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液壓傳動技術在工程機械行走驅動中的應用

發布時間:2017.12.27 新聞來源:鎮江刮刮彩有限責任公司 瀏覽次數:

  1、概述

  行走驅動係統是工程機械的重要組成部分。與工作係統相比,行走驅動係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力等方麵具有良好的能力。於是,采用何種傳動方式,如何更好地滿足各種工程機械行走驅動的需要,一直是工程機械行業所要麵對的課題。尤其是近年來,隨著我國交通、能源等基礎設施建設進程的快速發展,建築施工和資源開發規模不斷擴大,工程機械在市場需求大大增強的同時,更麵臨著作業環境更為苛刻、工況條件更為複雜等所帶來的挑戰,也進一步推動著對其行走驅動係統的深入研究。

  這裏試圖從技術構成及性能特征等角度對液壓傳動技術在工程機械行走驅動係統的發展及其規律進行探討。

  2、基於單一技術的傳動方式

  工程機械行走係統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。現在,液壓和電力傳動的傳動方式也出現在工程機械行走驅動裝置中,充分表明了科學技術發展對這一領域的巨大推動作用。

  2.1 機械傳動

  純機械傳動的發動機平均負荷係數低,因此一般隻能進行有級變速,並且布局方式受到限製。但由於其具有在穩態傳動效率高和製造成本低方麵的優勢,在調速範圍比較小的通用客貨汽車和對經濟性要求苛刻、作業速度恒定的農用拖拉機領域迄今仍然占據著霸主地位。

  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,具有分段無級調速能力。它的突出優點是具有接近於雙曲線的輸出扭矩-轉速特性,配合後置的動力換擋式機械變速器能夠自動匹配負荷並防止動力傳動裝置過載。變矩器的功率密度很大而負荷應力卻較低,大批生產成本也不高等特點使它得以廣泛應用於大中型鏟土運土機械、起重運輸機械領域和汽車、坦克等高速車輛中。但其特性匹配及布局方式受限製,變矩範圍較小,動力製動能力差,不適合用於要求速度穩定的場合。

  2.3 液壓傳動

  與機械傳動相比。液壓傳動更容易實現其運動參數(流量)和動力參數(壓力)的控製,而液壓傳動較之液力傳動具有良好的低速負荷特性。由於具有傳遞效率高,可進行恒功率輸出控製,功率利用充分,係統結構簡單,輸出轉速無級調速,可正、反向運轉,速度剛性大,動作實現容易等突出優點,液壓傳動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到液壓技術的蹤跡,其中不少已成為主要的傳動和控製方式。極限負荷調節閉式回路,發動機轉速控製的恒壓,恒功率組合調節的變量係統開發,給液壓傳動應用於工程機械行走係提供了廣闊的發展前景。

  與純機械和液力傳動相比,液壓傳動的主要優點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和工況的需要,把發動機、驅動輪、工作機構等各部件分別布置在合理的部位,發動機在任一調度轉速下工作,傳動係統都能發揮出較大的牽引力,而且傳動係統在很寬的輸出轉速範圍內仍能保持較高的效率,並能方便地獲得各種優化的動力傳動特性,以適應各種作業的負荷狀態。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動裝置能無級調速,使車輛柔和起步、迅速變速和無衝擊地變換行駛方向。對在作業中需要頻繁起動和變速、經常穿梭行駛的車輛來說這一性能十分寶貴。但與開式回路相比,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要求。

  借助電子技術與液壓技術的結合,可以很方便地實現對液壓係統的各種調節和控製。而計算機控製的引入和各類傳感元件的應用,更極大地擴展了液壓元件的工作範圍。通過傳感器監測工程車輛各種狀態參數,經過計算機運算輸出控製目標指令,使車輛在整個工作範圍內實現自動化控製,機器的燃料經濟性、動力性、作業生產率均達到最佳值。因此,采用液壓傳動可使工程機械易於實現智能化、節能化和環保化,而這已成為當前和未來工程機械的發展趨勢。

  2.4 電力傳動

  電力傳動是由內燃機驅動發電機,產生電能使電動機驅動車輛行走部分運動,通過電子調節係統調節電動機軸的轉速和轉向,具有凋速範圍廣,輸人元件(發電機)、輸出元件(電動機)、及控製裝置可分置安裝等優點。電力傳動最早用於柴油機電動船舶和內燃機車領域,後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。但基於技術和經濟性等方麵的一些原因,適用於行走機械的功率電元件還遠沒有像固定設備用的那樣普及,電力傳動對於大多數行走機械還僅是“未來的技術”。

  3、發展中的複合傳動技術

  從前麵的分析可以看出,應用於工程機械行走驅動係統中的基於單一技術的傳動方式構成簡單、傳動可靠,適用於某些特定的場合和領域。而在大多數的實際應用中,這些傳動技術往往不是孤立存在的,彼此之間都存在著相互的滲透和結合,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節,而新型的機械和液力傳動裝置中也設置了電氣和液壓控製係統。換句話說,采用有針對性的複合集成的方式,可以充分發揮各種傳動方式各自的優勢,揚長避短,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裝置在其中充當著重要角色。

  3.1 液壓與機械和液力傳動的複合

  (1) 串聯方式

  串聯方式是最為簡單和常見的複合方式,是在液壓馬達或液壓變速器的輸出端和驅動橋之間設置機械式變速器以擴大調速的高效區,實現分段的無級變速。目前已廣泛用於裝載機、聯合收獲機和某些特種車輛上。對其的發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動輪內,實現了大變速比的輪邊液壓驅動,因而取消了驅動橋,更便於布局。

  (2) 並聯方式

  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“並聯”分別傳輸功率流的傳動係統,也就是是利用多自由度的行星差速器把發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匯合時可無級調節總的輸出轉速。這種方式將液壓傳動的無級調速性能好和機械傳動的穩態效率高這兩方麵的優點結合起來,得到一個既有無級變速性能,又有較高效率和較寬高效區的變速裝置。

  按其結構,這種複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轉子與外殼間的差速運動分流的內分流式。

  日本小鬆公司開發的這種複合方式的液壓傳動變速器,已經應用在裝載機、推土機等工程機械上。德國Fendt拖拉機生產的采用Vario型無級變速器裝備的農用拖拉機,到2003年總銷量超過了30000台。

  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

  對於作業速度和非作業狀態下轉移空駛速度相差懸殊的專用車輛,采用傳統機械變速器用於高速行駛、附加液壓傳動裝置用於低速作業的方式能很好地滿足這兩種工況的矛盾要求。機械——液壓分時驅動的方式在此類車輛上的應用已很普遍,這一技術也已被應用於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的“輪邊液壓驅動裝置”是一種輔助液壓驅動裝置,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動方式,難以布置傳統的機械傳動裝置的問題。液壓傳動的無級調速性能使以不同方式傳動的驅動輪之間能協調同步,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動輪上,經地麵耦合後產生推動車輛運動的牽引力。目前,許多工程機械製造廠商將這一技術用於具有部分自走驅動能力的,諸如自走式平地機和鏟運機這樣的工程機械上。

  3.2 液壓與電力傳動的複合

  由於現代技術的發展,電子技術在信號處理的能力和速度方麵占有很大的優勢,而液壓與電力傳動在各自功率元件的特性方麵各有所長。因此,除了現在已普遍存在的“電子神經+液壓肌肉”這種模式外,兩者在功率流的複合傳輸方麵也有許多成功的實例,如:由變頻或直流調速電機和高效、低脈動的定量液壓泵構成的可變流量液壓油源,用集成安裝的電動泵-液壓缸或低速大扭矩液壓馬達構成的電動液壓執行單元,以及混合動力工業車輛的驅動係統等。

  3.3 二次調節靜液傳動係統

  二次調節靜液傳動技術是通過對液壓元件所進行的調節來實現液壓能與機械能互相轉換。一般來說,它的實現是以壓力耦聯係統為基礎的,在一次元件(泵)及二次元件(馬達)間采用定壓力偶合方式,依靠實時調節馬達排量來平衡負荷扭矩。目前,對二次調節靜液傳動技術進行研究的出發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構進行合理的配置以及改善其靜液傳動係統的控製特性。

  為了使不具備雙向無級變量能力的液壓馬達和往複運動的液壓缸也能在二次調節係統的恒壓網絡中運行,出現了利用二次調節技術的“液壓變壓器”,它類似於電力變壓器用來匹配用戶對係統壓力和流量的不同需求,從而實現液壓係統的功率匹配。

  二次調節靜液傳動係統與傳統靜液傳動係統相比,其優點是更便於控製,能在四個象限中工作,可在不轉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,且係統中無壓力峰值,由於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,設備的製造成本降低,係統效率高。

  二次調節靜液傳動與電力傳動相比,具有閉環控製動態響應快、功率密度高、重量輕、安裝空間小等優點。

  由於二次調節靜液傳動係統具有許多優點,使它在很多領域得到廣泛地應用。國外已將其成功應用於造船工業、鋼鐵工業、大型試驗台、車輛傳動等領域。奔馳汽車公司已將二次調節技術應用於無人駕駛運輸係統中的行駛驅動。

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