靜液壓驅動及滑移轉向底盤液壓系統的設計

陳晨

（鐵建重工新疆有限公司，新疆烏魯木齊 830009）

0 引言

靜液壓驅動技術能實現無級調速，具有功率密度大、控制方式靈活和布局方便等諸多優點，廣泛應用于農業機械、礦山機械、起重運輸機械、工程機械等多個領域[1]。農業機械行走裝置采用靜液壓驅動技術至今已有60多年的歷史[2]，近20年發展尤為迅速。從國內各地的農機展覽會上不難發現，各廠家的農用機械產品，如自走式箱式采棉機、自走式采棉打包一體機、自走式玉米聯合收獲機、青貯機等自走式行走機械絕大多數都采用靜液壓驅動技術，常見的驅動及轉向方式有前橋驅動+后橋轉向、前后橋同時驅動+后橋轉向、左右輪邊直驅+后橋驅動及轉向三種，與驅動方式對應的泵馬達配置多以一個變量柱塞泵+一個定量馬達（或電比例變量柱塞馬達）、一個電比例變量柱塞泵+兩個電比例變量柱塞馬達，以及一個電比例變量柱塞泵+三個電比例變量柱塞馬達的形式出現居多。轉向系統多由液壓轉向器、方向機、轉向油缸及轉向后橋構成。不論是前橋轉向還是后橋轉向，均無法實現零轉彎半徑，在小地塊作業時需多次調頭，不但嚴重影響其工作效率，還會在調頭時碾壓作物，造成不必要的浪費。前后橋轉向模式要想實現轉向功能必然需要轉向橋、轉向油缸、轉向器及方向機等部件，因此不論從提高工作效率、降低成本、減少作物浪費的角度，還是從提高功率利用效率和綠色環保的角度都應增加對該方面的關注力度[3]。

1 液壓系統設計

1.1 底盤液壓系統

圖1為底盤液壓系統原理，該系統由左右兩個獨立的閉式系統組成，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、四個變量柱塞馬達以及一個散熱器等主要元件。底盤行走采用閉式液壓系統相對于開式系統有如下優點：

（1）車輛行駛方向控制閥規格較小，僅用于先導控制；

（2）過濾器和散熱器規格選型較小，只需與補油泵流量進行匹配；

（3）液壓油箱尺寸可相對較小，只需與補油泵流量進行匹配，節省了安裝空間；

（4）泵馬達工況可逆，可實現靜液壓制動。

如圖1，兩個變量柱塞泵分別與左右兩側的前后兩個變量柱塞馬達構成兩個獨立的閉式液壓系統，兩個變量柱塞泵工作腔的壓力油分別經各自的分流集流閥為左右兩側的前后兩個變量柱塞馬達供油，變量柱塞馬達在壓差的作用下產生扭矩，進而驅動輪邊減速機帶動車輪轉動，最終實現底盤的靜液壓四輪驅動。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實現底盤前進和后退。兩個沖洗閥的柱塞在馬達高低壓側的壓差作用下分別為左右兩側的變量柱塞馬達低壓側做強制沖洗，使馬達的熱油流回油箱進行冷卻，來自輔助液壓系統（圖2）的壓力油為左右兩個閉式系統補油。沖洗冷卻效果與沖洗流量并非簡單的線性關系，根據經驗，沖洗流量一般為補油泵流量的20%~40%，低于此數值會因冷卻不充分而導致馬達及系統油溫升高，高于此數值時，由于馬達攪動功率過高同樣會導致系統油溫升高，最終影響密封及泵馬達的使用壽命。

該底盤行走液壓系統采用電比例變量柱塞泵+電比例變量柱塞馬達的配置，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和公路運輸兩個檔位。在田間作業時，先切換至田間作業檔位，通過推動操作手柄給變量柱塞泵加載電流實現行駛速度調節，即電流越大，其行駛速度越快，但此時變量柱塞馬達的排量不變，為最大排量狀態，即電流為0，使變量柱塞馬達在田間作業時能夠為機器輸出更充足的扭矩；在公路運輸時，先切換至公路運輸檔位，通過閉環控制使操作手柄的行程與目標車速匹配，駕駛員推動操作手柄，先給變量柱塞泵加載電流，如果車速達到目標車速，則停止給其加載電流，如果車速未達到目標車速，則繼續給其加載電流直至加載到100%滿排量，如果此時車速仍未達到目標車速，則給變量柱塞馬達加載電流，直至達到目標車速或是最大設計行駛速度。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調速，滿足其高速行駛的需求，因此該種調速方式具有調速范圍寬、速度調節靈活、功率利用率高、無溢流損失等優點[4,5,6]。

1.2 輔助液壓系統

圖2為輔助液壓系統原理，該系統不但可為底盤行走的兩個閉式系統補油，還能為底盤駐車制動系統、行車制動系統供油，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成。

液壓油流經吸油過濾器、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低壓側補油，另一方面經過單向閥為駐車制動和行車制動系統供油，通過駐車閥得電或失電實現解除駐車或駐車制動，通過踩踏腳剎閥為行車制動系統提供液壓油。蓄能器不僅可在齒輪泵或發動機故障時為底盤行走液壓系統提供應急動力源進而實現緊急情況下的制動，還能為解除駐車提供穩定的油源，防止出現駐車系統出現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，不但可以監測駐車系統的實時壓力是否正常，還能以此判斷駐車閥是否正常工作。單向閥將高低壓側隔開，達到為駐車制動系統和行車制動系統保壓的作用。電比例換向閥的作用是為了降低發動機啟機時的負載，即當發動機啟機時，電比例換向閥為最大電流，輔助液壓系統處于低壓卸荷狀態便于啟機，當啟機數秒后，比例換向閥電流逐漸降低為0，液壓系統逐漸減壓，以達到減少壓力沖擊的目的，此時輔助液壓系統處于高壓待命狀態，多余的液壓油經溢流閥溢流回油箱，節流閥的作用是在輔助液壓系統檢修時為蓄能器卸荷。

1.3 制動液壓系統

圖3為制動系統液壓原理，主要有駐車制動系統和行車制動系統。駐車制動和行車制動是通過將輔助液壓系統的壓力油供油至輪邊減速機上相應的駐車制動和行車制動工作油口而實現的。

2 行走及滑移轉向原理

2.1 直線行駛

啟動發動機前，電比例換向閥處于得電狀態，此時啟動負載小，利于發動機啟動。啟動后，電比例換向閥處于失電狀態，系統壓力逐漸升高，達到溢流閥設定值后，多余的液壓油流回油箱。齒輪泵向蓄能器中充液，充液壓力達到閥前壓力傳感器設定值后，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，一旦壓力低于設定值則系統報警，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的變量柱塞馬達供油，實現車輛前進或是后退。通過向前推或向后拉左右操縱手柄來調節變量柱塞泵或變量柱塞馬達的斜盤傾角，從而達到不同的行駛速度。齒輪泵通過阻尼和減壓溢流閥向左右閉式系統低壓側補油。腳剎閥用于行駛過程中緊急制動。

2.2 原地轉向

如圖1，左側操縱手柄向前推，利用分流集流閥的分流功能，使左側兩個變量柱塞馬達同步向前轉動，右側操縱手柄向后拉，利用分流集流閥的集流功能，使右側驅動馬達向后轉動，從而實現車輛的原地向右轉向。原地向左轉向操作過程與原地向右轉向過程相反。

2.3 行駛轉向

如圖1，在直線行駛過程中，操縱手柄控制左右側變量柱塞馬達的轉動速度，使左右兩側變量柱塞馬達的轉動速度產生速度差，從而實現行駛轉向。

3 總結

本底盤靜液壓驅動控制系統采用電比例變量泵+電比例變量馬達驅動行走，通過分流集流閥分別使左右兩側的前后兩個變量馬達同步轉動，進而實現車體原地轉向和行駛轉向，具有如下優點：

（1）能夠實現原地“零半徑”轉向，提高作業效率，節能減排；

（2）能夠降低發動機啟動負載，且系統建壓過程液壓沖擊小；

（3）速度調節靈活、速度調節范圍寬。

4 展望

農業機械液壓系統主要由底盤靜液壓驅動系統、液壓轉向系統和輔助液壓執行系統三大部分構成。近年來，農業機械正朝著多功能、大功率、高效率以及節能的方向快速發展，液壓傳動與控制技術的無級調速、高功率質量比和簡化機械傳動復雜程度等優點，不僅可提高農業機械的科學技術含量，更加實現了機械傳動難以實現的功能，能在很大程度上減輕農民的勞動強度，其在農業機械領域的應用必將越來越廣泛。