穆立彬

0.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。

1.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?，F(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。

1.1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。

1.2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。

1.3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。

1.4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)”。

2.液壓與機(jī)械和液力傳動(dòng)的復(fù)合

2.1串聯(lián)方式

串聯(lián)方式是最為簡(jiǎn)單和常見的復(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。

2.2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。

2.3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。

2.4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。

2.5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。

2.6二次調(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)。

3.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。 [科]