孟兆生，岳彩霞

（1.黑龍江工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150050；2.黑龍江工程學(xué)院教育發(fā)展與改革研究中心，黑龍江哈爾濱150050）

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基于液壓靜壓傳動(dòng)的工程機(jī)械行走驅(qū)動(dòng)研究

孟兆生1，岳彩霞2

（1.黑龍江工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150050；2.黑龍江工程學(xué)院教育發(fā)展與改革研究中心，黑龍江哈爾濱150050）

摘 要：將液壓靜壓系統(tǒng)應(yīng)用于工程機(jī)械的行走傳動(dòng)系統(tǒng)，便于對(duì)行走系統(tǒng)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，同時(shí)可以提高工程機(jī)械的功率范圍。利用靜壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)相應(yīng)的控制和調(diào)節(jié)能夠與具體的機(jī)器的功率曲線進(jìn)行最佳的匹配。

關(guān)鍵詞：液壓靜壓傳動(dòng)；行走驅(qū)動(dòng)；控制與調(diào)節(jié)

為提高工程機(jī)械效益，使液壓靜壓行走傳動(dòng)應(yīng)用范圍得以擴(kuò)展，基于液壓靜壓優(yōu)點(diǎn)創(chuàng)建了新型的輪胎式裝載機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)，這種傳動(dòng)方案也可以應(yīng)用到其他工程機(jī)械［1］。

一般情況下，對(duì)工程機(jī)械的基本要求有3個(gè)方面：減少營(yíng)運(yùn)費(fèi)用、較高使用效率和生產(chǎn)率［2］；同時(shí)還有兩個(gè)輔助要求：提高舒適性和利于環(huán)保［3］。在這5個(gè)要求的前提下，對(duì)控制和調(diào)節(jié)系統(tǒng)要達(dá)到的目標(biāo)是：操作簡(jiǎn)單；最佳的人機(jī)工程學(xué)和功能特性；較低的燃料消耗；降低廢氣和噪聲的排放。

下面通過(guò)原有驅(qū)動(dòng)策略與新型驅(qū)動(dòng)策略的對(duì)比來(lái)說(shuō)明利用已有的控制和調(diào)節(jié)系統(tǒng)滿足上述要求的程度，以及液壓靜壓新型方案解決策略。

1　對(duì)原有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械的控制和調(diào)節(jié)系統(tǒng)

以大型輪胎式裝載機(jī)、集成裝載機(jī)和裝載挖掘機(jī)3種標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械為例進(jìn)行說(shuō)明。

1.1大型輪胎式裝載機(jī)

大型輪胎式裝載機(jī)一般是指功率等級(jí)在60kW以上的行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如圖1所示。自動(dòng)調(diào)節(jié)（DA）［4］滿足了操作簡(jiǎn)單的要求，并在很大程度上減輕了司機(jī)的負(fù)擔(dān)。不僅如此，利用這種行走自動(dòng)變速使其在這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的市場(chǎng)占有了領(lǐng)先地位。

圖1　液壓靜壓標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)

牽引力和速度的預(yù)給值取決于轉(zhuǎn)速，也就是說(shuō)相似于轎車的自動(dòng)變速器通過(guò)油門的改變來(lái)完成。利用極限負(fù)載調(diào)節(jié)使柴油機(jī)提供的功率利用至最佳成為可能。利用一個(gè)點(diǎn)動(dòng)裝置可以將在任意工作點(diǎn)取決于轉(zhuǎn)速的預(yù)給行程速度減至0，從而使車輛停止運(yùn)動(dòng)。除液壓靜壓制動(dòng)外，在行走和工作液壓間的功率分配也是可能的［5］。

次級(jí)邊大多數(shù)采用帶有高壓調(diào)節(jié)的液壓馬達(dá)A6VM。在專門為行走傳動(dòng)而設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)型式中，還可以將這種馬達(dá)通過(guò)被稱為Vgmax的回路保持在大排量，以此讓其實(shí)現(xiàn)事先確定的作業(yè)過(guò)程。這一點(diǎn)可以提供在一定的工作中更好的速度連續(xù)性，例如推開(kāi)母體地面。此外，該馬達(dá)具有一個(gè)“換向閥”，利用它可以按行走方向啟閉用于HA調(diào)節(jié)器的高壓信號(hào)，由此避免制動(dòng)時(shí)無(wú)控制的調(diào)節(jié)過(guò)程［6］。

圖2　DA調(diào)節(jié)液壓機(jī)械式

1.2集成裝載機(jī)

這種裝載機(jī)是一種輪側(cè)轉(zhuǎn)向機(jī)械，亦即轉(zhuǎn)向以及行走速度的給定是通過(guò)以串聯(lián)形式設(shè)計(jì)的變量泵的供油量來(lái)完成的，如圖3所示。

圖3　集成挖掘機(jī)-輪側(cè)轉(zhuǎn)向

隨著集成裝載機(jī)的發(fā)展，它正在成為一種具有加裝附加工具可能性的通用工程機(jī)械。由此對(duì)這種機(jī)械提出了新的要求，就是用相應(yīng)的泵調(diào)節(jié)系統(tǒng)取代至今為止的機(jī)械式直動(dòng)泵調(diào)節(jié)。通過(guò)使用符合人機(jī)工程的操作元件（操作元件TH6及TH7）來(lái)操作行走液壓中的液壓直動(dòng)式液壓泵和工作液壓部分的控制閥，達(dá)到明顯改善“集成裝載機(jī)”工作位置狀況的目的。柴油機(jī)過(guò)載保護(hù)以及行走和工作液壓間按需求的功率分配借助于DA系統(tǒng)的極限負(fù)載調(diào)節(jié)功能（GLR）能夠全面得到滿足，由此可以進(jìn)一步降低司機(jī)的負(fù)擔(dān)［7］。

1.3裝載挖掘機(jī)

裝載挖掘機(jī)是一種多方位應(yīng)用的機(jī)械。為了滿足在建筑工地上工作位置變換的要求，為傳動(dòng)系統(tǒng)提供了下述選擇：

1）牽引力限制。借助于一個(gè)電動(dòng)操縱式卸荷閥（壓力峰值截止）可以將最大牽引力與具體的地面狀況進(jìn)行匹配。由此，可以避免輪子打滑以及由此而引起的輪胎磨損［8］。

2）慢速功能。通過(guò)一個(gè)疊加式電動(dòng)比例控制實(shí)現(xiàn)慢速運(yùn)動(dòng)。在此，柴油機(jī)油門恒定運(yùn)作，行走速度通過(guò)EP控制元件給定。多余的柴油機(jī)功率提供給工作油壓［9］。

2　功率等級(jí)提高的裝載機(jī)控制策略

通過(guò)創(chuàng)新的傳動(dòng)系統(tǒng)，利用液壓靜壓可以有效地提高功率等級(jí)范圍。這套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案采用兩臺(tái)液壓馬達(dá)，其中最少有1臺(tái)由合成變速器組成，這個(gè)變速器利用一個(gè)或多個(gè)換擋離合器達(dá)到相應(yīng)的功率和變矩范圍。總體優(yōu)點(diǎn)是：這種傳動(dòng)方案在全部變矩范圍可以無(wú)極運(yùn)行而沒(méi)有拉力的中斷，以及在傳動(dòng)中無(wú)“沖擊”換擋。

與這種傳動(dòng)方案相競(jìng)爭(zhēng)的仍然是機(jī)械式負(fù)載換擋式傳動(dòng)。

2.1負(fù)載換擋變速器

通過(guò)使用壓力模塊摩擦離合器，可以較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)換擋質(zhì)量的優(yōu)化。根據(jù)車輛行駛速度，離合器換擋及由此引起的牽引力，中斷時(shí)間大約在0.3s。這個(gè)數(shù)值在裝載運(yùn)行能夠接受的范圍［10］。

換擋質(zhì)量的改善首先歸功于液壓靜壓傳動(dòng)的調(diào)節(jié)戰(zhàn)略。通過(guò)DA調(diào)節(jié)的應(yīng)用，由取決于轉(zhuǎn)速和負(fù)載的液壓靜壓傳動(dòng)狀態(tài)所決定在向上換擋和向下?lián)Q擋時(shí)能夠達(dá)到同步運(yùn)動(dòng)，如圖4所示［11］。

圖4　HST+換擋變速器功能

2.2合成變速器+2臺(tái)液壓馬達(dá)

在所舉的例子中顯示了一種全液壓靜壓傳動(dòng)帶一個(gè)簡(jiǎn)單的合成變速器。變量泵為DA調(diào)節(jié)式，2臺(tái)馬達(dá)為HA調(diào)節(jié)式。用于兩個(gè)HA調(diào)節(jié)器的壓力信號(hào)，通過(guò)1個(gè)換向閥，根據(jù)行走方向分配。由此，再加上2個(gè)壓力調(diào)節(jié)器的分級(jí)調(diào)定，從而達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)狀況［12］。

通過(guò)2臺(tái)液壓馬達(dá)的Vgamx回路能夠預(yù)選3種行走范圍。按照這種傳動(dòng)方式目前的發(fā)展?fàn)顩r，可以在功率等級(jí)50～75kW的機(jī)械中達(dá)到行走速度35km/h，如圖5所示。

圖5　行駛曲線

2.3可換擋式合成變速器+2臺(tái)液壓馬達(dá)

傳動(dòng)裝置的全部次級(jí)部分（變速器帶4個(gè)換擋離合器）要求一個(gè)由微控制器控制的自動(dòng)換擋過(guò)程。換擋過(guò)程中的轉(zhuǎn)速同步通過(guò)液壓馬達(dá)排量的電動(dòng)比例調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)這些都通過(guò)轉(zhuǎn)速來(lái)完成，也就是說(shuō)，液壓馬達(dá)的調(diào)節(jié)是由電子儲(chǔ)存的特性曲線完成的，轉(zhuǎn)速為排量的函數(shù)，如圖6所示。

圖6　HST+可換擋式合成變速器

3　展 望

下一步的發(fā)展方向是將泵調(diào)節(jié)（目前的液壓機(jī)械DA）并入MC控制。其先決條件是應(yīng)用具有電動(dòng)調(diào)節(jié)單元的液壓泵。這些可以通過(guò)使用DRE閥來(lái)實(shí)現(xiàn)［13］。

通過(guò)微控器實(shí)際上可以預(yù)給任意一條特性曲線，以達(dá)到明顯改善柴油機(jī)安裝功率利用情況，并且?guī)?lái)在柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速下具有較高的機(jī)械性能指標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)，也就是說(shuō)，具有較低的噪音放射和廢氣排放［14］。

這種形式的電子調(diào)節(jié)應(yīng)用在平地機(jī)中，以特定的要求形狀為土方移動(dòng)應(yīng)用帶來(lái)明顯優(yōu)勢(shì)，如此可以利用牽引力在前輪和后輪之間進(jìn)行不同的預(yù)給，并且調(diào)定相應(yīng)的轉(zhuǎn)差，在大范圍內(nèi)避免輪子打滑和機(jī)器的凹陷。

所舉例子表明，液壓靜壓的優(yōu)點(diǎn)通過(guò)使用相應(yīng)的控制和調(diào)節(jié)能夠與具體的機(jī)器的功能曲線達(dá)到最佳匹配［15］。

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［責(zé)任編輯：郝麗英］

A study of travel driving control of engineering machinery on hydrostatic transmission

MENG Zhaosheng
（1.Heilongjiang Institute of Technology，Harbin 150050，China；2.Research Center of Education Development and Reform，Heilongjiang Institute of Technology，Harbin 150050，China）

Abstract：The hydrostatic transmission can be applied to the travel driving system of engineering machinery in order to control and regulate this system and expand the power scope of the machinery.Through the relative control and regulation，the advantages of hydrostatic transmission are proposed to obtain the best matching with power curves of certain machine.

Key words：hydrostatic transmission；travel driving；control and regulation

中圖分類號(hào)：TH137

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-4679（2016）02-0020-04

收稿日期：2016-01-09

作者簡(jiǎn)介：孟兆生（1964-），男，教授，研究方向：機(jī)械工程.