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液壓傳動(dòng)技術(shù)在行走驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用
1、概述
行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是工程機(jī)械的重要組成部分。與工作系統(tǒng)相比，行走驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)力等方面具有良好的能力。于是，采用何種傳動(dòng)方式，如何更好地滿足各種工程機(jī)械行走驅(qū)動(dòng)的需要，一直是工程機(jī)械行業(yè)所要面對(duì)的課題。尤其是近年來(lái)，隨著我國(guó)交通、能源等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)程的快速發(fā)展，建筑施工和資源開(kāi)發(fā)規(guī)模不斷擴(kuò)大，工程機(jī)械在市場(chǎng)需求大大增強(qiáng)的同時(shí)，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(lái)的挑戰(zhàn)，也進(jìn)一步推動(dòng)著對(duì)其行走驅(qū)動(dòng)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(duì)液壓傳動(dòng)技術(shù)在工程機(jī)械行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展及其規(guī)律進(jìn)行探討。
2、基于單一技術(shù)的傳動(dòng)方式
工程機(jī)械行走系統(tǒng)最初主要采用機(jī)械傳動(dòng)和液力機(jī)械傳動(dòng)(全液壓挖掘機(jī)除外)方式。現(xiàn)在，液壓和電力傳動(dòng)的傳動(dòng)方式也出現(xiàn)在工程機(jī)械行走驅(qū)動(dòng)裝置中，充分表明了科學(xué)技術(shù)發(fā)展對(duì)這一領(lǐng)域的巨大推動(dòng)作用。
2.1 機(jī)械傳動(dòng)
純機(jī)械傳動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)平均負(fù)荷系數(shù)低，因此一般只能進(jìn)行有級(jí)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(dòng)效率高和制造成本低方面的優(yōu)勢(shì)，在調(diào)速范圍比較小的通用客貨汽車和對(duì)經(jīng)濟(jì)性要求苛刻、作業(yè)速度恒定的農(nóng)用拖拉機(jī)領(lǐng)域迄今仍然占據(jù)著霸主地位。
2.2 液力傳動(dòng)
液力傳動(dòng)用變矩器取代了機(jī)械傳動(dòng)中的離合器，具有分段無(wú)級(jí)調(diào)速能力。它的突出優(yōu)點(diǎn)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(dòng)力換擋式機(jī)械變速器能夠自動(dòng)匹配負(fù)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(fù)荷應(yīng)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(yīng)用于大中型鏟土運(yùn)土機(jī)械、起重運(yùn)輸機(jī)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(dòng)力制動(dòng)能力差，不適合用于要求速度穩(wěn)定的場(chǎng)合。
2.3 液壓傳動(dòng)
與機(jī)械傳動(dòng)相比。液壓傳動(dòng)更容易實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)參數(shù)(流量)和動(dòng)力參數(shù)(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(fù)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(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出轉(zhuǎn)速無(wú)級(jí)調(diào)速，可正、反向運(yùn)轉(zhuǎn)，速度剛性大，動(dòng)作實(shí)現(xiàn)容易等突出優(yōu)點(diǎn)，液壓傳動(dòng)在工程機(jī)械中得到了廣泛的應(yīng)用。幾乎所有工程機(jī)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(fù)荷調(diào)節(jié)閉式回路，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制的恒壓，恒功率組合調(diào)節(jié)的變量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，給液壓傳動(dòng)應(yīng)用于工程機(jī)械行走系提供了廣闊的發(fā)展前景。
與純機(jī)械和液力傳動(dòng)相比，液壓傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是其調(diào)節(jié)的便捷性和布局的靈活性，可根據(jù)工程機(jī)械的形態(tài)和工況的需要，把發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪、工作機(jī)構(gòu)等各部件分別布置在合理的部位，發(fā)動(dòng)機(jī)在任一調(diào)度轉(zhuǎn)速下工作，傳動(dòng)系統(tǒng)都能發(fā)揮出較大的牽引力，而且傳動(dòng)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(dòng)力傳動(dòng)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(jī)械中所采用的帶閉式油路的行走液壓驅(qū)動(dòng)裝置能無(wú)級(jí)調(diào)速，使車輛柔和起步、迅速變速和無(wú)沖擊地變換行駛方向。對(duì)在作業(yè)中需要頻繁起動(dòng)和變速、經(jīng)常穿梭行駛的車輛來(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(shè)計(jì)、安裝調(diào)試以及維護(hù)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(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)的各種調(diào)節(jié)和控制。而計(jì)算機(jī)控制的引入和各類傳感元件的應(yīng)用，更極大地?cái)U(kuò)展了液壓元件的工作范圍。通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)工程車輛各種狀態(tài)參數(shù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算輸出控制目標(biāo)指令，使車輛在整個(gè)工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，機(jī)器的燃料經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、作業(yè)生產(chǎn)率均達(dá)到最佳值。因此，采用液壓傳動(dòng)可使工程機(jī)械易于實(shí)現(xiàn)智能化、節(jié)能化和環(huán)�；@已成為當(dāng)前和未來(lái)工程機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)。
2.4 電力傳動(dòng)
電力傳動(dòng)是由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生電能使電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行走部分運(yùn)動(dòng)，通過(guò)電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，具有凋速范圍廣，輸人元件(發(fā)電機(jī))、輸出元件(電動(dòng)機(jī))、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(jī)電動(dòng)船舶和內(nèi)燃機(jī)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(jī)械上，近年來(lái)又出現(xiàn)了柴油機(jī)電力傳動(dòng)的叉車和牽引車等中小型起重運(yùn)輸車輛。但基于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性等方面的一些原因，適用于行走機(jī)械的功率電元件還遠(yuǎn)沒(méi)有像固定設(shè)備用的那樣普及，電力傳動(dòng)對(duì)于大多數(shù)行走機(jī)械還僅是“未來(lái)的技術(shù)”。
3、發(fā)展中的復(fù)合傳動(dòng)技術(shù)
從前面的分析可以看出，應(yīng)用于工程機(jī)械行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的基于單一技術(shù)的傳動(dòng)方式構(gòu)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(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，這些傳動(dòng)技術(shù)往往不是孤立存在的，彼此之間都存在著相互的滲透和結(jié)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(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，而新型的機(jī)械和液力傳動(dòng)裝置中也設(shè)置了電氣和液壓控制系統(tǒng)。換句話說(shuō)，采用有針對(duì)性的復(fù)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(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，從而獲得最佳的綜合效益。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(dòng)裝置在其中充當(dāng)著重要角色。
3.1 液壓與機(jī)械和液力傳動(dòng)的復(fù)合
(1) 串聯(lián)方式
串聯(lián)方式是最為簡(jiǎn)單和常見(jiàn)的復(fù)合方式，是在液壓馬達(dá)或液壓變速器的輸出端和驅(qū)動(dòng)橋之間設(shè)置機(jī)械式變速器以擴(kuò)大調(diào)速的高效區(qū)，實(shí)現(xiàn)分段的無(wú)級(jí)變速。目前已廣泛用于裝載機(jī)、聯(lián)合收獲機(jī)和某些特種車輛上。對(duì)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(qū)動(dòng)輪內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了大變速比的輪邊液壓驅(qū)動(dòng)，因而取消了驅(qū)動(dòng)橋，更便于布局。
(2) 并聯(lián)方式
即為通常所稱的“液壓機(jī)械功率分流傳動(dòng)”，可理解為一種將液壓與機(jī)械裝置“并聯(lián)”分別傳輸功率流的傳動(dòng)系統(tǒng)，也就是是利用多自由度的行星差速器把發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率分成液壓的和機(jī)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(jí)調(diào)節(jié)總的輸出轉(zhuǎn)速。這種方式將液壓傳動(dòng)的無(wú)級(jí)調(diào)速性能好和機(jī)械傳動(dòng)的穩(wěn)態(tài)效率高這兩方面的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，得到一個(gè)既有無(wú)級(jí)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(dòng)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(jiàn)的分流傳動(dòng)機(jī)構(gòu)又可分為輸入分流式和輸出分流式兩種基本形式;第二類為利用液壓泵或馬達(dá)轉(zhuǎn)子與外殼間的差速運(yùn)動(dòng)分流的內(nèi)分流式。
日本小松公司開(kāi)發(fā)的這種復(fù)合方式的液壓傳動(dòng)變速器，已經(jīng)應(yīng)用在裝載機(jī)、推土機(jī)等工程機(jī)械上。德國(guó)Fendt拖拉機(jī)生產(chǎn)的采用Vario型無(wú)級(jí)變速器裝備的農(nóng)用拖拉機(jī)，到2003年總銷量超過(guò)了30000臺(tái)。
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(jìng)爭(zhēng)者。
(3) 分時(shí)方式
對(duì)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(jī)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)的方式能很好地滿足這兩種工況的矛盾要求。機(jī)械——液壓分時(shí)驅(qū)動(dòng)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(jī)除冰車和田間移栽機(jī)等需要“爬行速度”的車輛和機(jī)具上。
(4) 分位方式
把液壓馬達(dá)直接安裝在車輪內(nèi)的“輪邊液壓驅(qū)動(dòng)裝置”是一種輔助液壓驅(qū)動(dòng)裝置，可以解決工程機(jī)械需要提高牽引性能，但又無(wú)法采用全輪驅(qū)動(dòng)方式，難以布置傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)裝置的問(wèn)題。液壓傳動(dòng)的無(wú)級(jí)調(diào)速性能使以不同方式傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)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(dòng):動(dòng)力機(jī)的功率被分配到幾組驅(qū)動(dòng)輪上，經(jīng)地面耦合后產(chǎn)生推動(dòng)車輛運(yùn)動(dòng)的牽引力。目前，許多工程機(jī)械制造廠商將這一技術(shù)用于具有部分自走驅(qū)動(dòng)能力的，諸如自走式平地機(jī)和鏟運(yùn)機(jī)這樣的工程機(jī)械上。
3.2 液壓與電力傳動(dòng)的復(fù)合
由于現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)在信號(hào)處理的能力和速度方面占有很大的優(yōu)勢(shì)，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(zhǎng)。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(shí)例，如:由變頻或直流調(diào)速電機(jī)和高效、低脈動(dòng)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(dòng)泵-液壓缸或低速大扭矩液壓馬達(dá)構(gòu)成的電動(dòng)液壓執(zhí)行單元，以及混合動(dòng)力工業(yè)車輛的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。
3.3 二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)系統(tǒng)
二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)技術(shù)是通過(guò)對(duì)液壓元件所進(jìn)行的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓能與機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換。一般來(lái)說(shuō)，它的實(shí)現(xiàn)是以壓力耦聯(lián)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的，在一次元件(泵)及二次元件(馬達(dá))間采用定壓力偶合方式，依靠實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)馬達(dá)排量來(lái)平衡負(fù)荷扭矩。目前，對(duì)二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)技術(shù)進(jìn)行研究的出發(fā)點(diǎn)是對(duì)傳動(dòng)過(guò)程進(jìn)行能量的回收和能量的重新利用，從宏觀的角度對(duì)靜液傳動(dòng)總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的配置以及改善其靜液傳動(dòng)系統(tǒng)的控制特性。
為了使不具備雙向無(wú)級(jí)變量能力的液壓馬達(dá)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(yùn)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(lái)匹配用戶對(duì)系統(tǒng)壓力和流量的不同需求，從而實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的功率匹配。
二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)靜液傳動(dòng)系統(tǒng)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(zhuǎn)變能量形式情況下回收能量，進(jìn)行能量的存儲(chǔ)，利用液壓蓄能器加速可大大提高加速功率，且系統(tǒng)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(fèi)用，設(shè)備的制造成本降低，系統(tǒng)效率高。
二次調(diào)節(jié)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(yīng)快、功率密度高、重量輕、安裝空間小等優(yōu)點(diǎn)。
由于二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)，使它在很多領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用。國(guó)外已將其成功應(yīng)用于造船工業(yè)、鋼鐵工業(yè)、大型試驗(yàn)臺(tái)、車輛傳動(dòng)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(wú)人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)中的行駛驅(qū)動(dòng)。
4、結(jié)束語(yǔ)
自2O世紀(jì)9O年代以來(lái)，工程機(jī)械進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)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(jī)械的滲透，工程機(jī)械日益向智能化和機(jī)電一體化方向發(fā)展，對(duì)工程機(jī)械行走驅(qū)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(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用突飛猛進(jìn)，液壓傳動(dòng)所具有的優(yōu)勢(shì)也日漸凸現(xiàn)�？梢韵嘈�，隨著液壓技術(shù)與微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)以及傳感技術(shù)的緊密結(jié)合，液壓傳動(dòng)技術(shù)必將在工程機(jī)械行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展中發(fā)揮出越來(lái)越重要的作用。
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