液压机械传动平地机关键技术研究

目前，国内市场中尚未出现液压机械传动平地机产品批量销售，国外小马力平地机主要以液压机械传动为主，但未见 140 马力以上平地机采用液压机械传动方式[25]。国外液压机械传动平地机除了其样本资料外，极少发现其它相关技术文献，样本资料透露的信息非常有限，无法给国内厂家开发该种类型的平地机提供帮助。综上所述，液压机械传动平地机可有效弥补传统平地机传动方式存在的不足，是一种比较理想的、适合我国平地机目前发展的传动方式，因此研究液压机械传动平地机具有一定的现实意义。国外平地机研究现状国外平地机已有 100 多年的发展历史，最早是于 19 世纪后期在英国出现的拖式平地机。20 世纪 20 年代出现了自行式平地机，20 世纪 80 年代后期，平地机开始采用机电液一体化技术，逐步向自动化、智能化方向发展。如今，平地机生产商主

要有 Caterpillar（卡特彼勒）、Volvo（沃尔沃）、John Deere（约翰.迪尔）、CASE（凯斯）、New Holland（纽荷兰）、Komatsu（小松）等。表 1.1 是对国外主要平地机厂家的型号、功率、重量、传动方式及前进/后退档位数的统

目前，国外平地机的发展趋势及主要新技术主要表现在：

1. 变速箱电控技术国外部分采用机械传动的平地机厂家开发了变速箱电控技术，具有自动换档、微动控制、超速保护等功能，采用自动换档技术减轻了操作者的劳动强度，提高了换档品质，一定程度上实现了载荷自适应功能，机器可根据作业负载大小自动选择变速箱的工作档位和发动机的功率等级，使机器的动力学和运动学参数实现最佳匹配，以充分利用发动机功率、发挥机器最大有效牵引；微动控制使操作者可对机器进行低速精准控制，适用于坡度整平或在狭窄场地工作，扩大了平地机使用范围；超速保护功能可防止发动机和变速箱因不合理降档和坡度诱导的超速损坏。采用这一技术的代表厂家主要有Caterpillar 、VOLVO 等公司[32-35]。

2. 带锁定装置的液力变矩器技术液力变矩器高效区窄，而平地机工况复杂多变，导致液力变矩器在平地机中使用时综合传动效率较低，为保留液力变矩器具有的载荷自适应能力和变矩能力，提高传动效率，国外一些采用液力机械传动的平地机生产厂家采用了带锁止装置的液力变矩器。采用这一装置的平地机集合了液力机械传动和机械传动的优点于一体：当工况需要时，变矩器能将发动机扭矩放大并将其传递到动力系，减少对换档的需求并提高牵引力，使操作者较容易地选择档位，并可让操作者仅用一个制动踏板就可使机器平稳运行，使得精平整作业时更容易、轻松，让操作者更好地将注意力集中于铲刀的运动，还可在重载下起动而不会使发动机熄火；而在高速状态下可锁止变矩器，进入直接驱动状态，提高传动效率，节省燃油消耗，有效地将变矩器的扭矩放大和强劲工作动力以及具有更高的燃油效率的直接驱动结合在了一起。采用这一技术的代表厂家为日本的 Komatsu（小松）公司[36-39]。

3. 工作装置负载敏感、电比例调节技术国外大功率平地机工作装置液压系统中采用了压力补偿/负载敏感及电比例调节技术，使平地机作业装置不工作时，变量泵无输出流量，一量操作者动作作业装置，变量泵则提供所需的流量和压力，使液压系统发热更小，功率消耗更低[40]。采用电比例调节技术使操作者更能精准地操作作业装置，提高作业精度和作业效率。

5. 前轮静压驱动技术国外平地机约三分之一的机型采用前轮静压驱动技术，以提高机器的驱动力，扩大机器使用范围，大部分平地机前轮静压驱动系统，允许选择前轮独立驱动模式，以使在特殊场合进行精细低速平整作业。采用静液压技术的前轮驱动系统已成为各大平地机厂商产品的标准配置。如 Deere 在其 D 系列平地机上设计的前轮加力系统，允许操作手控制前轮加力的程度。CAT 的 M 系列和 Volvo 的 G900 系列在全轮驱动的同时允许驾驶员选择纯前轮驱动模式，以便于在特殊场合进行精度较高的平整作业[46-49]。6. 新型操作方式国外的平地机操作方式为 CAT 公司采用两个多功能操作手柄代替了传统的工作装置控制杆，并取消了方向盘，机器的所有控制动作——包括行驶和工作装置动作均通过两个手柄及手柄上的两个按钮完成（如图 1.12 和图 1.13 所示）[50]。这一操作方式提高了机器的操作简便性，有效降低了操作员劳动强度。与传统的操纵杆控制相比，

9. 其它技术国外其它技术还包括：（1）在驾驶室设计上，追求更为广阔的视野；（2）采用降低噪音的技术和设计；（3）使用总线式控制系统，并具有状态监测、故障诊断、远程通信、GPS 定位等功能；（4）自动巡航；（5）折腰中心复位功能（通过这一功能，只需触动单个开关，机器就可从任何铰接角度自动返回直架位置。中心复位功能可使操作员全神贯注地控制刮土板，有助于提高生产效率和安全性）；（6）按需运转的液压风扇，可减少不必要的风扇运转带来的功率损失；（7）铲刀浮动控制；（8）铲刀蓄能器，即通过铲刀垂直移动，利用蓄能器帮助刮土板吸收冲击负荷，以减少不必要的磨损，避免机器意外移动，提高操作员的安全性；（9）蓄电池低电压怠速自动提高；（10）驾驶室增加增压功能，避免作业时外界灰尘进入驾驶室，提高操作舒适性[58-65]。

1.3 国内平地机研究现状

我国平地机产业始于 20 世界 60 年代，由天津工程机械厂（现天津鼎盛）参照前苏联样机试制第一台机械式平地机，1980 年天工生产出台 PY 型产品 PY160A，1985 年又引进德国 O&K-FAUN 公司 F 系列平地机生产技术。此后凭借对平地机设计原理、设计方法和制造工艺多年的理解，开始走上自主研发的道路，1990 起先后开发生产出了从 80~280hp 共 9 大类 10 个型号的 PY 系列平地机，可以满足从乡村公路、高速公路到矿山公路，从农田建设到大面积平整作业的所有使用要求。其产品特点为：引进美国克拉克公司*技术生产的变矩器与上柴发动机匹配；定轴式动力换档变速箱，性能可靠；后桥为三段式结构驱动桥，两极减速装有公司无滑转差速器，保证各种路况车轮提供足够的牵引力；铰接机架，大的前桥摆动角，以及上下摆动的平衡箱，大大提高了该平地机的作业性能；可以根据用户需要，可加装前推土板、后松土器、自动调平装置等附件[66-73]。1985 年，哈尔滨四海工程机械公司引进了美国德莱赛公司的平地机生产技术，制造出 800 系列平地机，目前主要产品为 850 和 870，其主要配套件均为[74]。1997 年，常林股份有限公司引进了日本小松平地机技术，并于 1998 年生产出 160ph和 190ph 的平地机。目前，其主要产品有 PY165C-3、PY190C-3 和 PY200C-3。其平地机产品具有以下优点：用单个齿轮泵经分流阀向两个操纵阀供油，回转油路合流，既保证了各动作速度，又降低整个系统能耗；在铲刀两侧特别设计边刃，能更好地进行挖沟、液压机械平地机液压驱动系统方案研究平地机行驶驱动系统的传动方式主要有机械传动、液力机械传动和液压传动三种，机械传动平地机载荷自适应性能差，多挡位变速箱结构复杂，制造难度大，成本高，只能实现作业速度有级调节；液力传动平地机传动系统高效区窄，综合作业效率偏低；静压传动方式车速范围窄，驱动轮同步性能有待提高，高速行驶时的传动效率偏低。液压机械传动方式能有机结合液压和机械两种传动方式的优点，弥补机械、液力机械和液压三种传动方式存在的不足，相对于目前我国平地机主机及部件加工制造水平而言，是较为理想的传动方式。液压机械传动平地机动力传动路线为：发动机→变量液压泵→变量液压马达→变速桥→平衡箱→驱动轮，在该动力传递路线中，由变量液压泵和变量液压马达组成的液压系统主要用于实现平地机车速调节、前进/后退、载荷自适应等功能，对平地机作业质量、作业性能及效率起着至关重要的作用，所以液压系统方案的研究显得尤为重要，目前尚无液压系统方案方面的相关文献或研究成果可借鉴。液压系统按油液循环方式的不同可分为开式液压系统和闭式液压系统，在平地机行驶液压系统中，开式液系统液压油循环路线是：液压油箱－液压泵－换向控制阀组－液压马达－液压油箱，闭式液系统液压油循环路线是：液压泵－液压马达－液压泵[107-109]。开/闭式液压系统本身各具优缺点：闭式液系统可承受压力大且压力损失小，不需要太大的油箱，管路连接简单，安装空间小，换向瞬间冲击较小，换向控制方便，但系统内液压油温比较高，对液压元件的要求比较严，必须使用价格较高的闭式油泵。开式液压系统具有散热效果好、成本较低、液压油清洁度高等优点，但存在换向冲击力和工作噪音大等不足[110-111]。以上仅为开/闭式液压系统本身的理论分析对比，由于平地机属牵引式工程机械，其惯性负载对行驶驱动系统影响较大，有必要研究开/闭式液压系统在惯性负载的影响下其特性的变化情况，但目前尚未发现相关文献，因此，开/闭式液压系统在平地机行驶驱动系统上的应用比较研究具有重要意义。本文以国内某静压传动平地机为研究对象，对开/闭式液压系统在平地机行驶驱动系统中的应用采仿真和实验的方法进行对比研究。静压传动平地机动力传递路线为：发动机→变量液压泵→变量液压马达→减速平衡箱→驱动轮，与液压机械传动平地机区别在于减少了变速桥，不影响研究结论