工程机械及类似行走机械液压驱动专业技术的发展动向(上)百解读.doc

专题工程机械及类似行走机械液压驱动技术的发展动向（上）口王意液压元件和液压系统不像电子信息产品那样不到半年就会出一代新产品，也无法做到像当今中国市场的小轿车那样短期内就会又一次“改款”。这恐十白是由于液压元件这样的传统机械产品的“惯性”远大于电子类产品，使用液压驱动技术最多的工程机械的生产批量也无法和小轿车相比的缘故。不过也有另外一些因素在起着重要作用。例如，同是机械产品，如果液压产业中也有像控制内燃机排放那样的“欧”、“欧”之类不断升级的强制性法规的话，恐怕目前市场上许多四世同堂的老爷级液压元件就只有在技术博物馆里才能找到了。尽管如此，新产品还是在不断涌现，它们体现了传统产业渐变性的发展模式，也反映了液压驱动等传统技术已高度成熟了的现状。元件技术厚积薄发行走液压驱动装置的关键元件是变量泵和定量或变量马达。这种装置绝大多数采用闭式油路构成闭式油路所需的各种辅助元器件，主要集成在变量泵的壳体上，如补油泵、安全阀、滤油器等等，而且要采用双向变量装置，因此就有了专门供闭式油路使用的变量泵。目前主要采用斜盘式轴向柱塞泵，少数也有使用斜轴式轴向柱塞泵和径向柱塞泵的。行走液压驱动装置的液压马达则有多种结构形式，轴向柱塞式、径向柱塞式、口十片式和齿轮式，特别是摆线齿轮式。液压马达都可以双向旋转，除了有时将闭式油路中的冲洗阀叠加在油口上之外，通常没有开式、闭式马达之分。就工作原理和基本结构而言，行走液压驱动装置所装用的各种液压元器件与工业固定设备上的基本没有区别，但基于行走机械使用环境及主机形态的差异，特别是基于闭式回路的某些运行特点，对于行走液压驱动装置还常有一些特殊的要求，主要表现在下面几个方面一是更高的功率密度。这是由行走机械中通常安装空间狭窄、对重量有严格限制的特点所决定的。为此要求系统使用较高的压力，泵类元件的许用转速亦应较高。二是能耐受行走机械相对更恶劣的室外工作环境和液压系统由于受油箱容量限制而出现的更高的油温。三是主泵需具备双向变量的能力，主泵和马达均应有可逆性。四是对于许用峰值压力、连续工作压力、寿命和控制精度方面的要求与工业液压元件各有侧重。五是对于泵和马达的轴伸常有承受径向和轴向负荷及多联泵扭矩的特殊要求，对于直接驱动行走轮的低速车轮马达尤其如此。六是对于马达有时有自由轮功能的要求。七是在轴伸、安装法兰和联接油口的尺寸方面常执行车辆专用标；隹而不都是工业液压元件标准。现代工程机械等行走机械专用的变量泵主要是世纪七八十年代间定型的几种通轴式斜盘泵，最著名的如力士乐（）的系列、林德（）的系列、萨澳一桑斯川特（）的系列等。这一代产品由于广泛采用了带烧结减摩层缸体、滑枕式斜盘和薄壁泵壳等新材料、新工艺，结构比老一代的桑斯川特系列等更为简单，功率密度提高了。在工作压力、效率、寿命和控制方式的多样性方面都有了进步，并显著地提高了配套阀组的集成度及泵后输出轴（）的功率容量。但是老一代的桑斯川特系列等元件及它们的仿制品至今仍有相当大的市场，恐十白是因其价格相对低廉和某些传统制造商和用户的难以割舍的情结。这两代通轴泵的推广应用促成了行走液压驱动装置技术逐步走向成熟。世纪年代以后出现的变量柱塞泵的全新产品不是很多，不过从整体上来说，各品牌产品在提高寿命和可靠性、降低噪声和开发电子控制变量系统方面的努力却依然成就斐然。除了上述代表了通轴泵性能最高水平的最高压力达的“重系列”产品外，在这一时期各厂家又纷纷推出了结构较简单、价格较低廉的“轻系列”（）和“中系列”工程机械与维修万方数据专题（）变量泵，进一步促进了行走液压驱动装置在中、功率机具上的普及。近年来对于轴向柱塞泵基本结构的改进工作又有所活跃。首先是萨澳一桑斯川特和著名的拖拉机制造商联手开发出了缸体摆角高达。的双向变量斜轴泵（图）。林德也在增大斜盘式柱塞元件的斜盘角度方面进行了大量的研究工作，并在年推出了以球头设于滑履上、斜盘 倾角达。为结构特征的一新系列斜盘式变量泵和马达（图）。虽然从历史上看，这两项成果都不是全新的发明，带有球面活塞环的大摆角缸体的斜轴泵早在世纪年代即由沃尔沃公司所推出，将球头设于滑履而不是设于柱塞上的“反装结构”也见之于年前公司的“瓦尔梯斯”型柱塞泵和为中国上一代液压人所熟知的东芝型双斜盘式低速马达上博世（）公司早年生产的变量柱塞泵的最大斜盘倾角亦曾达到过。但是新的设计、制造和系统集成技术却使这些“老”结构焕发出新的青春。这两种新产品的最高效率和高效区的分布较之现有的斜盘泵均有了台阶性的提高，并都成功地应用在批量生产的液压机械功率分流型传动装置中。 图缸体摆角高达。的双向变量斜轴泵内芯图新系列斜盘式变量泵和马达的柱塞和滑履结构工程机械与维修林德公司还在降低柱塞泵噪声方面做了新努力。它的新系列泵的种变型产品的配油盘窗口连接有一个小蓄能器，用以抑制和吸收各柱塞腔在高低压窗口之问配流过程间产生的压力尖峰，适当匹配蓄能器的容积和配流盘的结构参数，可获得良好的降噪效果。人们对于通过抑平配流盘高低压过渡区的压力脉动的方法来降低柱塞泵噪声的方法也早有探讨。笔者在世纪年代研究偶数柱塞泵时就曾观察到，在柱塞腔对称分布的柱塞泵上（图），配流盘上两个过渡区内同时出现的压力突升和突降能够自行补偿，从而能得到比传统的柱塞泵更低的压力脉动。但要像林德那样取得工程化和商品化的成就，尚有待进一步开发。图柱塞缸体总成（左）与柱塞缸体总成（右）的对比图自由活塞式内燃柱塞泵（左）及由它驱动的叉车（右）行走液压驱动技术领域一个可能更具革命性的事物是直接利用燃料混合气爆发能量的液压泵，即将往复式液压泵的柱塞直接与自由活塞式内燃机的活塞相联，而不再需要通过曲轴转化为泵轴的旋转运动。这想法其实也并非完全新鲜。早在几十年前即有人注册过有关的专利，国内外通过开发“内燃水泵”之类的设备也试制过多种具有类似原理的装置。近年来由于采用了新的材料和制造技术，荷兰公司已经制成了几台采用这种自由活塞内燃液压泵的几轮试验样机，并装在叉车上进行了应用研究（图）：芬兰工业大学也对自由活塞原动机的优化方案进行了探讨。这项技术将使行走机械上的内燃机和液压泵都得到简化，在燃料能直接转化为液压能的机构方面具有重大的创新意义。现有的研究成果已证明了它在增加动力一传动装置的功率密度、提高能量转换效率和降低制造成本等方面的潜力。但存在的困难也是明显的：如何更简便地控制自由活塞的往复频率和泵的输出流量，如何用简单的方法同时驱动其他需要旋转工作的附件（如发电机、风扇、转向泵等），如何起动这个装置以及如何降低装置的噪声和有害排放等等，这些都是需要进一步探讨的问题。行走液压驱动装置输入端的变量泵几乎为斜盘式通轴泵一统天下，而且近年来的发展略显沉寂，但位于输出端的液压马达却出现了较多的新事物和新概念。行走液压驱动装置中采用的大多数高速液压马达是轴向柱塞式的，和泵一样也分斜轴式和斜盘式两种。由于制造技术基本相同，生产变量泵的厂家均同时生产相配套的高转速柱塞马达。斜盘型柱塞马达亦分为“重”、“中”、“轻”个系列。重系列马达集中了当今行走液压技术的精华，工作压力、效率、寿命和功率密度都较高，有多种变量控制形式。“中”、“轻”系列则从提高经济性的角度降低了工作压力和转速，适当简化了部件结构而牺牲了某些次要性能，并主要为定量马达。在常用的斜盘式和斜轴式马达中，般认为，斜轴式由于能具有更大的缸体摆角而在起动效率和有效变排比方面略胜一筹，采用斜轴马达与斜盘泵搭配能较好地兼顾各方面的性能要求。但斜盘式马达却因和通轴泵有类似的结构和某些通用的零万方数据部件而在组织规模生产方面具有优点。对此，各制造商见仁见智，莫衷是。世纪年代以制造斜盘马达起家的萨澳一桑斯川特公司，现在以系列斜轴马达当家而当时专做斜轴马达的林德公司却已基本上停止了对斜轴马达的生产，转而重点研制斜盘型马达。行走液压界这两大著名厂家在新形势下的角色互易和前面列举的一些曾被埋没了的技术的重新复出，似乎体现了科学技术近似螺旋式上升的发展规律。大中功率行走机械采用的低速液压马达主要是径向柱塞式，多作用径向柱塞马达（国内通称“内曲线马达”），具有工作压力高（达）、尺寸紧凑，可有级变量和可实现“自由轮”功能等优点，适合制成车轮马达式样的元件。主要的制造商为波克兰、力土乐、和大金公司等。目前生产的行走机械用内曲线马达普遍采用了柱塞经滚子直接传力的简化结构，较之上一代产品大幅度地减小了径向尺寸和质量。在工作压力、容积效率及使用寿命等方面均达到了与轴向柱塞高速马达相当的水平。但由于受配流窗口流速的限制等原因，多作用的内曲线马达的转速难以增加，也使得其功率密度尚不能达到单作用柱塞元件的水平。多数工业设备用的单作用径向柱塞马达，如国内称为“曲轴连杆”型、“静力平衡”型等马达的重量和径向尺寸较大，工作压力不够高（），在功率密度、起动效率、轴伸承载能力和马达泵工况转换的可逆性等方面均不能完全适应直接驱动车轮的要求，因此，目前很少应用于行走液压驱动领域。但是意大利公司却另辟蹊径，多年来契而不舍地研发单作用的等系列中高速大扭矩车轮液压马达。马达采用独特的摆动缸体结构，各部件受力和运动条件均较好，配流窗口流道宽松（图），这一切都有利于提高马达的输出转速。近年来通过改变曲轴偏心距无级调节马达排量的结构，又大大扩展了马达在不同工况下所能达到的转速范围，实现了类似某些先进的斜轴马达所具有的“零排量”运行功能。相同排量和输出扭矩的马达和些名牌内曲线马达相比较，虽然前者的质量和尺寸仍然较大，但其许用转速却比后者高一倍以上，相应的功率密度则高出左右。而且相对于在有级切换排量和转为“自由轮“过程中存在难以避免的；中击的内曲线马达，马达的无级变量功能可专题以在宽广的范围内平稳地连续调速，直到“自由轮”工况，兼有轴向柱塞变量马达调节性能好和大扭矩马达配置灵活的优点。以为代表的一批意大利中、公司近年来不断推出了一些具有特色的液压技术产品，值得关注。图系列径向柱塞马达结构另一个值得注意的动向是对于液压马达的启动和低速运转性能有了一些新的认识。一段时间以来，人们一直认为理论扭矩脉动很小的多作用内曲线马达应该具有最好的启动效率和微动性能。这个观念对于采用横梁或连杆经由带滚动轴承的滚轮传力的传统的工业用内曲线马达大体是正确的。但是新一代的行走机械用内曲线马达改用了简单的柱塞直接传力方式，柱塞和滚轮之间也改用复合材料的滑动轴瓦支承。结构上的这些变化使这一代马达的尺寸和重量大幅度下降，但代价之一是使原本优秀的启动和低速性能牺牲了不少，甚至降到了些单作用马达之下。另一方面，通过精心设计和匹配，原来被认为低速性能平平的斜盘式马达的启动效率却有了显著改善。这大概是林德决策只发展斜盘式马达的重要原因之。除了柱塞式液压马达外，工程机械常选用的低速马达还有结构紧凑、价格便宜的摆线齿轮马达。近年来，通过优化啮合参数、采用滚动针齿及端面配流等新结构，使这种原来被认为只适用于间歇运转和辅助传动的“低挡”马达的性能有了质的飞跃，并开发出有级变量的变型和带有轮毂、轮边减速器和制动器的多种车轮驱动单元。依靠较高的效费比和配套的方便性，摆线齿轮马达已占据了轻系列行走液压驱动装置的半壁江山。（待续）工程机械与维修 万方数据 工程机械及类似行走机械液压驱动技术的发展动向(上作者：王意作者单位：刊名：工程机械与维修英文刊名：CONSTRUCTION MACHINERY & MAINTENANCE年，卷(期：2006(4本文读者也读过(10条1. 姚怀新 行走机械液压传动理论(连载11期刊论文-建筑机械2003(82. 王意 工程机械及类似行走机械液压驱动技术的发展动向(下期刊论文-工程机械与维修2006(53. 邵善锋. 吴卫国. 吴国祥. 李玉河 静液压全轮驱动平地机行走智能控制系统期刊论文-工程机械2008,39(44. 王意 行走机械的液压复合传动技术期刊论文-液压气动与密封2004(15. 王大江. 张宇. 王智勇. 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