靜液壓驅(qū)動及滑移轉(zhuǎn)向底盤液壓系統(tǒng)的設(shè)計

陳晨

（鐵建重工新疆有限公司，新疆烏魯木齊 830009）

0 引言

靜液壓驅(qū)動技術(shù)能實現(xiàn)無級調(diào)速，具有功率密度大、控制方式靈活和布局方便等諸多優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械、礦山機(jī)械、起重運(yùn)輸機(jī)械、工程機(jī)械等多個領(lǐng)域[1]。農(nóng)業(yè)機(jī)械行走裝置采用靜液壓驅(qū)動技術(shù)至今已有60多年的歷史[2]，近20年發(fā)展尤為迅速。從國內(nèi)各地的農(nóng)機(jī)展覽會上不難發(fā)現(xiàn)，各廠家的農(nóng)用機(jī)械產(chǎn)品，如自走式箱式采棉機(jī)、自走式采棉打包一體機(jī)、自走式玉米聯(lián)合收獲機(jī)、青貯機(jī)等自走式行走機(jī)械絕大多數(shù)都采用靜液壓驅(qū)動技術(shù)，常見的驅(qū)動及轉(zhuǎn)向方式有前橋驅(qū)動+后橋轉(zhuǎn)向、前后橋同時驅(qū)動+后橋轉(zhuǎn)向、左右輪邊直驅(qū)+后橋驅(qū)動及轉(zhuǎn)向三種，與驅(qū)動方式對應(yīng)的泵馬達(dá)配置多以一個變量柱塞泵+一個定量馬達(dá)（或電比例變量柱塞馬達(dá)）、一個電比例變量柱塞泵+兩個電比例變量柱塞馬達(dá)，以及一個電比例變量柱塞泵+三個電比例變量柱塞馬達(dá)的形式出現(xiàn)居多。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多由液壓轉(zhuǎn)向器、方向機(jī)、轉(zhuǎn)向油缸及轉(zhuǎn)向后橋構(gòu)成。不論是前橋轉(zhuǎn)向還是后橋轉(zhuǎn)向，均無法實現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑，在小地塊作業(yè)時需多次調(diào)頭，不但嚴(yán)重影響其工作效率，還會在調(diào)頭時碾壓作物，造成不必要的浪費(fèi)。前后橋轉(zhuǎn)向模式要想實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能必然需要轉(zhuǎn)向橋、轉(zhuǎn)向油缸、轉(zhuǎn)向器及方向機(jī)等部件，因此不論從提高工作效率、降低成本、減少作物浪費(fèi)的角度，還是從提高功率利用效率和綠色環(huán)保的角度都應(yīng)增加對該方面的關(guān)注力度[3]。

1 液壓系統(tǒng)設(shè)計

1.1 底盤液壓系統(tǒng)

圖1為底盤液壓系統(tǒng)原理，該系統(tǒng)由左右兩個獨(dú)立的閉式系統(tǒng)組成，主要包括兩個變量柱塞泵、兩個分流集流閥、兩個沖洗閥、四個單向閥、四個變量柱塞馬達(dá)以及一個散熱器等主要元件。底盤行走采用閉式液壓系統(tǒng)相對于開式系統(tǒng)有如下優(yōu)點：

（1）車輛行駛方向控制閥規(guī)格較小，僅用于先導(dǎo)控制；

（2）過濾器和散熱器規(guī)格選型較小，只需與補(bǔ)油泵流量進(jìn)行匹配；

（3）液壓油箱尺寸可相對較小，只需與補(bǔ)油泵流量進(jìn)行匹配，節(jié)省了安裝空間；

（4）泵馬達(dá)工況可逆，可實現(xiàn)靜液壓制動。

如圖1，兩個變量柱塞泵分別與左右兩側(cè)的前后兩個變量柱塞馬達(dá)構(gòu)成兩個獨(dú)立的閉式液壓系統(tǒng)，兩個變量柱塞泵工作腔的壓力油分別經(jīng)各自的分流集流閥為左右兩側(cè)的前后兩個變量柱塞馬達(dá)供油，變量柱塞馬達(dá)在壓差的作用下產(chǎn)生扭矩，進(jìn)而驅(qū)動輪邊減速機(jī)帶動車輪轉(zhuǎn)動，最終實現(xiàn)底盤的靜液壓四輪驅(qū)動。兩個變量柱塞泵均為電比例閉式變量柱塞泵，通過改變斜盤傾角方向?qū)崿F(xiàn)底盤前進(jìn)和后退。兩個沖洗閥的柱塞在馬達(dá)高低壓側(cè)的壓差作用下分別為左右兩側(cè)的變量柱塞馬達(dá)低壓側(cè)做強(qiáng)制沖洗，使馬達(dá)的熱油流回油箱進(jìn)行冷卻，來自輔助液壓系統(tǒng)（圖2）的壓力油為左右兩個閉式系統(tǒng)補(bǔ)油。沖洗冷卻效果與沖洗流量并非簡單的線性關(guān)系，根據(jù)經(jīng)驗，沖洗流量一般為補(bǔ)油泵流量的20%~40%，低于此數(shù)值會因冷卻不充分而導(dǎo)致馬達(dá)及系統(tǒng)油溫升高，高于此數(shù)值時，由于馬達(dá)攪動功率過高同樣會導(dǎo)致系統(tǒng)油溫升高，最終影響密封及泵馬達(dá)的使用壽命。

該底盤行走液壓系統(tǒng)采用電比例變量柱塞泵+電比例變量柱塞馬達(dá)的配置，變量柱塞泵的排量與電流大小呈正比，即電流約大，其排量越大；而變量柱塞馬達(dá)的排量與電流大小呈反比，即電流越大，其排量越小。底盤變速箱配有田間作業(yè)和公路運(yùn)輸兩個檔位。在田間作業(yè)時，先切換至田間作業(yè)檔位，通過推動操作手柄給變量柱塞泵加載電流實現(xiàn)行駛速度調(diào)節(jié)，即電流越大，其行駛速度越快，但此時變量柱塞馬達(dá)的排量不變，為最大排量狀態(tài)，即電流為0，使變量柱塞馬達(dá)在田間作業(yè)時能夠為機(jī)器輸出更充足的扭矩；在公路運(yùn)輸時，先切換至公路運(yùn)輸檔位，通過閉環(huán)控制使操作手柄的行程與目標(biāo)車速匹配，駕駛員推動操作手柄，先給變量柱塞泵加載電流，如果車速達(dá)到目標(biāo)車速，則停止給其加載電流，如果車速未達(dá)到目標(biāo)車速，則繼續(xù)給其加載電流直至加載到100%滿排量，如果此時車速仍未達(dá)到目標(biāo)車速，則給變量柱塞馬達(dá)加載電流，直至達(dá)到目標(biāo)車速或是最大設(shè)計行駛速度。程序控制上，在低速至中速之間用變量柱塞泵調(diào)速，滿足低速行走時的低速大扭矩需求，中速至高速之間用變量柱塞馬達(dá)調(diào)速，滿足其高速行駛的需求，因此該種調(diào)速方式具有調(diào)速范圍寬、速度調(diào)節(jié)靈活、功率利用率高、無溢流損失等優(yōu)點[4,5,6]。

1.2 輔助液壓系統(tǒng)

圖2為輔助液壓系統(tǒng)原理，該系統(tǒng)不但可為底盤行走的兩個閉式系統(tǒng)補(bǔ)油，還能為底盤駐車制動系統(tǒng)、行車制動系統(tǒng)供油，主要由齒輪泵、溢流閥、電比例換向閥、腳剎閥、蓄能器、減壓溢流閥、閥前壓力傳感器和閥后壓力傳感器構(gòu)成。

液壓油流經(jīng)吸油過濾器、齒輪泵和阻尼，一方面通過減壓溢流閥為底盤行走液壓系統(tǒng)低壓側(cè)補(bǔ)油，另一方面經(jīng)過單向閥為駐車制動和行車制動系統(tǒng)供油，通過駐車閥得電或失電實現(xiàn)解除駐車或駐車制動，通過踩踏腳剎閥為行車制動系統(tǒng)提供液壓油。蓄能器不僅可在齒輪泵或發(fā)動機(jī)故障時為底盤行走液壓系統(tǒng)提供應(yīng)急動力源進(jìn)而實現(xiàn)緊急情況下的制動，還能為解除駐車提供穩(wěn)定的油源，防止出現(xiàn)駐車系統(tǒng)出現(xiàn)間歇性駐車及解除駐車的情況。在駐車閥的閥前和閥后分別安裝了閥前壓力傳感器和閥后壓力傳感器，不但可以監(jiān)測駐車系統(tǒng)的實時壓力是否正常，還能以此判斷駐車閥是否正常工作。單向閥將高低壓側(cè)隔開，達(dá)到為駐車制動系統(tǒng)和行車制動系統(tǒng)保壓的作用。電比例換向閥的作用是為了降低發(fā)動機(jī)啟機(jī)時的負(fù)載，即當(dāng)發(fā)動機(jī)啟機(jī)時，電比例換向閥為最大電流，輔助液壓系統(tǒng)處于低壓卸荷狀態(tài)便于啟機(jī)，當(dāng)啟機(jī)數(shù)秒后，比例換向閥電流逐漸降低為0，液壓系統(tǒng)逐漸減壓，以達(dá)到減少壓力沖擊的目的，此時輔助液壓系統(tǒng)處于高壓待命狀態(tài)，多余的液壓油經(jīng)溢流閥溢流回油箱，節(jié)流閥的作用是在輔助液壓系統(tǒng)檢修時為蓄能器卸荷。

1.3 制動液壓系統(tǒng)

圖3為制動系統(tǒng)液壓原理，主要有駐車制動系統(tǒng)和行車制動系統(tǒng)。駐車制動和行車制動是通過將輔助液壓系統(tǒng)的壓力油供油至輪邊減速機(jī)上相應(yīng)的駐車制動和行車制動工作油口而實現(xiàn)的。

2 行走及滑移轉(zhuǎn)向原理

2.1 直線行駛

啟動發(fā)動機(jī)前，電比例換向閥處于得電狀態(tài)，此時啟動負(fù)載小，利于發(fā)動機(jī)啟動。啟動后，電比例換向閥處于失電狀態(tài)，系統(tǒng)壓力逐漸升高，達(dá)到溢流閥設(shè)定值后，多余的液壓油流回油箱。齒輪泵向蓄能器中充液，充液壓力達(dá)到閥前壓力傳感器設(shè)定值后，允許駐車閥動作，即允許解除駐車。閥后壓力傳感器顯示駐車閥的閥后壓力，一旦壓力低于設(shè)定值則系統(tǒng)報警，同時向前推或是向后拉左右操縱手柄，變量柱塞泵工作油口通過分流集流閥的分流或是集流功能分別向左右兩側(cè)的變量柱塞馬達(dá)供油，實現(xiàn)車輛前進(jìn)或是后退。通過向前推或向后拉左右操縱手柄來調(diào)節(jié)變量柱塞泵或變量柱塞馬達(dá)的斜盤傾角，從而達(dá)到不同的行駛速度。齒輪泵通過阻尼和減壓溢流閥向左右閉式系統(tǒng)低壓側(cè)補(bǔ)油。腳剎閥用于行駛過程中緊急制動。

2.2 原地轉(zhuǎn)向

如圖1，左側(cè)操縱手柄向前推，利用分流集流閥的分流功能，使左側(cè)兩個變量柱塞馬達(dá)同步向前轉(zhuǎn)動，右側(cè)操縱手柄向后拉，利用分流集流閥的集流功能，使右側(cè)驅(qū)動馬達(dá)向后轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)車輛的原地向右轉(zhuǎn)向。原地向左轉(zhuǎn)向操作過程與原地向右轉(zhuǎn)向過程相反。

2.3 行駛轉(zhuǎn)向

如圖1，在直線行駛過程中，操縱手柄控制左右側(cè)變量柱塞馬達(dá)的轉(zhuǎn)動速度，使左右兩側(cè)變量柱塞馬達(dá)的轉(zhuǎn)動速度產(chǎn)生速度差，從而實現(xiàn)行駛轉(zhuǎn)向。

3 總結(jié)

本底盤靜液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)采用電比例變量泵+電比例變量馬達(dá)驅(qū)動行走，通過分流集流閥分別使左右兩側(cè)的前后兩個變量馬達(dá)同步轉(zhuǎn)動，進(jìn)而實現(xiàn)車體原地轉(zhuǎn)向和行駛轉(zhuǎn)向，具有如下優(yōu)點：

（1）能夠?qū)崿F(xiàn)原地“零半徑”轉(zhuǎn)向，提高作業(yè)效率，節(jié)能減排；

（2）能夠降低發(fā)動機(jī)啟動負(fù)載，且系統(tǒng)建壓過程液壓沖擊?。?/p>

（3）速度調(diào)節(jié)靈活、速度調(diào)節(jié)范圍寬。

4 展望

農(nóng)業(yè)機(jī)械液壓系統(tǒng)主要由底盤靜液壓驅(qū)動系統(tǒng)、液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和輔助液壓執(zhí)行系統(tǒng)三大部分構(gòu)成。近年來，農(nóng)業(yè)機(jī)械正朝著多功能、大功率、高效率以及節(jié)能的方向快速發(fā)展，液壓傳動與控制技術(shù)的無級調(diào)速、高功率質(zhì)量比和簡化機(jī)械傳動復(fù)雜程度等優(yōu)點，不僅可提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的科學(xué)技術(shù)含量，更加實現(xiàn)了機(jī)械傳動難以實現(xiàn)的功能，能在很大程度上減輕農(nóng)民的勞動強(qiáng)度，其在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用必將越來越廣泛。