静液压驱动及滑移转向底盘液压系统的设计

陈晨

（铁建重工新疆有限公司，新疆乌鲁木齐 830009）

0 引言

静液压驱动技术能实现无级调速，具有功率密度大、控制方式灵活和布局方便等诸多优点，广泛应用于农业机械、矿山机械、起重运输机械、工程机械等多个领域[1]。农业机械行走装置采用静液压驱动技术至今已有60多年的历史[2]，近20年发展尤为迅速。从国内各地的农机展览会上不难发现，各厂家的农用机械产品，如自走式箱式采棉机、自走式采棉打包一体机、自走式玉米联合收获机、青贮机等自走式行走机械绝大多数都采用静液压驱动技术，常见的驱动及转向方式有前桥驱动+后桥转向、前后桥同时驱动+后桥转向、左右轮边直驱+后桥驱动及转向三种，与驱动方式对应的泵马达配置多以一个变量柱塞泵+一个定量马达（或电比例变量柱塞马达）、一个电比例变量柱塞泵+两个电比例变量柱塞马达，以及一个电比例变量柱塞泵+三个电比例变量柱塞马达的形式出现居多。转向系统多由液压转向器、方向机、转向油缸及转向后桥构成。不论是前桥转向还是后桥转向，均无法实现零转弯半径，在小地块作业时需多次调头，不但严重影响其工作效率，还会在调头时碾压作物，造成不必要的浪费。前后桥转向模式要想实现转向功能必然需要转向桥、转向油缸、转向器及方向机等部件，因此不论从提高工作效率、降低成本、减少作物浪费的角度，还是从提高功率利用效率和绿色环保的角度都应增加对该方面的关注力度[3]。

1 液压系统设计

1.1 底盘液压系统

图1为底盘液压系统原理，该系统由左右两个独立的闭式系统组成，主要包括两个变量柱塞泵、两个分流集流阀、两个冲洗阀、四个单向阀、四个变量柱塞马达以及一个散热器等主要元件。底盘行走采用闭式液压系统相对于开式系统有如下优点：

（1）车辆行驶方向控制阀规格较小，仅用于先导控制；

（2）过滤器和散热器规格选型较小，只需与补油泵流量进行匹配；

（3）液压油箱尺寸可相对较小，只需与补油泵流量进行匹配，节省了安装空间；

（4）泵马达工况可逆，可实现静液压制动。

如图1，两个变量柱塞泵分别与左右两侧的前后两个变量柱塞马达构成两个独立的闭式液压系统，两个变量柱塞泵工作腔的压力油分别经各自的分流集流阀为左右两侧的前后两个变量柱塞马达供油，变量柱塞马达在压差的作用下产生扭矩，进而驱动轮边减速机带动车轮转动，最终实现底盘的静液压四轮驱动。两个变量柱塞泵均为电比例闭式变量柱塞泵，通过改变斜盘倾角方向实现底盘前进和后退。两个冲洗阀的柱塞在马达高低压侧的压差作用下分别为左右两侧的变量柱塞马达低压侧做强制冲洗，使马达的热油流回油箱进行冷却，来自辅助液压系统（图2）的压力油为左右两个闭式系统补油。冲洗冷却效果与冲洗流量并非简单的线性关系，根据经验，冲洗流量一般为补油泵流量的20%~40%，低于此数值会因冷却不充分而导致马达及系统油温升高，高于此数值时，由于马达搅动功率过高同样会导致系统油温升高，最终影响密封及泵马达的使用寿命。

该底盘行走液压系统采用电比例变量柱塞泵+电比例变量柱塞马达的配置，变量柱塞泵的排量与电流大小呈正比，即电流约大，其排量越大；而变量柱塞马达的排量与电流大小呈反比，即电流越大，其排量越小。底盘变速箱配有田间作业和公路运输两个档位。在田间作业时，先切换至田间作业档位，通过推动操作手柄给变量柱塞泵加载电流实现行驶速度调节，即电流越大，其行驶速度越快，但此时变量柱塞马达的排量不变，为最大排量状态，即电流为0，使变量柱塞马达在田间作业时能够为机器输出更充足的扭矩；在公路运输时，先切换至公路运输档位，通过闭环控制使操作手柄的行程与目标车速匹配，驾驶员推动操作手柄，先给变量柱塞泵加载电流，如果车速达到目标车速，则停止给其加载电流，如果车速未达到目标车速，则继续给其加载电流直至加载到100%满排量，如果此时车速仍未达到目标车速，则给变量柱塞马达加载电流，直至达到目标车速或是最大设计行驶速度。程序控制上，在低速至中速之间用变量柱塞泵调速，满足低速行走时的低速大扭矩需求，中速至高速之间用变量柱塞马达调速，满足其高速行驶的需求，因此该种调速方式具有调速范围宽、速度调节灵活、功率利用率高、无溢流损失等优点[4,5,6]。

1.2 辅助液压系统

图2为辅助液压系统原理，该系统不但可为底盘行走的两个闭式系统补油，还能为底盘驻车制动系统、行车制动系统供油，主要由齿轮泵、溢流阀、电比例换向阀、脚刹阀、蓄能器、减压溢流阀、阀前压力传感器和阀后压力传感器构成。

液压油流经吸油过滤器、齿轮泵和阻尼，一方面通过减压溢流阀为底盘行走液压系统低压侧补油，另一方面经过单向阀为驻车制动和行车制动系统供油，通过驻车阀得电或失电实现解除驻车或驻车制动，通过踩踏脚刹阀为行车制动系统提供液压油。蓄能器不仅可在齿轮泵或发动机故障时为底盘行走液压系统提供应急动力源进而实现紧急情况下的制动，还能为解除驻车提供稳定的油源，防止出现驻车系统出现间歇性驻车及解除驻车的情况。在驻车阀的阀前和阀后分别安装了阀前压力传感器和阀后压力传感器，不但可以监测驻车系统的实时压力是否正常，还能以此判断驻车阀是否正常工作。单向阀将高低压侧隔开，达到为驻车制动系统和行车制动系统保压的作用。电比例换向阀的作用是为了降低发动机启机时的负载，即当发动机启机时，电比例换向阀为最大电流，辅助液压系统处于低压卸荷状态便于启机，当启机数秒后，比例换向阀电流逐渐降低为0，液压系统逐渐减压，以达到减少压力冲击的目的，此时辅助液压系统处于高压待命状态，多余的液压油经溢流阀溢流回油箱，节流阀的作用是在辅助液压系统检修时为蓄能器卸荷。

1.3 制动液压系统

图3为制动系统液压原理，主要有驻车制动系统和行车制动系统。驻车制动和行车制动是通过将辅助液压系统的压力油供油至轮边减速机上相应的驻车制动和行车制动工作油口而实现的。

2 行走及滑移转向原理

2.1 直线行驶

启动发动机前，电比例换向阀处于得电状态，此时启动负载小，利于发动机启动。启动后，电比例换向阀处于失电状态，系统压力逐渐升高，达到溢流阀设定值后，多余的液压油流回油箱。齿轮泵向蓄能器中充液，充液压力达到阀前压力传感器设定值后，允许驻车阀动作，即允许解除驻车。阀后压力传感器显示驻车阀的阀后压力，一旦压力低于设定值则系统报警，同时向前推或是向后拉左右操纵手柄，变量柱塞泵工作油口通过分流集流阀的分流或是集流功能分别向左右两侧的变量柱塞马达供油，实现车辆前进或是后退。通过向前推或向后拉左右操纵手柄来调节变量柱塞泵或变量柱塞马达的斜盘倾角，从而达到不同的行驶速度。齿轮泵通过阻尼和减压溢流阀向左右闭式系统低压侧补油。脚刹阀用于行驶过程中紧急制动。

2.2 原地转向

如图1，左侧操纵手柄向前推，利用分流集流阀的分流功能，使左侧两个变量柱塞马达同步向前转动，右侧操纵手柄向后拉，利用分流集流阀的集流功能，使右侧驱动马达向后转动，从而实现车辆的原地向右转向。原地向左转向操作过程与原地向右转向过程相反。

2.3 行驶转向

如图1，在直线行驶过程中，操纵手柄控制左右侧变量柱塞马达的转动速度，使左右两侧变量柱塞马达的转动速度产生速度差，从而实现行驶转向。

3 总结

本底盘静液压驱动控制系统采用电比例变量泵+电比例变量马达驱动行走，通过分流集流阀分别使左右两侧的前后两个变量马达同步转动，进而实现车体原地转向和行驶转向，具有如下优点：

（1）能够实现原地“零半径”转向，提高作业效率，节能减排；

（2）能够降低发动机启动负载，且系统建压过程液压冲击小；

（3）速度调节灵活、速度调节范围宽。

4 展望

农业机械液压系统主要由底盘静液压驱动系统、液压转向系统和辅助液压执行系统三大部分构成。近年来，农业机械正朝着多功能、大功率、高效率以及节能的方向快速发展，液压传动与控制技术的无级调速、高功率质量比和简化机械传动复杂程度等优点，不仅可提高农业机械的科学技术含量，更加实现了机械传动难以实现的功能，能在很大程度上减轻农民的劳动强度，其在农业机械领域的应用必将越来越广泛。