液壓傳動技術(shù)在工程機械行走驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用與開展

1、概述

行走驅(qū)動系統(tǒng)是工程機械的重要組成局部。與工作系統(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工程機械行走驅(qū)動的需要，一直是工程機械行業(yè)所要面對的課題。尤其是近年來，隨著我國交通、能源等根底設(shè)施建設(shè)進程的快速開展，建筑施工和資源開發(fā)規(guī)模不斷擴大，工程機械在市場需求大大增強的同時，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)，也進一步推動著對其行走驅(qū)動系統(tǒng)的深入研究。

這里試圖從技術(shù)構(gòu)成及性能特征等角度對液壓傳動技術(shù)在工程機械行走驅(qū)動系統(tǒng)的開展及其規(guī)律進行探討。

2、基于單一技術(shù)的傳動方式

工程機械行走系統(tǒng)最初主要采用機械傳動和液力機械傳動（全液壓挖掘機除外）方式。現(xiàn)在，液壓和電力傳動的傳動方式也出現(xiàn)在工程機械行走驅(qū)動裝置中，充分說明了科學(xué)技術(shù)開展對這一領(lǐng)域的巨大推動作用。

2.1

機械傳動

純機械傳動的發(fā)動機平均負(fù)荷系數(shù)低，因此一般只能進行有級變速，并且布局方式受到限制。但由于其具有在穩(wěn)態(tài)傳動效率高和制造本錢低方面的優(yōu)勢，在調(diào)速范圍比擬小的通用客貨汽車和對經(jīng)濟性要求苛刻、作業(yè)速度恒定的農(nóng)用拖拉機領(lǐng)域迄今仍然占據(jù)著霸主地位。

2.2

液力傳動

液力傳動用變矩器取代了機械傳動中的離合器，具有分段無級調(diào)速能力。它的突出優(yōu)點是具有接近于雙曲線的輸出扭矩-轉(zhuǎn)速特性，配合后置的動力換擋式機械變速器能夠自動匹配負(fù)荷并防止動力傳動裝置過載。變矩器的功率密度很大而負(fù)荷應(yīng)力卻較低，大批生產(chǎn)本錢也不高等特點使它得以廣泛應(yīng)用于大中型鏟土運土機械、起重運輸機械領(lǐng)域和汽車、坦克等高速車輛中。但其特性匹配及布局方式受限制，變矩范圍較小，動力制動能力差，不適合用于要求速度穩(wěn)定的場合。

2.3

液壓傳動

與機械傳動相比。液壓傳動更容易實現(xiàn)其運動參數(shù)（流量）和動力參數(shù)（壓力）的控制，而液壓傳動較之液力傳動具有良好的低速負(fù)荷特性。由于具有傳遞效率高，可進行恒功率輸出控制，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、反向運轉(zhuǎn)，速度剛性大，動作實現(xiàn)容易等突出優(yōu)點，液壓傳動在工程機械中得到了廣泛的應(yīng)用。幾乎所有工程機械裝備都能見到液壓技術(shù)的蹤跡，其中不少已成為主要的傳動和控制方式。極限負(fù)荷調(diào)節(jié)閉式回路，發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制的恒壓，恒功率組合調(diào)節(jié)的變量系統(tǒng)開發(fā)，給液壓傳動應(yīng)用于工程機械行走系提供了廣闊的開展前景。

與純機械和液力傳動相比，液壓傳動的主要優(yōu)點是其調(diào)節(jié)的便捷性和布局的靈活性，可根據(jù)工程機械的形態(tài)和工況的需要，把發(fā)動機、驅(qū)動輪、工作機構(gòu)等各部件分別布置在合理的部位，發(fā)動機在任一調(diào)度轉(zhuǎn)速下工作，傳動系統(tǒng)都能發(fā)揮出較大的牽引力，而且傳動系統(tǒng)在很寬的輸出轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)仍能保持較高的效率，并能方便地獲得各種優(yōu)化的動力傳動特性，以適應(yīng)各種作業(yè)的負(fù)荷狀態(tài)。在車速較高的行走機械中所采用的帶閉式油路的行走液壓驅(qū)動裝置能無級調(diào)速，使車輛柔和起步、迅速變速和無沖擊地變換行駛方向。對在作業(yè)中需要頻繁起動和變速、經(jīng)常穿梭行駛的車輛來說這一性能十分珍貴。但與開式回路相比，閉式回路的設(shè)計、安裝調(diào)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(jié)合，可以很方便地實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的各種調(diào)節(jié)和控制。而計算機控制的引入和各類傳感元件的應(yīng)用，更極大地擴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)過計算機運算輸出控制目標(biāo)指令，使車輛在整個工作范圍內(nèi)實現(xiàn)自動化控制，機器的燃料經(jīng)濟性、動力性、作業(yè)生產(chǎn)率均到達最正確值。因此，采用液壓傳動可使工程機械易于實現(xiàn)智能化、節(jié)能化和環(huán)保化，而這已成為當(dāng)前和未來工程機械的開展趨勢。

2.4

電力傳動

電力傳動是由內(nèi)燃機驅(qū)動發(fā)電機，產(chǎn)生電能使電動機驅(qū)動車輛行走局部運動，通過電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)電動機軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，具有凋速范圍廣，輸人元件（發(fā)電機）、輸出元件（電動機）、及控制裝置可分置安裝等優(yōu)點。電力傳動最早用于柴油機電動船舶和內(nèi)燃機車領(lǐng)域，后又推廣到大噸位礦用載重汽車和某些大型工程機械上，近年來又出現(xiàn)了柴油機電力傳動的叉車和牽引車等中小型起重運輸車輛。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(yuǎn)沒有像固定設(shè)備用的那樣普及，電力傳動對于大多數(shù)行走機械還僅是“未來的技術(shù)〞。

3、開展中的復(fù)合傳動技術(shù)

從前面的分析可以看出，應(yīng)用于工程機械行走驅(qū)動系統(tǒng)中的基于單一技術(shù)的傳動方式構(gòu)成簡單、傳動可靠，適用于某些特定的場合和領(lǐng)域。而在大多數(shù)的實際應(yīng)用中，這些傳動技術(shù)往往不是孤立存在的，彼此之間都存在著相互的滲透和結(jié)合，如液力、液壓和電力的傳動裝置中都或多或少的包含有機械傳動環(huán)節(jié)，而新型的機械和液力傳動裝置中也設(shè)置了電氣和液壓控制系統(tǒng)。換句話說，采用有針對性的復(fù)合集成的方式，可以充分發(fā)揮各種傳動方式各自的優(yōu)勢，揚長避短，從而獲得最正確的綜合效益。值得注意的是，兼有調(diào)節(jié)與布局靈活性及高功率密度的液壓傳動裝置在其中充當(dāng)著重要角色。

3.1

液壓與機械和液力傳動的復(fù)合（1）

串聯(lián)方式

串聯(lián)方式是最為簡單和常見的復(fù)合方式，是在液壓馬達或液壓變速器的輸出端和驅(qū)動橋之間設(shè)置機械式變速器以擴大調(diào)速的高效區(qū)，實現(xiàn)分段的無級變速。目前已廣泛用于裝載機、聯(lián)合收獲機和某些特種車輛上。對其的開展是將可在行進間變換傳動比的動力換擋行星變速器直接安裝在驅(qū)動輪內(nèi)，實現(xiàn)了大變速比的輪邊液壓驅(qū)動，因而取消了驅(qū)動橋，更便于布局。

（2）

并聯(lián)方式

即為通常所稱的“液壓機械功率分流傳動〞，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系統(tǒng)，也就是是利用多自由度的行星差速器把發(fā)動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集合時可無級調(diào)節(jié)總的輸出轉(zhuǎn)速。這種方式將液壓傳動的無級調(diào)速性能好和機械傳動的穩(wěn)態(tài)效率高這兩方面的優(yōu)點結(jié)合起來，得到一個既有無級變速性能，又有較高效率和較寬高效區(qū)的變速裝置。

按其結(jié)構(gòu)，這種復(fù)合式傳動裝置可分為兩類：第一類為利用行星齒輪差速器分流的外分流式，其中常見的分流傳動機構(gòu)又可分為輸入分流式和輸出分流式兩種根本形式；第二類為利用液壓泵或馬達轉(zhuǎn)子與外殼間的差速運動分流的內(nèi)分流式。

日本小松公司開發(fā)的這種復(fù)合方式的液壓傳動變速器，已經(jīng)應(yīng)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型無級變速器裝備的農(nóng)用拖拉機，到2003年總銷量超過了30000臺。

由此可以看出，這種新型的傳動裝置已日益成為大中功率液力傳動和動力換檔變速器的有力競爭者。

（3）

分時方式

對于作業(yè)速度和非作業(yè)狀態(tài)下轉(zhuǎn)移空駛速度相差懸殊的專用車輛，采用傳統(tǒng)機械變速器用于高速行駛、附加液壓傳動裝置用于低速作業(yè)的方式能很好地滿足這兩種工況的矛盾要求。機械——液壓分時驅(qū)動的方式在此類車輛上的應(yīng)用已很普遍，這一技術(shù)也已被應(yīng)用于飛機除冰車和田間移栽機等需要“爬行速度〞的車輛和機具上。

（4）

分位方式

把液壓馬達直接安裝在車輪內(nèi)的“輪邊液壓驅(qū)動裝置〞是一種輔助液壓驅(qū)動裝置，可以解決工程機械需要提高牽引性能，但又無法采用全輪驅(qū)動方式，難以布置傳統(tǒng)的機械傳動裝置的問題。液壓傳動的無級調(diào)速性能使以不同方式傳動的驅(qū)動輪之間能協(xié)調(diào)同步，這在某種意義上也可視為一種功率分流傳動：動力機的功率被分配到幾組驅(qū)動輪上，經(jīng)地面耦合后產(chǎn)生推動車輛運動的牽引力。目前，許多工程機械制造廠商將這一技術(shù)用于具有局部自走驅(qū)動能力的，諸如自走式平地機和鏟運機這樣的工程機械上。

3.2

液壓與電力傳動的復(fù)合由于現(xiàn)代技術(shù)的開展，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，而液壓與電力傳動在各自功率元件的特性方面各有所長。因此，除了現(xiàn)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(fù)合傳輸方面也有許多成功的實例，如：由變頻或直流調(diào)速電機和高效、低脈動的定量液壓泵構(gòu)成的可變流量液壓油源，用集成安裝的電動泵－液壓缸或低速大扭矩液壓馬達構(gòu)成的電動液壓執(zhí)行單元，以及混合動力工業(yè)車輛的驅(qū)動系統(tǒng)等。

3.3

二次調(diào)節(jié)靜液傳動系統(tǒng)

二次調(diào)節(jié)靜液傳動技術(shù)是通過對液壓元件所進行的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)液壓能與機械能互相轉(zhuǎn)換。一般來說，它的實現(xiàn)是以壓力耦聯(lián)系統(tǒng)為根底的，在一次元件（泵）及二次元件（馬達）間采用定壓力偶合方式，依靠實時調(diào)節(jié)馬達排量來平衡負(fù)荷扭矩。目前，對二次調(diào)節(jié)靜液傳動技術(shù)進行研究的出發(fā)點是對傳動過程進行能量的回收和能量的重新利用，從宏觀的角度對靜液傳動總體結(jié)構(gòu)進行合理的配置以及改善其靜液傳動系統(tǒng)的控制特性。

為了使不具備雙向無級變量能力的液壓馬達和往復(fù)運動的液壓缸也能在二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的恒壓網(wǎng)絡(luò)中運行，出現(xiàn)了利用二次調(diào)節(jié)技術(shù)的“液壓變壓器〞，它類似于電力變壓器用來匹配用戶對系統(tǒng)壓力和流量的不同需求，從而實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的功率匹配。

二次調(diào)節(jié)靜液傳動系統(tǒng)與傳統(tǒng)靜液傳動系統(tǒng)相比，其優(yōu)點是更便于控制，能在四個象限中工作，可在不轉(zhuǎn)變能量形式情況下回收能量，進行能量的存儲，利用液壓蓄能器加速可大大提高加速功率，且系統(tǒng)中無壓力峰值，由于一次元件和二次元件分開安裝，可通過一個泵站給多個液壓動力元件提供油源，減少了冷卻費用，設(shè)備的制造本錢降低，系統(tǒng)效率高。

二次調(diào)節(jié)靜液傳動與電力傳動相比，具有閉環(huán)控制動態(tài)響應(yīng)快、功率密度高、重量輕、安裝空間小等優(yōu)點。

由于二次調(diào)節(jié)靜液傳動系統(tǒng)具有許多優(yōu)點，使它在很多領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用。國外已將其成功應(yīng)用于造船工業(yè)、鋼鐵工業(yè)、大型試驗臺、車輛傳動等領(lǐng)域。奔馳汽車公司已將二次調(diào)節(jié)技術(shù)應(yīng)用于無人駕駛運輸系統(tǒng)中的行駛驅(qū)動。

4、結(jié)束語

自2O世紀(jì)9O年代以來，工程機械進入了一個新的開展時期，新技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得新結(jié)構(gòu)和新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。隨著微電子技術(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開展，對工程機械行走驅(qū)動裝置提出的要求也越來越苛刻。近年來，液壓技術(shù)迅速開展，液壓元件日臻完善，使得液壓傳動在工程機械傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用突飛猛進，液壓傳動所具有的優(yōu)勢也日漸凸現(xiàn)。可以相信，隨著液壓技術(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(jié)合，液壓傳動技術(shù)必將在工程機械行走驅(qū)動系統(tǒng)的開展中發(fā)揮出越來越重要的作用。