工程机械静液压传动装置.pdf

’2001上海PTC展览会 技术报告会论文 工程机械静液压传动装置工程机械静液压传动装置 吴远道 摘要摘要静液压传动已成为工程机械传动中一种新的传动形式，具有良好的应用前景。本文介绍 了工程机械静液压传动用的液压系统和液压元件的特点，列举了几个应用实例。 关键词关键词静液压传动装置，通轴泵，变量控制方式 引言引言 静液压传动装置是以液压泵和液压马达为主组成，附加各种变量控制单元和传动元件（减 速器或变速箱），成为一种无级变速的传动装置。它与纯机械传动和液力机械传动相比，具有 高效区宽、布局灵活、无级变速、换向方便、控制方式多样和功率利用合理等众多优点。工程 机械合理运用静液压传动装置，则能改善机构性能，提高生产效率，节省能量消耗，使机器的 品质上升到一个新的阶段。随着该项技术的发展和所用元件的完善，采用静液压传动装置的工 程机械会愈来愈多，市场前景良好。 一、液压泵和液压马达一、液压泵和液压马达 （一）液压泵 静液压传动装置用的液压泵是通轴型双向变量斜盘式轴向柱塞泵（以下简称通轴泵）。它 有以下几个特点1、它是通过斜盘的摆动实现变量，与斜轴式轴向柱塞泵通过摆动缸体实现变 量相比，摆动惯量要小，因此变量灵敏度高；2、它是通轴式的，和其他工作泵可以串联组成多 联泵，省去分动箱；3、它的斜盘摆角可以为零。当静液压传动装置不工作时，可使泵的排量为 零，没有流量输出，这样可以减少空载时的功率损失和液压系统发热，降低能耗。通轴泵的变 量控制方式很多，主要有手动伺服控制、与压力有关的液压控制、与转速有关的液压控制、扭 矩控制和电控制（比例控制、二位控制）等。多功能阀也集成在泵上。国外通轴泵近几年发展 得很快，品种规格齐全，变量控制方式多样，技术指标先进，质量稳定，工作可靠。美国萨沃- 森特公司90系列通轴泵、德国力士乐公司A4VG系列通轴泵和日本大金公司20系列通轴泵在国内 工程机构上已大量应用。国内通轴泵生产起步较晚，目前仅有中美合资上海萨沃液压传动有限 公司进行组装生产。天津特静液压股份有限公司、贵州501厂也小批量生产，无论从品种规格， 还是生产数量与国外先进国家相比尚有差距。 （二）液压马达 静液压传动装置用的液压马达种类繁多，既有高速轴向柱塞马达，也有低速大扭矩马达。 高速轴向柱塞马达又可以分为斜轴式轴向柱塞马达和斜盘式轴向柱塞马达二种。斜轴式轴 向柱塞马达是依靠摆动缸体来完成变量，最大摆角可达到250，变量范围比较大；工作负荷变化 范围比较在原静液压传动装置，需选用变量液压马达，此时大多数选用斜轴式轴向柱塞马达。 斜盘式轴向柱塞马达斜盘的摆动范围比较小，一般最大摆角为180。它有如下优点1、与斜轴 式轴向柱塞马达相比，外形尺寸较小，便于与减速机、制动器等组合成一体，成为“车轮马 达”。2、由于它的结构与通轴泵的结构相似，相同排量元件的零件可以通用，对使用维修带来 方便。一般负荷变化比较平稳，变速范围比较小的静液压传动装置，使用斜盘式轴向柱塞马达 较多。 低速大扭矩马达常用的有两种，一种是多作用径向柱塞马达，例如内曲线马达；另一种是 单作用径向柱塞马达，例如曲轴连杆马达和静力平衡马达。它的优点是起动效率高、低速稳定 性好、不需要中间传动装置，可直接与车轮连接。缺点是变量范围小，一般只能有级变量。目 前工程机械静液压传动装置中，用的低速大扭矩马达大多数从国外进口，主要有法国波克兰公 司的内曲线马达和日本川崎公司的“斯他法”马达等。 （三）液压泵和液压马达的技术发展趋势 1、高压化和高速化。最高工作压力已达到48Mpa；为了提高转速，要减轻重量，对零件结 构进行改进。例如采用摩擦焊柱塞结构，将柱塞做成中空形式，使柱塞重量减轻，从而减小转 动惯量，有利于转速提高。 2、对驱动单元和控制单元进行模块化设计，有利于产品系列化、通用化和标准化。 3、改进结构，加大通轴泵的变量范围。例如，德国林特公司已使斜盘最大摆角由180增加 到210。 4、采用螺纹式插装伐，使结构更加紧凑，减少泄漏。 5、改善变量调节特性曲线和增加变量控制方式，更能满足工程机械传动发展要求。 6采用新材料和新工艺降低制造成本 6、采用新材料和新工艺，降低制造成本。 7、根据城市环保要求，尽量降低噪音。 二、液压系统二、液压系统 （一）高速方案和低速方案 高速方案就是由高速轴向柱塞马达通过变速箱，驱动桥或减速机等中间传动元件驱动车 轮。在这种方案中，不仅液压泵具有较大的变量范围，液压马达也可以有较大的变量范围。再 加上选择合理的速比和设置理想的档位，可以得到一条比较理想的功率输出特性曲线，能满足 工程机械的使用要求。其次，高速轴向柱塞马达具有较高的功率/重量比。因此，工程机械静液 压传动装置采用高速方案居多。 低速方案低速大扭矩马达可以不需要中间传动元件直接驱动车轮，有的马达还带有制动 器，因此结构简单，使用方便。低速大扭矩马达的内泄漏量一般比高速轴向柱塞马达要大，所 以在静液压传动装置中，补油泵的排量要大一些。由于低速马达组成的静液压传动装置，调速 范围比较窄，一般适用于速度变化不大的场合。 （二）整体式和分置式 整体式静液压传动装置是将液压泵和液压马达组合在一起，输入轴与输出轴之间有相对固 定的位置关系。一般适用于小排量的静液压驱动装置。它的优点是结构紧凑，中间不需要管路 连接，相对来说，使用成本较低。缺点是安装布局有一定的限制，一般专用性比较强。这种 布局在工程机械上应用很少。 分置式静液压传动装置是液压泵和液压马达为各自独立元件，通过管路连接组成。这样， 可以有不同排量，不同变量形式的液压泵和液压马达任意组合，通过参数合理匹配，能满足主 机的各种工况要求。其次安装比较灵活，能按主机的设计要求进行布置。当然，由于用管路连 接，增加了泄漏的机率和需要对管路进行清洗过滤。分置式布局在工程机械静液压传动中占主 导地位。 （三）液压系统的调节 1、变量液压泵定量液压马达 由于仅仅液压泵进行变量，所以静液压传动装置可调节范围为13左右。液压马达的转速 大小和方向的变化由变量液压泵进行控制。当液压泵为最大排量，系统压力为最高压力时，此 时输出功率达到最大值。因此，功率利用范围比较窄。 2、变量液压泵变量液压马达 由于液压泵和液压马达均可进行变量，所以静液压传动装置可调节范围扩大到19左右。 当液压泵处于最大排量，液压马达处于最小排量时，传动装置可以输出最高转速；当液压泵处 于最小排量，液压马达处于最大排量时，传动装置可以输出最大扭矩。这样，在发动机功率相 同的情况下，功率利用范围可以大大扩大。再考虑发动机油门调节的话，可以获得一条理想的 动力特性曲线。近年来，变量方式采用电比例控制方式的越来越多，与微电子技术相结合，实 现智能化控制，根据不同的工况，选择不同的工作模式，更有利于功率合理利用和节约能耗。 三、静液压传动装置在工程机械中的应用三、静液压传动装置在工程机械中的应用 （一）自动式振动压路机 自90年代起，在国外压路机中振动压路机已占主导地位，它的行走驱动系统和振动系统都 采用静液压传动。自1984年徐州工程机械厂引进了瑞典蒂纳派克公司振动压路机技术和1986年 洛阳建筑机械厂引进了德国宝马公司振动压路机技术后，国内振动压路机产量也日益增长，据 不完全统计，2000年振动压路机产量达到3600台左右。从市场前景来看，振动压路机需求量还 呈上升趋势。所以，静液压传动在国内振动压路机上大有用武之地。 行走静液压传动装置由液压泵、后驱动液压马达和前驱动液压马达组成闭式回路。液压泵 为通轴泵，变量控制方式为手动伺服控制。驱动液压马达在斜盘式轴向柱塞马达、斜轴式轴向 柱塞马达和低速大扭矩马达。法国波克兰公司专门为压路机研制了“紧凑型”内曲线马达。当 液压马达为高速马达时，则和行星减速器组成“车轮马达”直接进行驱动，行星减速器还带有 制动器。 振动静液压传动装置是由变量通轴泵和定量液压马达组成闭式回路。液压泵的变量控制方 式为电比例变量控制。通过泵的变量，实现振动轮的起振、停振和改变振动频率。在静液压传 动中，当变量泵的摆角为零时，振动轮的振动能迅速停止，振动轮没有余振。 行走驱动和振动驱动都采用静液压传动后，可使二者更好地协调配合，保证了路面压实质 量。例如，当行驶方向需要改变时，不会出现由于振动轮长时间的原地激振，而造成路面下沉 的缺陷。 （二）稳定土摊铺机 稳定土摊铺机的作用是完成稳定土的摊铺、捣实和熨平。使路基具有一定密实度，并达到 要求的宽度。它是道路施工机械化的必备装置。 摊铺机的行走驱动系统和供料系统一般均采用静液压传动。 行走驱动系统行走静液压驱动装置由变量通轴泵和液压驱动马达（定量马达或变量马 达）组成。液压马达通过变速箱、差速器、减速箱、链传动驱动车轮。为了克服摊铺过程中， 摊铺速度不稳定，一般液压泵采用电比例变量控制，以操作者的指令，对速度进行精确控制。 当摊铺速度偏慢时，则增加泵的排量，使摊铺速度提高；当摊铺速度稍快时，则减小泵的排 量，使摊铺机速度降低。 供料液压系统它的静液压传动装置由变量通轴泵和定量液压马达组成。液压泵的变量方 式也是电比例控制变量。液压马达驱动链传动、刮板器、螺旋分料器完成稳定土的接收、供料 和分料。 （三）稳定土拌合机 稳定土拌合机用于公路的基础稳定土拌合作业。 它的行走驱动系统由手动伺服控制变量通轴泵和定量液压马达组成闭式回路。液压马达驱 动二档变速箱，万向联轴节，差速器、轮边减速驱动车轮。通过改变液压泵的排量，实现无级 调速。 它的拌合系统由手动伺服控制变量通轴泵和二台低速大扭矩马达组成闭式回路。通过二个 排量相同的液压马达实现串联或并联，使转子具有低速和高速二档速度。 行走驱动系统和拌合系统之间设有自动功率匹配系统。当拌合转马达负荷增大，功率需要 增加时，能自动地减慢行走速度，来满足拌合转子功率的需要，这样既保证了拌合质量，提高 了生产效率，又能充分合理地利用发动机的功率。这套匹配系统是将拌合闭式回路的压力信号 输入到行走液压泵的变量控制装置中去，拌合回路压力增大，使行走变量泵的排量减少，行走 速度减慢，行走功率减少。 （四）轮式装载机 在欧洲，中小型轮式装载机的行走系统绝大多数采用静液压传动，比较著名的厂商有德国 利勃赫尔公司、蔡特曼公司等。国内中外建发展股份有限公司引进了德国利勃赫尔公司L551B、 L522轮式装载机制造技术。 静液压传动与传统的液力机械传动相比，具有以下优点1、可以实现无级变速，换向方 便；2、当发动机在任一调定转速下工作，传动系统都能发挥出较大的牵引力；3、传动系统能 在很宽的输出转速范围内保持较高的效率；4、行走功率和作业装置功率可以合理匹配，使发动 机功率充分利用；5、液压泵和液压马达位置布置比较灵活，有条件使发动机采用横向布置，缩 短了装载机的纵向长度，改善了司机的视野；6、液压泵和液压马达都可采用电比例变量控制， 考虑到微机技术的飞速发展，使二者很好的结合，实现智能化控制；7、据有关资料介绍，与液 力机械传动相比，装载机作业率可以提高30，燃油消耗可降低25。 轮式装载机行走驱动负荷变化较大，它的静液压传动装置都由变量泵和变量马达组成闭式 回路。而液压泵的变量控制方式为与转速有关的液压控制。这种变量方式使装载机具有变矩器 的功能，并有以下几个特点1、它的控制泵与发动机直接相连，变量机构中设有控制伐，当发 动机转速发生变化时，控制泵输出流量随之变化，这样由于通过控制伐内节流处的流量发生变 化，导致节流前后压差的变化，而造成控制压力的变化。转速提高控制压力增大排量 变大。2、当行走驱动系统工作压力升高，引起发动机转速下降时，此时控制压力下降，使泵的 排量减少，此时泵的输入扭矩和发动机转速重新恢复到设定值。3、控制伐与发动机的油门控制 杆联动，当发动机的油门加大，则控制伐内的节流开度也加大，可以获得不同驱动转速下的控 制曲线，这些控制曲线是相互平行的。一旦工况发生变化，使转速变化值尽可能地小。4、可以 在发动机转速调定的情况下，改变控制伐内节流开度的大小，从而增、减控制压力，来调整行 驶速度。 轮式装载机中，有一种滑移转向式装载机，它配置二套独立的静液压传装置，分别驱动左 右二侧驱动轮，它既能无级调速，又能原地转弯，具有良好的通过性和灵活性，适用于场地狭 小的条件下工作。它一般装载能力较小，功率在60KW以内。 四、结论 四、结论 静液压传动在工程机械上的应用与静液压传动装置自身的发展，存在着相互促进和相互制 约的辩证关系。到目前为止，国内中小型装载机、推土机和叉车的行走驱动，还是以液力机械 传动为主，说明我国静液压传动装置的水平与国外先进国家相比还有差距，尚需努力，才能迎 头赶上。