靜液壓驅(qū)動(dòng)及滑移轉(zhuǎn)向底盤(pán)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(dòng)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)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(diǎn)，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(gè)領(lǐng)域[1]。農(nóng)業(yè)機(jī)械行走裝置采用靜液壓驅(qū)動(dòng)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(guó)內(nèi)各地的農(nóng)機(jī)展覽會(huì)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(dòng)技術(shù)，常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)向方式有前橋驅(qū)動(dòng)+后橋轉(zhuǎn)向、前后橋同時(shí)驅(qū)動(dòng)+后橋轉(zhuǎn)向、左右輪邊直驅(qū)+后橋驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)向三種，與驅(qū)動(dòng)方式對(duì)應(yīng)的泵馬達(dá)配置多以一個(gè)變量柱塞泵+一個(gè)定量馬達(dá)（或電比例變量柱塞馬達(dá)）、一個(gè)電比例變量柱塞泵+兩個(gè)電比例變量柱塞馬達(dá)，以及一個(gè)電比例變量柱塞泵+三個(gè)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(wú)法實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑，在小地塊作業(yè)時(shí)需多次調(diào)頭，不但嚴(yán)重影響其工作效率，還會(huì)在調(diào)頭時(shí)碾壓作物，造成不必要的浪費(fèi)。前后橋轉(zhuǎn)向模式要想實(shí)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(duì)該方面的關(guān)注力度[3]。

1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 底盤(pán)液壓系統(tǒng)

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

（1）車(chē)輛行駛方向控制閥規(guī)格較小，僅用于先導(dǎo)控制；

（2）過(guò)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(duì)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(shí)現(xiàn)靜液壓制動(dòng)。

如圖1，兩個(gè)變量柱塞泵分別與左右兩側(cè)的前后兩個(gè)變量柱塞馬達(dá)構(gòu)成兩個(gè)獨(dú)立的閉式液壓系統(tǒng)，兩個(gè)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(gè)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(dòng)輪邊減速機(jī)帶動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)底盤(pán)的靜液壓四輪驅(qū)動(dòng)。兩個(gè)變量柱塞泵均為電比例閉式變量柱塞泵，通過(guò)改變斜盤(pán)傾角方向?qū)崿F(xiàn)底盤(pán)前進(jìn)和后退。兩個(gè)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(lái)自輔助液壓系統(tǒng)（圖2）的壓力油為左右兩個(gè)閉式系統(tǒng)補(bǔ)油。沖洗冷卻效果與沖洗流量并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，沖洗流量一般為補(bǔ)油泵流量的20%~40%，低于此數(shù)值會(huì)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(shí)，由于馬達(dá)攪動(dòng)功率過(guò)高同樣會(huì)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(pán)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(pán)變速箱配有田間作業(yè)和公路運(yùn)輸兩個(gè)檔位。在田間作業(yè)時(shí)，先切換至田間作業(yè)檔位，通過(guò)推動(dòng)操作手柄給變量柱塞泵加載電流實(shí)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(shí)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(shí)能夠?yàn)闄C(jī)器輸出更充足的扭矩；在公路運(yùn)輸時(shí)，先切換至公路運(yùn)輸檔位，通過(guò)閉環(huán)控制使操作手柄的行程與目標(biāo)車(chē)速匹配，駕駛員推動(dòng)操作手柄，先給變量柱塞泵加載電流，如果車(chē)速達(dá)到目標(biāo)車(chē)速，則停止給其加載電流，如果車(chē)速未達(dá)到目標(biāo)車(chē)速，則繼續(xù)給其加載電流直至加載到100%滿排量，如果此時(shí)車(chē)速仍未達(dá)到目標(biāo)車(chē)速，則給變量柱塞馬達(dá)加載電流，直至達(dá)到目標(biāo)車(chē)速或是最大設(shè)計(jì)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(shí)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(wú)溢流損失等優(yōu)點(diǎn)[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(pán)行走的兩個(gè)閉式系統(tǒng)補(bǔ)油，還能為底盤(pán)駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)、行車(chē)制動(dòng)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(guò)濾器、齒輪泵和阻尼，一方面通過(guò)減壓溢流閥為底盤(pán)行走液壓系統(tǒng)低壓側(cè)補(bǔ)油，另一方面經(jīng)過(guò)單向閥為駐車(chē)制動(dòng)和行車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)供油，通過(guò)駐車(chē)閥得電或失電實(shí)現(xiàn)解除駐車(chē)或駐車(chē)制動(dòng)，通過(guò)踩踏腳剎閥為行車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)提供液壓油。蓄能器不僅可在齒輪泵或發(fā)動(dòng)機(jī)故障時(shí)為底盤(pán)行走液壓系統(tǒng)提供應(yīng)急動(dòng)力源進(jìn)而實(shí)現(xiàn)緊急情況下的制動(dòng)，還能為解除駐車(chē)提供穩(wěn)定的油源，防止出現(xiàn)駐車(chē)系統(tǒng)出現(xiàn)間歇性駐車(chē)及解除駐車(chē)的情況。在駐車(chē)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(cè)駐車(chē)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)壓力是否正常，還能以此判斷駐車(chē)閥是否正常工作。單向閥將高低壓側(cè)隔開(kāi)，達(dá)到為駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)和行車(chē)制動(dòng)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(dòng)機(jī)啟機(jī)時(shí)的負(fù)載，即當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟機(jī)時(shí)，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(shí)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(shí)為蓄能器卸荷。

1.3 制動(dòng)液壓系統(tǒng)

圖3為制動(dòng)系統(tǒng)液壓原理，主要有駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)和行車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)。駐車(chē)制動(dòng)和行車(chē)制動(dòng)是通過(guò)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(chē)制動(dòng)和行車(chē)制動(dòng)工作油口而實(shí)現(xiàn)的。

2 行走及滑移轉(zhuǎn)向原理

2.1 直線行駛

啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)前，電比例換向閥處于得電狀態(tài)，此時(shí)啟動(dòng)負(fù)載小，利于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。啟動(dòng)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(chē)閥動(dòng)作，即允許解除駐車(chē)。閥后壓力傳感器顯示駐車(chē)閥的閥后壓力，一旦壓力低于設(shè)定值則系統(tǒng)報(bào)警，同時(shí)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(guò)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(shí)現(xiàn)車(chē)輛前進(jìn)或是后退。通過(guò)向前推或向后拉左右操縱手柄來(lái)調(diào)節(jié)變量柱塞泵或變量柱塞馬達(dá)的斜盤(pán)傾角，從而達(dá)到不同的行駛速度。齒輪泵通過(guò)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(guò)程中緊急制動(dòng)。

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(gè)變量柱塞馬達(dá)同步向前轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)馬達(dá)向后轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的原地向右轉(zhuǎn)向。原地向左轉(zhuǎn)向操作過(guò)程與原地向右轉(zhuǎn)向過(guò)程相反。

2.3 行駛轉(zhuǎn)向

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

3 總結(jié)

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

（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(dòng)機(jī)啟動(dòng)負(fù)載，且系統(tǒng)建壓過(guò)程液壓沖擊小；

（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(pán)靜液壓驅(qū)動(dòng)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(lái)，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(dòng)與控制技術(shù)的無(wú)級(jí)調(diào)速、高功率質(zhì)量比和簡(jiǎn)化機(jī)械傳動(dòng)復(fù)雜程度等優(yōu)點(diǎn)，不僅可提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的科學(xué)技術(shù)含量，更加實(shí)現(xiàn)了機(jī)械傳動(dòng)難以實(shí)現(xiàn)的功能，能在很大程度上減輕農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度，其在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛。