機械設計制造中液壓機械傳動控制系統的應用

應 劍

（龍工（福建）液壓有限公司，福建龍巖 364028）

0 引言

在機械設計與制造領域中，液壓機械傳動系統憑借著傳動效率高、控制精度強等諸多優勢得到了廣泛應用，并一直為該領域所重視。因此，在具體的機械設計和制造中，企業一定要加強對液壓機械傳動系統的研究，使其得到合理利用，提升機械設計與制造質量，滿足當今社會的實際需求。

1 液壓機械傳動系統的原理和構成

1.1 基本原理

為保障液壓機械控制系統始終處在液力平衡狀態，需要借助內部液體的特性作輔助，其能量壓力的主要變換目標是將與活塞尺寸匹配的壓力范圍作為基準，將內部的液體作為載波進行控制。這個系統主要有三個構成要素。

（1）執行元件。主要構成是執行泵等設備，實現壓力到機械能的轉變。執行元件以液體壓力為能源，可在短時間內實現設備換向，也可以控制液體流量，滿足所有系統的需求。

（2）動力元件。為系統提供足夠的功率，以此滿足系統的操作需求。因為該元件在液壓機械傳動系統中十分重要，通常需要設置齒輪泵。

（3）輔助元件。系統內的管道等，用以連接執行元件和動力元件，只有保障這三種元件的良好合作，才能有效保障系統的運行質量。

1.2 系統組成

液壓機械傳動系統的控制系統（圖1），主要由硬件和軟件兩大部分組成：硬件部分主要有儲存器、微處理器、編輯器、I/O 部件以及輸出模塊，所有的硬件部分都借助總線進行連接；軟件部分主要包括系統程序和用戶程序兩類，其中系統程序控制PLC，用戶程序按實際需求進行程序翻譯。在軟件系統中，PLC 屬于核心控制部分，它有足夠的普遍性和靈活性，可通過儲存器內的程序編輯來實現相應的控制功能，在控制需求變化時，只需要改變相應的程序就可以優化升級，并實現不同對象的遠程控制[1]。PLC 有非常好的可靠性和很強的功能，并且操作簡單、易于維護，可顯著提升系統抗干擾能力，將PLC 應用到液壓機械傳動系統中，將會對系統的應用與發展提供良好的技術支撐。

圖1 控制系統原理

2 液壓機械傳動系統設計中的控制關鍵

2.1 控制好運動零部件和配合面的粗糙度

在液壓機械傳動系統的設計中，為達到良好的傳動效果，一項關鍵內容是控制好運動零部件和配合面的粗糙度，通常情況下將粗糙度控制在0.8 以內（最好控制在0.2～0.4）具體加工方式是滾刮和研磨。滾刮是行業內比較先進的工藝，憑借其高精度、高效率和金屬表面強化等特性，可以將液壓密封件表面加工成鏡面效果，進一步提升其使用壽命。但是在業內也存在另一種理論，認為接觸密封件的金屬表面不宜太過光滑，接觸面積內如果存在一定凹坑可以儲存油液，起到潤滑和降溫的作用，這樣可以降低液壓部件異響和爬行的概率。所以在具體設計中，應根據實際情況來確定表面粗糙度。

2.2 控制好液壓部件的清潔度

液壓部件的清潔度對液壓部件壽命有著至關重要的影響。在液壓傳動系統的設計和制造中，應該通過各種加工工藝控制好清潔度，如除銹、清洗和去毛刺等細節，才可以保障液壓部件的清潔度，延長液壓部件的使用壽命。

2.3 其他注意事項

盡量設計圓角過渡，以保障密封件的正常裝配。嚴格按照標準流程設計、驗證每款密封件的參數、工作環境等，保障密封件設計方案與實際要求相符。

3 應用分析

在機械設計中，液壓傳動系統的主要結構部件有行星齒輪、液壓回路和輸出軸，行星齒輪可以將功率分流，并根據實際應用需求將其輸入到液壓路和機械路中，通過液壓路和機械路并聯來實現功率傳遞，隨后行星齒輪將并聯功率回流，實現驅動傳動的共同輸出。傳動系統分開式和閉式兩種：前者的運行方式比較簡單，安裝、保養和維修都比較方便，但是需要設置較大容量的油箱；后者有更加緊湊的結構，只需設置很小的補油油泵，但液路冷熱交換能力低。

3.1 煤炭機械

煤炭機械車輛設計控制系統的調速功能時，需要綜合考慮煤炭機械設備實際的工作需求，搖臂設備的傳動系統可以采用液壓馬達或油泵進行調速，開采或牽引設備的傳動系統可以采用流量或容量進行調速，這樣可以為油泵流量和液壓馬達排量的調節提供足夠便利。

3.2 公交車

公交車采用閉式傳動系統，可有效保障泵能量和液壓馬達能量之間的交換；采用開式系統作為公交車傳動系統，可以保障一次元件的液壓儲能。當今的公交車液壓機械傳動系統大多采用閉式系統，因為由不同的傳動軸實現動力的輸入與輸出，此類系統的功率流向分明，可有效避免混流問題[2]。

3.3 礦山裝載機

礦山裝載機械合理應用液壓機械傳動系統，可有效控制其變速器運行狀態和斜盤角度，組件包括變量液壓馬達、變量泵、制動器、離合器和行星齒輪等，借助于差動輪系，可實現液壓動力和機械動力的有效合成。礦山機械借助液壓機械傳動系統控制自動變速換擋，可以顯著提升其機械傳動效率，降低能量消耗。通過大量的實踐應用發現，將液壓機械傳動系統應用到礦山機械設備中，可以使其燃料經濟性提升25%左右。

3.4 履帶式車輛

液壓機械傳動系統在拖拉機、推土機、農業收獲機和插秧機等履帶式作業車輛中十分適用，可以讓這些機械在行駛過程中實現高速調速，滿足其作業速度需求，讓液壓馬達實際的輸出特征和行駛阻力之間有效匹配，改善作業機械的動力性能。設計此類車輛傳動系統參數時，需要綜合考慮行星齒輪轉速、輸出轉速、液壓馬達增速、輸出轉矩、太陽輪轉矩和輸出比等情況。

3.5 清掃車

液壓機械傳動系統也可以應用在清掃車的制造中，通過該系統的應用，不僅可以提升清掃車輛的工作效率，也可以降低清掃車輛的耗油量，降低廢氣排放量，提升其使用效果。

3.6 分速匯矩系統

液壓機械傳動系統顯著改善車輛的傳動和轉向性能，目前主要用來控制車輛的分速匯矩系統。例如，DMT25 液壓機械傳動箱屬于兩段式的傳動結構，其運行工況主要有純液壓和液壓機械兩種，在傳動工況下，純液壓的傳動功率在110 kW 左右，液壓機械傳動功率可超過184 kW。在配備VARIO CVT 液壓機械傳動控制系統后，作業車輛可借助擋位的高低轉換來實現控制，實現車輛運輸模式和作業模式的自由調整，其控制系統中的傳動能力均可以達到300 kW 以上。

4 結束語

在當今的機械設計和機械制造領域中，液壓機械傳動系統已經得到了廣泛應用，正發揮出越來越顯著的優勢。因為液壓機械傳動系統體積小、質量輕、結構緊湊、傳動性能更好、功率更大、傳動比更高等，該系統不僅可以進一步提升機械的變速換擋效果，也可以有效降低機械能耗，為當今機械的標準化、通用化、自動化和系列化發展奠定良好的技術基礎。