机械设计制造中液压机械传动控制系统的应用

应 剑

（龙工（福建）液压有限公司，福建龙岩 364028）

0 引言

在机械设计与制造领域中，液压机械传动系统凭借着传动效率高、控制精度强等诸多优势得到了广泛应用，并一直为该领域所重视。因此，在具体的机械设计和制造中，企业一定要加强对液压机械传动系统的研究，使其得到合理利用，提升机械设计与制造质量，满足当今社会的实际需求。

1 液压机械传动系统的原理和构成

1.1 基本原理

为保障液压机械控制系统始终处在液力平衡状态，需要借助内部液体的特性作辅助，其能量压力的主要变换目标是将与活塞尺寸匹配的压力范围作为基准，将内部的液体作为载波进行控制。这个系统主要有三个构成要素。

（1）执行元件。主要构成是执行泵等设备，实现压力到机械能的转变。执行元件以液体压力为能源，可在短时间内实现设备换向，也可以控制液体流量，满足所有系统的需求。

（2）动力元件。为系统提供足够的功率，以此满足系统的操作需求。因为该元件在液压机械传动系统中十分重要，通常需要设置齿轮泵。

（3）辅助元件。系统内的管道等，用以连接执行元件和动力元件，只有保障这三种元件的良好合作，才能有效保障系统的运行质量。

1.2 系统组成

液压机械传动系统的控制系统（图1），主要由硬件和软件两大部分组成：硬件部分主要有储存器、微处理器、编辑器、I/O 部件以及输出模块，所有的硬件部分都借助总线进行连接；软件部分主要包括系统程序和用户程序两类，其中系统程序控制PLC，用户程序按实际需求进行程序翻译。在软件系统中，PLC 属于核心控制部分，它有足够的普遍性和灵活性，可通过储存器内的程序编辑来实现相应的控制功能，在控制需求变化时，只需要改变相应的程序就可以优化升级，并实现不同对象的远程控制[1]。PLC 有非常好的可靠性和很强的功能，并且操作简单、易于维护，可显著提升系统抗干扰能力，将PLC 应用到液压机械传动系统中，将会对系统的应用与发展提供良好的技术支撑。

图1 控制系统原理

2 液压机械传动系统设计中的控制关键

2.1 控制好运动零部件和配合面的粗糙度

在液压机械传动系统的设计中，为达到良好的传动效果，一项关键内容是控制好运动零部件和配合面的粗糙度，通常情况下将粗糙度控制在0.8 以内（最好控制在0.2～0.4）具体加工方式是滚刮和研磨。滚刮是行业内比较先进的工艺，凭借其高精度、高效率和金属表面强化等特性，可以将液压密封件表面加工成镜面效果，进一步提升其使用寿命。但是在业内也存在另一种理论，认为接触密封件的金属表面不宜太过光滑，接触面积内如果存在一定凹坑可以储存油液，起到润滑和降温的作用，这样可以降低液压部件异响和爬行的概率。所以在具体设计中，应根据实际情况来确定表面粗糙度。

2.2 控制好液压部件的清洁度

液压部件的清洁度对液压部件寿命有着至关重要的影响。在液压传动系统的设计和制造中，应该通过各种加工工艺控制好清洁度，如除锈、清洗和去毛刺等细节，才可以保障液压部件的清洁度，延长液压部件的使用寿命。

2.3 其他注意事项

尽量设计圆角过渡，以保障密封件的正常装配。严格按照标准流程设计、验证每款密封件的参数、工作环境等，保障密封件设计方案与实际要求相符。

3 应用分析

在机械设计中，液压传动系统的主要结构部件有行星齿轮、液压回路和输出轴，行星齿轮可以将功率分流，并根据实际应用需求将其输入到液压路和机械路中，通过液压路和机械路并联来实现功率传递，随后行星齿轮将并联功率回流，实现驱动传动的共同输出。传动系统分开式和闭式两种：前者的运行方式比较简单，安装、保养和维修都比较方便，但是需要设置较大容量的油箱；后者有更加紧凑的结构，只需设置很小的补油油泵，但液路冷热交换能力低。

3.1 煤炭机械

煤炭机械车辆设计控制系统的调速功能时，需要综合考虑煤炭机械设备实际的工作需求，摇臂设备的传动系统可以采用液压马达或油泵进行调速，开采或牵引设备的传动系统可以采用流量或容量进行调速，这样可以为油泵流量和液压马达排量的调节提供足够便利。

3.2 公交车

公交车采用闭式传动系统，可有效保障泵能量和液压马达能量之间的交换；采用开式系统作为公交车传动系统，可以保障一次元件的液压储能。当今的公交车液压机械传动系统大多采用闭式系统，因为由不同的传动轴实现动力的输入与输出，此类系统的功率流向分明，可有效避免混流问题[2]。

3.3 矿山装载机

矿山装载机械合理应用液压机械传动系统，可有效控制其变速器运行状态和斜盘角度，组件包括变量液压马达、变量泵、制动器、离合器和行星齿轮等，借助于差动轮系，可实现液压动力和机械动力的有效合成。矿山机械借助液压机械传动系统控制自动变速换挡，可以显著提升其机械传动效率，降低能量消耗。通过大量的实践应用发现，将液压机械传动系统应用到矿山机械设备中，可以使其燃料经济性提升25%左右。

3.4 履带式车辆

液压机械传动系统在拖拉机、推土机、农业收获机和插秧机等履带式作业车辆中十分适用，可以让这些机械在行驶过程中实现高速调速，满足其作业速度需求，让液压马达实际的输出特征和行驶阻力之间有效匹配，改善作业机械的动力性能。设计此类车辆传动系统参数时，需要综合考虑行星齿轮转速、输出转速、液压马达增速、输出转矩、太阳轮转矩和输出比等情况。

3.5 清扫车

液压机械传动系统也可以应用在清扫车的制造中，通过该系统的应用，不仅可以提升清扫车辆的工作效率，也可以降低清扫车辆的耗油量，降低废气排放量，提升其使用效果。

3.6 分速汇矩系统

液压机械传动系统显著改善车辆的传动和转向性能，目前主要用来控制车辆的分速汇矩系统。例如，DMT25 液压机械传动箱属于两段式的传动结构，其运行工况主要有纯液压和液压机械两种，在传动工况下，纯液压的传动功率在110 kW 左右，液压机械传动功率可超过184 kW。在配备VARIO CVT 液压机械传动控制系统后，作业车辆可借助挡位的高低转换来实现控制，实现车辆运输模式和作业模式的自由调整，其控制系统中的传动能力均可以达到300 kW 以上。

4 结束语

在当今的机械设计和机械制造领域中，液压机械传动系统已经得到了广泛应用，正发挥出越来越显著的优势。因为液压机械传动系统体积小、质量轻、结构紧凑、传动性能更好、功率更大、传动比更高等，该系统不仅可以进一步提升机械的变速换挡效果，也可以有效降低机械能耗，为当今机械的标准化、通用化、自动化和系列化发展奠定良好的技术基础。