靜液壓傳動技術在軌行式施工機械的應用

1、軌行式施工機械概述
　　
　　軌行式施工機械在專門鋪沒的軌道上運行，具有負載能力人、運行阻力小、對環境污染小、可以采用各種形式的動力傳動等特點。軌行式施工機械是軌行式行走機械的分支，一般包括軌行式起重機械、礦山及地下工程施工及牽引機械、鐵路施工機械和鐵路養路機械等。軌行式施工機械主要分布在交通運輸、水電、工礦等行業。
　　
　　軌行式施上機械因可不采用內燃機動力而具有對環境污染小的特點，這對于環境惡劣的生產現場來講顯得尤為重要。在地下上程施T或采礦業生產中，當獨頭掘進在1km以上時，占總工程量40％的運輸(包括出碴、運送礦石及材料等)生產線一般都會采用有軌運輸方式，也即所有洞內往返移動沒備均采用輪軌行走方式。這佯做除減少洞內廢氣污染外至少有3個優點：① 通風量比無軌運輸方式(如內燃機驅動的各種運輸車輛)減少了1．6～3．6倍，從而減少了通風費用；② 占用巷道空間小，施T干擾小； ③ 設備維修簡單，專業化程度高，配件供應方便。
　　
　　因此，當施T場地相對固定、物流方向確定并具有相當規模、設備往返頻率高、施工條件惡劣及不適宜采用其它行走方式時，一般宜選用軌行式施工機械。軌行式施工機械又分為牽引型和非牽引型兩類。
　　
　　牽引型軌行式施工機械的特征：①工作裝置的運動與整機行走方向和速度無關；② 工作裝置的運動軌跡與整機行走方向平行，牽引力通過行走裝置液壓系統傳遞，液壓傳動系統與發動機之間為全功率匹配；③工作裝置消耗的功率占整機總功率的30％以下；④ 行走傳動系統承受的牽引負荷變化劇烈、波動大且具有隨機性；⑤ 一般無作業質量要求，因而不要求工作速度的穩定性，只追求速度與負荷之間的自適應能力，即著重關注動力性、經濟性和作業效率。
　　
　　非牽引型軌行機械的特征：① 工作裝置依靠自身傳動系統完成各種作業，且作業工況下行走牽引系統與發動機之間為部分功率匹配，② 工作裝置的驅動功率消耗整機的主要功率，牽引功率占次要部分；③ 有作業質量要求，不允許速度與負荷之間的自適應性，因而要求作業時保持行進速度的平穩性，追求的主要指標是作業質量。
　　
　　軌行式施工機械在傳動方式方面的革新與進步滯后于其它行走方式如輪胎式施工機械。目前國外已開始在中小功率(200kW 以下)的軌行式機械上大量采用靜液壓傳動以取代液力機械式傳動，并逐步得以推廣 ，而國內生產和使用的軌行機械的行走機構仍然還保留著最初的機械傳動、液力傳動或液力——機械傳動的傳動方式。
　　
　　2、軌行式行走機械靜液壓傳動系統的應用
　　
　　靜液壓傳動方式是伴隨著液壓傳動技術與元件制造技術的快速發展而成長起來的先進傳動方式，與液力傳動是在機械傳動的基礎上發展和提高一樣，靜液壓傳動在軌行式機械的研發也是在液力傳動的不足及缺陷基礎上邁出第一步的。
　　
　　2.1 軌行式行走機械靜液壓傳動系統的特點
　　
　　軌行式施工機械的靜液壓傳動方式是系統以連續運轉的運動方式將發動機輸出的機械能通過液壓泵轉化為液壓能，再由馬達將液壓能轉化為能克服負荷的機械能，從而實現發動機與軌行式行走裝置之間的動力傳遞，是以液體為介質進行能量傳遞和控制。與液力傳動不同，靜液壓傳動是利用封閉管路內液體的壓力能而不是液體動能。靜液壓傳動分閉式傳動和開式傳動兩種類型，通常在施工機械的行走液壓系統中采用閉式液壓傳動回路。這種閉式回路具有下列特點。
　　
　　1) 能適應作業中負荷變化劇烈、變速和換向頻繁的工況，尤其對低速穩定性要求高的場合。
　　2) 可實現無級調速，且調速平穩、均勻、準確，微動性能好。
　　3) 能適應機具或機型復雜、發動機距離驅動輪較遠、傳動線路長且多曲折、輸入與輸出端相對位置多變及對設備外形尺寸有特殊要求的設備。
　　4) 動力性能好，采用靜液壓傳動的行走設備其牽引性能、爬坡能力、低速性能、高速性能在輪軌行走方式下能夠達到令人滿意的程度。
　　5) 傳動系統與機械傳動、液力傳動相比最為簡單，動力元件與執行元件(馬達)之間為“軟聯接”。同時，軌行機械一般不需要轉向機構，應用靜液壓傳動裝置甚至可使行走系統簡單到系統只看到一組“1拖N”組件(油泵與馬達)和油管。
　　6) 可合理配置動力源，并可實現多源合流和一源分用。
　　采用閉式系統是HST裝置的核心技術特征之一。以閉式系統構成的HST裝置在保留了傳統液壓傳動所共有的功率密度高、布局方便、過載保護能力強和控制方式靈活的優點的同時，又具備了馬達輸出轉速可無級調速和連續運轉的能力。
　　
　　2.2 國外的應用現狀
　　
　　靜液壓閉式傳動技術在軌行式設備上的運用從上世紀80年代開始。由于在電力拖動技術中很難找到功能與比功率值可與低速大扭矩液壓馬達相比擬的低速電機，因而國外開始在井下的有軌車輛的行走機構中嘗試電機—液壓泵低速馬達—驅動輪方式的靜液壓傳動系統。之后，發達國家開始在港口裝運集裝箱的重要設備—— 門架式起重機上運用HST裝置以解決遠距離傳輸的動力平穩性問題。鐵路施工與運輸機械是國外軌行機械發展較快的領域，伴隨著以奧地利Plasser&Theurer公司為代表研制的高速鋪軌列車的問世，靜液壓驅動行走方式在軌行機械的應用和發展取得了突破，引領了軌行式施工機械技術革命的潮流，使生產效率大大提高。同時由于靜液壓傳動優異的微動性能，使駕駛員能夠更加準確定位。
　　
　　近年隨著靜液壓技術的日臻成熟，對于特殊用途的行走車輛，國外幾乎無一例外地采用了HST裝置設置行走系統，如用于軍事用途的牽引車、有軌運載火箭、航空運輸業的輔助車輛、船體分段有軌輸送裝置以及化工反應塔等等。
　　
　　2.3 國內的研究應用現狀
　　
　　靜液壓傳動技術在國內應用始于上世紀80年代，主要應用于聯合收割機、*車、市政工程機械等。國內目前軌行式施工與運輸機械仍大多沿用機械傳動與液力機械傳動模式。
　　
　　對軌行機械這種“鋼對鋼”行走的設備，行走系統機械傳動固然有簡單、可靠、傳動效率高、故障率低等優點，但由于缺乏“柔性”，外負荷的變化總會“剛性”地反作用于傳動系統，因而大大影響了傳動的平穩性，使振動和噪聲增大。另外，機械傳動換擋時的動力切斷及產生的沖擊不論對牽引型或非牽引型軌行機械來說都是不利的。液力傳動裝置雖有柔性聯軸器之稱，可用較少的擋位獲得較寬的連續的速度與牽引力變化范圍，但其傳動效率低、機構復雜，同時增加了補償冷卻系統、動力換擋變速箱、閉鎖離臺器及相應的控制系統，使整體結構較龐大，不利于系統布置。
　　
　　基于靜液壓傳動技術在工程機械行走機構上的應用得到了突飛猛進的發展，促使國內相關行業開始投入更多的目光關注該領域的研究動向。近年國內在特殊、專用軌行式施工機械的研發上已開始應用靜液壓傳動技術，并取得了令人矚目的成就，如高速鐵路無縫線路施工和城市輕軌交通的鋪軌設備等。因此，在軌行式施工機械上應用推廣靜液壓傳動技術應只是時間早晚而已。
　　
　　制約國內靜液壓傳動技術應用的根本因素：① 國產液壓元件不配套、質量不過關；② 關鍵技術的研究缺乏理論分析、試驗和系統化；③ 由于靜液壓傳動元件的技術及制造水平的局限，目前可用于工程機械使用的H S T 裝置元件均在300kW以下，而軌行式施工及運輸設備中大功率級別的占有相當比例，其中液力傳動約占50％；④進口HST裝置中的主要部件費用昂貴。
　　
　　3、靜液壓傳動裝置的發展趨勢
　　
　　3.1 國外的發展趨勢
　　
　　1) HST裝置作為機械基礎件產業正與其它主機產業相互促進、相互依存、相互發展壯大起來，而且在其自身發展的同時日益顯示出工業產品專業化分工愈來愈明確和愈來愈細致的特點。
　　
　　2) HST裝置作為一種從自身性能到安裝布局都給設計者帶來極大便利、“友好”的液壓元器件，正遵循當前模塊化沒計理念方向發展，使整機設計制造更容易“對號入座”。
　　
　　3) 發展成為與機械、液力機械、電力電子傳動組合的復合式傳動裝置。
　　4) 更高的功率密度、更高的傳動效率、更高的系統壓力和許用轉速。

　　5) 調節和控制方式多樣化。除了繼續延伸對輸入端進行綜合調節的電了變量調節裝置的研究外，還繼續擴大對輸出端的次級調節方式和在輸入和輸出端之間進行二次調節裝置的研究。
　　
　　3.2 國內的發展展望
　　
　　（1） 國內發展需要解決的問題
　　
　　1) 觀念更新。靜液壓傳動技術的先進性是不容置疑的，但采用新技術牽涉到整個應用系統的改型、技術規程的修改和配件供應的組織，有的還涉及到整個運行組織的調整。
　　2) 作為靜液壓傳動技術的核心元件，國產靜液壓傳動元器件的制造水平及配套技術有待提高。
　　3) 采用HST裝置的較高初期投入可以換來較低的后期使用及維護成本，這一觀念性的認識還沒有得到廣泛的認同。
　　4) 全方位開展靜液壓傳動系統在軌行式施工機械的應用、動態特性和測試技術的研究。
　　
　　（2）研發的具體研究內容
　　
　　1) 對軌行式行走機械的各種傳動系統進行對比分析，歸納出共性與特性，由此得出有益的結論，進而指導下一步研究和探討。
　　2) 軌行式行走機械靜液壓系統分析，按照牽引型和非牽引型分類，確定傳動方案構成及控制，并與液力機械傳動進行對比分析。
　　3) 液壓馬達與行走傳動裝置組成形式分析。
　　4) 結臺實際工程應用實例，針對軌行式施工機械液壓系統進行全面、完整的實用性設計，通過對行走系統及工作裝置系統的全面設計及細化，形成完整的軌行式施工機械靜液壓傳動系統。
　　5) 軌行式施工機械采用靜液壓傳動技術的性能指標分析研究。其性能指標應從以下幾方面進行分析及評定：① 經濟性指標——系統效率；② 節能指標——功率利用，③ 調速指標——調速范圍和微調性能； ④ 機械特性指標——系統剛度； ⑤ 工作性能指標——負載能力。
　　6) 軌行式施工機械靜液壓傳動及控制技術的展望。通過多個應用實例及理論分析，進一步總結提升。