迅速發(fā)展，液壓元件日臻完善，使得液壓傳動(dòng)在工程機械傳動(dòng)系統中的應用突飛猛進(jìn)，液壓傳動(dòng)所具有的優(yōu)勢也日漸凸現�？梢韵嘈�，隨著(zhù)液壓技術(shù)與微電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)以及傳感技術(shù)的緊密結合，液壓傳動(dòng)技術(shù)必將在工程機械行走驅動(dòng)系統的發(fā)展中發(fā)揮出越來(lái)越重要的作用。
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