液压传动技术在工程机械行走驱动中的应用

   1、概述

    行走驱动系统是工程机械的重要组成部分。与工作系统相比，行走驱动系统不仅需要传输更大的功率，要求器件具有更高的效率和更长的寿命，还希望在变速调速、差速、改变输出轴旋转方向及反向传输动力等方面具有良好的能力。于是，采用何种传动方式，如何更好地满足各种工程机械行走驱动的需要，一直是工程机械行业所要面对的课题。尤其是近年来，随着我国交通、能源等基础设施建设进程的快速发展，建筑施工和资源开发规模不断扩大，工程机械在市场需求大大增强的同时，更面临着作业环境更为苛刻、工况条件更为复杂等所带来的挑战，也进一步推动着对其行走驱动系统的深入研究。

    这里试图从技术构成及性能特征等角度对液压传动技术在工程机械行走驱动系统的发展及其规律进行探讨。

    2、基于单一技术的传动方式

    工程机械行走系统最初主要采用机械传动和液力机械传动(全液压挖掘机除外)方式。现在，液压和电力传动的传动方式也出现在工程机械行走驱动装置中，充分表明了科学技术发展对这一领域的巨大推动作用。

    2.1 机械传动

    纯机械传动的发动机平均负荷系数低，因此一般只能进行有级变速，并且布局方式受到限制。但由于其具有在稳态传动效率高和制造成本低方面的优势，在调速范围比较小的通用客货汽车和对经济性要求苛刻、作业速度恒定的农用拖拉机领域迄今仍然占据着霸主地位。

    2.2 液力传动

    液力传动用变矩器取代了机械传动中的离合器，具有分段无级调速能力。它的突出优点是具有接近于双曲线的输出扭矩-转速特性，配合后置的动力换挡式机械变速器能够自动匹配负荷并防止动力传动装置过载。变矩器的功率密度很大而负荷应力却较低，大批生产成本也不高等特点使它得以广泛应用于大中型铲土运土机械、起重运输机械领域和汽车、坦克等高速车辆中。但其特性匹配及布局方式受限制，变矩范围较小，动力制动能力差，不适合用于要求速度稳定的场合。

    2.3 液压传动

    与机械传动相比。液压传动更容易实现其运动参数(流量)和动力参数(压力)的控制，而液压传动较之液力传动具有良好的低速负荷特性。由于具有传递效率高，可进行恒功率输出控制，功率利用充分，系统结构简单，输出转速无级调速，可正、反向运转，速度刚性大，动作实现容易等突出优点，液压传动在工程机械中得到了广泛的应用。几乎所有工程机械装备都能见到液压技术的踪迹，其中不少已成为主要的传动和控制方式。极限负荷调节闭式回路，发动机转速控制的恒压，恒功率组合调节的变量系统开发，给液压传动应用于工程机械行走系提供了广阔的发展前景。

    与纯机械和液力传动相比，液压传动的主要优点是其调节的便捷性和布局的灵活性，可根据工程机械的形态和工况的需要，把发动机、驱动轮、工作机构等各部件分别布置在合理的部位，发动机在任一调度转速下工作，传动系统都能发挥出较大的牵引力，而且传动系统在很宽的输出转速范围内仍能保持较高的效率，并能方便地获得各种优化的动力传动特性，以适应各种作业的负荷状态。在车速较高的行走机械中所采用的带闭式油路的行走液压驱动装置能无级调速，使车辆柔和起步、迅速变速和无冲击地变换行驶方向。对在作业中需要频繁起动和变速、经常穿梭行驶的车辆来说这一性能十分宝贵。但与开式回路相比，闭式回路的设计、安装调试以及维护都有较高的难度和技术要求。

    借助电子技术与液压技术的结合，可以很方便地实现对液压系统的各种调节和控制。而计算机控制的引入和各类传感元件的应用，更极大地扩展了液压元件的工作范围。通过传感器监测工程车辆各种状态参数，经过计算机运算输出控制目标指令，使车辆在整个工作范围内实现自动化控制，机器的燃料经济性、动力性、作业生产率均达到最佳值。因此，采用液压传动可使工程机械易于实现智能化、节能化和环保化，而这已成为当前和未来工程机械的发展趋势。

    2.4 电力传动

    电力传动是由内燃机驱动发电机，产生电能使电动机驱动车辆行走部分运动，通过电子调节系统调节电动机轴的转速和转向，具有凋速范围广，输人元件(发电机)、输出元件(电动机)、及控制装置可分置安装等优点。电力传动最早用于柴油机电动船舶和内燃机车领域，后又推广到大吨位矿用载重汽车和某些大型工程机械上，近年来又出现了柴油机电力传动的叉车和牵引车等中小型起重运输车辆。但基于技术和经济性等方面的一些原因，适用于行走机械的功率电元件还远没有像固定设备用的那样普及，电力传动对于大多数行走机械还仅是“未来的技术”。

    3、发展中的复合传动技术

    从前面的分析可以看出，应用于工程机械行走驱动系统中的基于单一技术的传动方式构成简单、传动可靠，适用于某些特定的场合和领域。而在大多数的实际应用中，这些传动技术往往不是孤立存在的，彼此之间都存在着相互的渗透和结合，如液力、液压和电力的传动装置中都或多或少的包含有机械传动环节，而新型的机械和液力传动装置中也设置了电气和液压控制系统。换句话说，采用有针对性的复合集成的方式，可以充分发挥各种传动方式各自的优势，扬长避短，从而获得最佳的综合效益。值得注意的是，兼有调节与布局灵活性及高功率密度的液压传动装置在其中充当着重要角色。

    3.1 液压与机械和液力传动的复合

    (1) 串联方式

    串联方式是最为简单和常见的复合方式，是在液压马达或液压变速器的输出端和驱动桥之间设置机械式变速器以扩大调速的高效区，实现分段的无级变速。目前已广泛用于装载机、联合收获机和某些特种车辆上。对其的发展是将可在行进间变换传动比的动力换挡行星变速器直接安装在驱动轮内，实现了大变速比的轮边液压驱动，因而取消了驱动桥，更便于布局。

    (2) 并联方式

    即为通常所称的“液压机械功率分流传动”，可理解为一种将液压与机械装置“并联”分别传输功率流的传动系统，也就是是利用多自由度的行星差速器把发动机输出的功率分成液压的和机械的两股“功率流”，借助液压功率流的可控性，使这两股功率流在重新汇合时可无级调节总的输出转速。这种方式将液压传动的无级调速性能好和机械传动的稳态效率高这两方面的优点结合起来，得到一个既有无级变速性能，又有较高效率和较宽高效区的变速装置。

    按其结构，这种复合式传动装置可分为两类:第一类为利用行星齿轮差速器分流的外分流式，其中常见的分流传动机构又可分为输入分流式和输出分流式两种基本形式;第二类为利用液压泵或马达转子与外壳间的差速运动分流的内分流式。

    日本小松公司开发的这种复合方式的液压传动变速器，已经应用在装载机、推土机等工程机械上。德国Fendt拖拉机生产的采用Vario型无级变速器装备的农用拖拉机，到2003年总销量超过了30000台。

    由此可以看出，这种新型的传动装置已日益成为大中功率液力传动和动力换档变速器的有力竞争者。

    (3) 分时方式

    对于作业速度和非作业状态下转移空驶速度相差悬殊的专用车辆，采用传统机械变速器用于高速行驶、附加液压传动装置用于低速作业的方式能很好地满足这两种工况的矛盾要求。机械——液压分时驱动的方式在此类车辆上的应用已很普遍，这一技术也已被应用于飞机除冰车和田间移栽机等需要“爬行速度”的车辆和机具上。

    (4) 分位方式

    把液压马达直接安装在车轮内的“轮边液压驱动装置”是一种辅助液压驱动装置，可以解决工程机械需要提高牵引性能，但又无法采用全轮驱动方式，难以布置传统的机械传动装置的问题。液压传动的无级调速性能使以不同方式传动的驱动轮之间能协调同步，这在某种意义上也可视为一种功率分流传动:动力机的功率被分配到几组驱动轮上，经地面耦合后产生推动车辆运动的牵引力。目前，许多工程机械制造厂商将这一技术用于具有部分自走驱动能力的，诸如自走式平地机和铲运机这样的工程机械上。

    3.2 液压与电力传动的复合

    由于现代技术的发展，电子技术在信号处理的能力和速度方面占有很大的优势，而液压与电力传动在各自功率元件的特性方面各有所长。因此，除了现在已普遍存在的“电子神经+液压肌肉”这种模式外，两者在功率流的复合传输方面也有许多成功的实例，如:由变频或直流调速电机和高效、低脉动的定量液压泵构成的可变流量液压油源，用集成安装的电动泵-液压缸或低速大扭矩液压马达构成的电动液压执行单元，以及混合动力工业车辆的驱动系统等。

    3.3 二次调节静液传动系统

    二次调节静液传动技术是通过对液压元件所进行的调节来实现液压能与机械能互相转换。一般来说，它的实现是以压力耦联系统为基础的，在一次元件(泵)及二次元件(马达)间采用定压力偶合方式，依靠实时调节马达排量来平衡负荷扭矩。目前，对二次调节静液传动技术进行研究的出发点是对传动过程进行能量的回收和能量的重新利用，从宏观的角度对静液传动总体结构进行合理的配置以及改善其静液传动系统的控制特性。

    为了使不具备双向无级变量能力的液压马达和往复运动的液压缸也能在二次调节系统的恒压网络中运行，出现了利用二次调节技术的“液压变压器”，它类似于电力变压器用来匹配用户对系统压力和流量的不同需求，从而实现液压系统的功率匹配。

    二次调节静液传动系统与传统静液传动系统相比，其优点是更便于控制，能在四个象限中工作，可在不转变能量形式情况下回收能量，进行能量的存储，利用液压蓄能器加速可大大提高加速功率，且系统中无压力峰值，由于一次元件和二次元件分开安装，可通过一个泵站给多个液压动力元件提供油源，减少了冷却费用，设备的制造成本降低，系统效率高。

    二次调节静液传动与电力传动相比，具有闭环控制动态响应快、功率密度高、重量轻、安装空间小等优点。

    由于二次调节静液传动系统具有许多优点，使它在很多领域得到广泛地应用。国外已将其成功应用于造船工业、钢铁工业、大型试验台、车辆传动等领域。奔驰汽车公司已将二次调节技术应用于无人驾驶运输系统中的行驶驱动。

    4、结束语

    自20世纪90年代以来，工程机械进入了一个新的发展时期，新技术的广泛应用使得新结构和新产品不断涌现。随着微电子技术向工程机械的渗透，工程机械日益向智能化和机电一体化方向发展，对工程机械行走驱动装置提出的要求也越来越苛刻。近年来，液压技术迅速发展，液压元件日臻完善，使得液压传动在工程机械传动系统中的应用突飞猛进，液压传动所具有的优势也日渐凸现。可以相信，随着液压技术与微电子技术、计算机控制技术以及传感技术的紧密结合，液压传动技术必将在工程机械行走驱动系统的发展中发挥出越来越重要的作用。