張 利

山東泰豐液壓股份有限公司

工程機(jī)械液壓行走系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及理論研究

張 利

山東泰豐液壓股份有限公司

當(dāng)前，隨著工程建設(shè)的發(fā)展，各種機(jī)械設(shè)備得到了廣泛的運(yùn)用。在現(xiàn)代工程機(jī)械工程中，匹配控制技術(shù)的應(yīng)用，液壓系統(tǒng)是主要的技術(shù)之一，液壓系統(tǒng)借助計(jì)算機(jī)技術(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，提高了工程機(jī)械的工作效率和節(jié)能效果。而液壓行走系統(tǒng)能很好地滿足工程機(jī)械作業(yè)時(shí)力和速度變化急劇、頻繁等苛刻條件，使之獲得穩(wěn)定的行走、轉(zhuǎn)向和變速性能，所以液壓系統(tǒng)在工程機(jī)械行走機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用日趨廣泛。為之就此進(jìn)行分析。

工程機(jī)械；液壓行走系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；理論

1. 液壓行走系統(tǒng)的基本型式

1.1 開(kāi)式和閉式系統(tǒng)

按油液循環(huán)方式的不同，可分為開(kāi)式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)。

開(kāi)式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，構(gòu)成靈活，但油箱體積大，油液常與空氣接觸，工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)要在回油路上加背壓以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，換向過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)液壓沖擊和能量損失系統(tǒng)效率低，只是在一些小型車輛上偶爾采用帶有平衡背壓的開(kāi)式回路。

閉式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)性好。內(nèi)設(shè)補(bǔ)油泵，以補(bǔ)償系統(tǒng)的泄漏并對(duì)油液冷卻，同時(shí)也為控制機(jī)構(gòu)和某些低壓工作的輔助機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力。工作機(jī)構(gòu)的變速和換向通過(guò)調(diào)節(jié)泵或馬達(dá)的變量機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，避免了在開(kāi)式系統(tǒng)換向過(guò)程中所出現(xiàn)的液壓沖擊和能量損失系統(tǒng)效率較開(kāi)式系統(tǒng)高。

1.2 高速和低速方案

按驅(qū)動(dòng)輪是否直接由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，可分為低速和高速兩種方案。

低速方案低速大扭矩液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)車輪。安裝空間小功率損失小和機(jī)械噪聲低降低了驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，有利于提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)和減少?zèng)_擊負(fù)荷，但馬達(dá)要承受各種徑向和軸向載荷。

高速方案采用高速馬達(dá)，通過(guò)減速器減速來(lái)提高輸出轉(zhuǎn)矩，利用中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)來(lái)分擔(dān)徑向和軸向載荷。通過(guò)選擇減速比，可方便地匹配主機(jī)參數(shù)，對(duì)馬達(dá)的承載要求相對(duì)較低。

1.3 功率分流液壓行走系統(tǒng)

功率分流液壓行走系統(tǒng)就是把行星差動(dòng)輪系與液壓調(diào)速裝置組合起來(lái)，把發(fā)動(dòng)機(jī)輸入的功率流分為可無(wú)級(jí)調(diào)速的液壓功率流和高效率的機(jī)械功率流，然后經(jīng)匯流行星排把兩路匯合起來(lái)。此項(xiàng)技術(shù)把液壓傳動(dòng)的無(wú)級(jí)調(diào)速性和機(jī)械傳動(dòng)穩(wěn)態(tài)效率高這兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，因此不僅具有無(wú)級(jí)變速性能，又有較高的效率和較寬的高效區(qū)。根據(jù)小松公司有關(guān)資料，液壓機(jī)械傳動(dòng)與液力機(jī)械相比，裝載機(jī)作業(yè)量最大可提高30%，燃料經(jīng)濟(jì)性最大可提高25%。

在功率分流傳動(dòng)中，液壓系統(tǒng)主要起調(diào)速作用，機(jī)械系統(tǒng)主要用來(lái)傳遞動(dòng)力。液壓傳動(dòng)一般用在150KW以下的場(chǎng)合，而功率分流液壓行走系統(tǒng)通常為40—400KW，如果限定變速范圍則有可能達(dá)到735KW。這種液壓行走系統(tǒng)的總效率一般可達(dá)到90—95%。

2.液壓行走系統(tǒng)的基本工作原理

本文以某小型輪式攤鋪機(jī)為例，通過(guò)分析該攤鋪機(jī)行走液壓系統(tǒng)原理，介紹每種行走模式特點(diǎn)，闡述如何根據(jù)工況選擇行走模式。

2.1 結(jié)構(gòu)和原理

該攤鋪機(jī)最大攤鋪寬度為4.5m，最大攤鋪厚度為280mm。該機(jī)共有6個(gè)行走輪，其中4個(gè)為驅(qū)動(dòng)輪。

該攤鋪機(jī)行駛系統(tǒng)采用全液壓驅(qū)動(dòng)，由單行走泵1驅(qū)動(dòng)，通過(guò)液壓差速鎖2、前驅(qū)輔助閥3驅(qū)動(dòng)前行走馬達(dá)(7， 8 )和后主行走馬達(dá)(4，9)使攤鋪機(jī)行駛，如圖1所示。

(1)行走泵。行走泵1采用力士樂(lè)A10VG45EP型電比例雙向變量泵，該泵帶有壓力切斷和高壓溢流功能，通過(guò)給排量控制閥的電磁閥(A6 ， A7 )通電，實(shí)現(xiàn)攤鋪機(jī)前進(jìn)、后退及行駛速度控制。

(2)行走馬達(dá)。前行走馬達(dá)(}， s)為力士樂(lè)MCR03F400徑向柱塞定量馬達(dá)。后主行走馬達(dá)(4， 9 )為力士樂(lè)A6VE55EZ型電控變量馬達(dá)，電磁閥( A10， A11 )用以控制變量馬達(dá)的變量，以實(shí)現(xiàn)攤鋪機(jī)高速行駛擋和低速作業(yè)擋的切換。

(3)驅(qū)動(dòng)控制。左、右側(cè)行走馬達(dá)的同步及差速，由差速鎖2控制，差速鎖2采用德國(guó)布赫MTI6DVD型調(diào)速閥。通過(guò)給液壓差速鎖2的電磁閥(Al)通電或斷電，實(shí)現(xiàn)定流量分流和隨機(jī)流量分流，從而實(shí)現(xiàn)左、右側(cè)行走馬達(dá)的同步及差速的切換。差速鎖2與前驅(qū)輔助閥3的電磁閥( A2，A3，A4，A5)的通斷，實(shí)現(xiàn)攤鋪機(jī)后驅(qū)同步、后驅(qū)不同步、四驅(qū)同步、四驅(qū)前輪同步4種行走模式。

(4)被拖拽功能。前行走馬達(dá)(7， 8)殼體的回油油路通過(guò)過(guò)油塊6、再通過(guò)單向閥5與液壓油箱連接，該攤鋪機(jī)液壓轉(zhuǎn)向器的回油(10L/min)也通過(guò)過(guò)油塊6，過(guò)油塊6回液壓油箱管路上的單向閥設(shè)定壓力為0.2MPao 2股回油能夠保證前行走馬達(dá)殼體內(nèi)始終有0.2MPa背壓。

3.液壓行走系統(tǒng)在工程機(jī)械上的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

3.1 裝載機(jī)液壓行走系統(tǒng)

HST裝載機(jī)是全液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械，行走和工作裝置可實(shí)現(xiàn)綜合控制。目前，世界上先進(jìn)國(guó)家新開(kāi)發(fā)的小型裝載機(jī)幾乎已100%采用HST，并有向大型裝載機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)。與傳統(tǒng)的液力機(jī)械裝載機(jī)相比，具有很大的優(yōu)勢(shì)：液壓傳動(dòng)元件位置獨(dú)立，布置方便；在全車速范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，其發(fā)動(dòng)機(jī)功率利用率好，傳動(dòng)綜合效率比到傳動(dòng)高，油耗較低；行走微動(dòng)性能好，卸載靠近卡車需要微動(dòng)性能，車可通過(guò)微動(dòng)踏板，改變變量泵斜盤(pán)傾角，使車速平穩(wěn)連續(xù)變化。

液壓系統(tǒng)采用變量馬達(dá)，其控制裝置由前進(jìn)后退梭形閥，伺服閥和變量油缸組成。

液壓馬達(dá)的排量由伺服油缸活塞桿位置確定，其位置由伺服閥控制。伺服閥閥芯右端受控制液壓泵排量的先導(dǎo)油壓作用，其閥芯左端受靜壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)油壓反饋?zhàn)饔煤蛷椈闪ψ饔?。伺服閥在液壓泵先導(dǎo)油壓、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)油壓和彈簧力作用下取得平衡，確定其位置。伺服閥芯位置確定伺服變量油缸活塞桿位置，活塞桿位置確定液壓馬達(dá)排量。從力平衡可知隨著系統(tǒng)油壓增加，液壓馬達(dá)排量增大，隨著液壓泵先導(dǎo)控制油壓上升，液壓馬達(dá)排量下降。

液壓馬達(dá)排量隨液壓泵先導(dǎo)控制油壓發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升而下降，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速狀態(tài)時(shí)，液壓馬達(dá)排量處于最大位置，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升，液壓馬達(dá)排量逐漸減小。

前進(jìn)后退梭形閥的作用是前進(jìn)后退變化時(shí)，實(shí)現(xiàn)高低壓油路轉(zhuǎn)換。

3.2 振動(dòng)壓路機(jī)液壓行走系統(tǒng)

振動(dòng)壓路機(jī)采用液壓行走系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的無(wú)級(jí)變速，同時(shí)使換向更加輕便柔和減輕操作人員的工作強(qiáng)度，司機(jī)只需將發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)拉到最大位置，通過(guò)調(diào)節(jié)變量泵的斜盤(pán)傾角就可以很容易的設(shè)定行駛速度。

振動(dòng)壓路機(jī)的行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般由以下幾部分組成：

(1)泵—馬達(dá)閉式驅(qū)動(dòng)油路系統(tǒng)：采用雙向變量泵，定量或有級(jí)變量馬達(dá)，與輪邊減速器制成一體的車輪馬達(dá)，內(nèi)置彈簧制動(dòng)油壓放松制動(dòng)器，結(jié)構(gòu)緊湊。閉式回路中的馬達(dá)通常并聯(lián)，以保證有足夠大的輸出轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)車輪。

(2)冷卻補(bǔ)油限壓系統(tǒng)：補(bǔ)油泵、補(bǔ)油壓力閥、補(bǔ)油單向閥，洗冷卻閥和限壓卸載閥等組成。

(3)操縱控制系統(tǒng)：油泵變量操縱機(jī)構(gòu)、制動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)。

一般情況下，壓路機(jī)用方向操縱桿制動(dòng)，即靜壓制動(dòng)，當(dāng)方向操縱桿處于中位時(shí)，驅(qū)動(dòng)泵的排量為零，沒(méi)有油液進(jìn)行主回路，壓路機(jī)在慣性的作用下停車，此時(shí)制動(dòng)器不工作，始終是脫開(kāi)的。

當(dāng)進(jìn)行停車制動(dòng)和緊急制動(dòng)時(shí)，操縱電磁制動(dòng)閥，由車輪制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)制動(dòng)：切斷電磁制動(dòng)閥，補(bǔ)油泵的壓力油不能進(jìn)入制動(dòng)器，制動(dòng)器與油箱相通，靠彈簧壓緊摩擦片實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，并且制動(dòng)按鈕不起作用的情況下，補(bǔ)油泵的壓力油通過(guò)制動(dòng)閥進(jìn)入制動(dòng)器，頂開(kāi)彈簧，脫開(kāi)摩擦片，壓路機(jī)可以正常行走。

結(jié)束語(yǔ)

采用液壓行走系統(tǒng)的工程機(jī)械，在操縱、控制、布局、功率利用率等各個(gè)方面，其性能都是一個(gè)巨大的飛躍。為此，我們需要提高工程機(jī)械液壓行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)的水平，使其能夠更好的促進(jìn)工程建設(shè)的發(fā)展。

[1]雷晶濤，朱毅.工程機(jī)械行走系統(tǒng)液壓元件的參數(shù)選擇與動(dòng)力匹配[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2015，01：81-83.

[2]陳建華，曹金娟.工程機(jī)械車輛制動(dòng)系統(tǒng)中液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[J].液壓與氣動(dòng)，2012，02：109-111.

[3]高立龍，王新晴，蔣文峰.基于ARM的工程機(jī)械液壓系統(tǒng)故障檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2012，09：16-19.