静液压传动在装载机上的应用及参数匹配分析
44 机电技术 2011年2月
静液压传动在装载机上的应用及参数匹配分析
黄松1 冯勇建2 黄志凌2
(1.厦门厦工机械股份有限公司 福建 厦门 361004； 2.厦门大学物理与机电工程学院 福建 厦门 361005) 摘 要：文章介绍了静液压传动系统的工作原理、特点、及其在厦工XG904等机型上的应用。分析对比了静液压系统与发动机之间、静液压驱动与传动系统之间的匹配关系，结合XG904整机的特点，建立最佳匹配模型，对提出系统设计、配置方案等有重要的参考意义。
关键词：XG904；静液压驱动；静态匹配
中图分类号： TH243 文献标识码：A 文章编号：1672－4801(2011)01－044－03
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随着小型多功能机械(Compact Machine)的发展，静液压传动技术因其独特的优势，越来越得到广泛的应用。在国内，静液压传动已广泛用于工程机械，如国内生产的林德系列叉车、液压传动扫路车、振动压路机、滑移式装载机、井下凿岩机和飞机牵引车等，都采用静液压传动装置作为行走制动系统。厦工机械作为国内装载机的专业生产厂家，率先在装载机上使用静液压驱动技术，并且已经形成批量生产，代表机型有XG3090、XG90、XG902等，在同行中备受好评。
传动系统原理图。
图1 静液压传动系统原理图
1. 变量控制伺服阀；2. 变量泵；3. 辅助泵；4. 补油溢流阀；5. 高压油管；6. 补油单向阀；7. 定量马达；8. 低压溢流；9. 梭阀；10. 高压安全阀；11. 微动阀；12. 低压油管；13. 冷却器及旁通阀；14. 滤油器总成； 15. 油箱；16. 泄漏油管；17. 控制油管
1 静液压系统构成与特点
1.1 静液压系统的构成及工作原理
静液压传动系统HST(Hydraulic Static Transmission) 是指由液压泵、液压马达，补油泵和控制元件(液压阀) 组成的闭式回路，辅以调节控制装置等组成的一种无级变速传动系统，有传动比连续、传递动力平稳、操纵方便等特点。静液压传动装置是以液压泵和液压马达为主组成，附加各种变量控制单元和传动元件(减速器或变速箱) ，成为一种无级变速的传动装置。它与纯机械传动和液力机械传动相比，具有高效区宽、布局灵活、无级变速、换向方便、控制方式多样和功率利用合理等众多优点。工程机械合理运用静液压传动装置，则能改善机器性能，提高生产效率，节省能量消耗，使机器的品质上升到一个新的阶段。图1所示为静液压
*基金项目：福建省重大科技专项(2010HZ0002-1)
作者简介：黄松(1979-)，男，工程师，研究方向：液压传动控制。
1.2 静液压系统的组合方式
根据静液压传动中排量是否可调可以分为4种系统组合方式：定量泵－定量马达，定量泵－变量马达，变量泵－定量马达，和变量泵－变量马达。根据XG904整机的特点，我公司选择了变量泵－变量马达的组合方式。 1.3 静液压系统的特点
静液压传动与传统的液力机械传动相比，具有以下优点：
(1) 可以实现无级变速，换向方便； (2) 发动机在任一转速下工作，传动系统都能发挥出较大的牵引力；
(3) 传动系统能在很宽的输出转速范围内保
第1期 黄松 等：静液压传动在装载机上的应用及参数匹配分析 45
持较高的效率；
(4) 行走功率和作业装置功率可以合理匹配，使发动机功率充分利用；
(5) 液压泵和液压马达位置布置比较灵活，有条件使发动机采用横向布置，缩短了装载机的纵向长度，改善司机的视野；
(6) 液压泵和液压马达都可采用电比例变量控制，考虑到微机技术的飞速发展，使二者很好的结合，实现智能化控制；
(7) 据有关资料介绍，与液力机械传动相比，装载机作业率可以提高30%，燃油消耗可降低25 %。
轮式装载机行走驱动负荷变化较大，它的静液压传动装置都由变量泵和变量马达组成闭式回路，而液压泵的变量控制方式为与转速有关的液压控制(XG904的DA 控制) 。这种变量方式使装载机具有变矩器的功能，并有以下几个特点：
(1) 它的控制泵与发动机直接相连，变量机构中，设有控制阀，当发动机转速发生变化时，控制泵输出流量随之变化，这样由于内节流处的流量发生变化，导致节流前后压差的变化，而造成控制压力的变化。整个变化过程可以简单的描述为：转速提高—控制压力增大—排量变大；
(2) 当行走驱动系统工作压力升高时，引起发动机转速下降，此时控制压力降低，使泵的排量减少，泵的输入扭矩和发动机转速重新恢复到设定值；
(3) 控制阀与发动机的油门控制杆联动，当发动机的油门加大, 则控制阀内的节流开度也加大，可以获得不同驱动转速下的控制曲线，这些控制曲线是相互平行的。一旦工况发生变化，使转速变化值尽可能地小；
(4) 可以在发动机转速调定的情况下，改变控制阀内节流开度的大小，从而增、减控制压力，来调整行驶速度。在轮式装载机中，特别是像XG904这样的滑移转向式装载机，由于配备独立的静液压驱动装置，分别驱动左右两侧的驱动轮，它既能无级调速，又能原地旋转，具有良好的通过性和灵活性，适用于场地狭小的条件下工作。
2 静液压传动系统关键组件参数匹配计算
2.1 静液压系统与发动机的匹配
由于发动机与静液压系统的液压泵相连，研究发动机与静液压系统的匹配即研究发动机与液压泵之间的匹配。
发动机功率P e 的函数关系式为
P e =T e ×N e 9549. 30 (1)
式中，T e —发动机的转矩，N ·m ；N e —发动机的转速，r/min。
若不考虑功率损失，HST 液压泵的输出功率
P p 为
P p =P ×Q p 60=P ×q p ×N p 60000 (2)
式中，P —泵的出口压力，Mpa ；Q p —泵的出口流量，l/min；q P —泵的排量，ml/r；N p —泵的转速，r/min。
对于静液压驱动装载机来说，在工作时需要驱动和工作联合作业，因此实现发动机与泵的匹配，需符合以下两个方面的要求：
(1) 在满足最大驱动力功率的情况下，应使系统具有一定的工作能力；
(2) 应使P e ≥P p , 发动机转矩与泵的转矩相等，即T e =T p 。
图2 整机传动系统布置图
由XG904整机传动系统布置图可以看出，发动机的转速N e =N p ，则发动机与泵的匹配关系式可表示为
P p =P ×q p ×N p =T e ×N e =20.69kW ＜P e =24. 5 kW (3) 因此，当外负载发生变化时，系统压力也随之变化，此时，可通过调节DA 阀调节变量泵的排量q p ，使泵的吸收转矩保持不变，控制发动机转速的变化，就实现了泵与发动机之间的功率匹配。
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计算结果如图3所示。
为：
v =N w ×R w (4)
式中，N w —车轮的转速，r/min；R w —车轮行使一圈走过的距离，m/r。
通过静液压驱动泵和马达之间的流量连续性方程，可以得出
(1) 当马达处于高速档时：v =18.45 km/h； (2) 当马达处于低速档时：v =7.24 km/h。 整机的驱动力函数关系式为：
图3 计算结果
F=T w /R (5)
式中，T w —车轮的扭矩，N ·m ；R —轮胎的半径，m 。
根据马达输出扭矩及车轮的扭矩，得出整机驱动力为： F =T w /R =16.6 kN
通过以上计算，得出整机参数及配置如表1：
通过上图现场考察计算结果可以看出，整机
爬行坡度可以到达70%以上，最大车速可以达到18 km/h以上，基本满足整机要求，匹配合理。 2.2 静液压系统与传动系统的匹配
由整机系统布置图看出，车速的函数关系式
额定功率(kW )/转
速(r/min)
最大扭矩(N·m) /转速(r/min)
表1 整机参数及配置
发动机型号
整机操作质量
(kg)
最大驱动力(kN)
车速(km/h)
通过现场考察分析，对比结果及参数配置，由表2的整机基本参数计算，可以看出，静液压传
流量 (l/min) 28.4 76.5 28.4 76.5
压力 (Mpa) 325 129 325 129
403D-15 24.4/2400 96/1800 2160 16.6 I 档：7 II档：18
动系统关键组件的参数匹配基本上能够符合要
求。
电机转速(r/min) 574 1647 1354 4197
电机扭矩(N·m) 216 81 70 23
行程 (km) 45.0 45.0 17.1 17.1
表2 整机基本参数计算
工作点 1 2 3
速度(km/h) 2.53 7.14 5.95 18.45
调度 18.20 18.20 7.12 7.10
4
3 结论
通过对XG904静液压驱动系统分析与计算表明，静液压闭式传动系统的输入功率对系统的输出特性有很大影响，首先，应根据外界负荷扭矩的变化来控制发动机的转速，保证发动机的功率
和燃料经济性对于外负载始终处于最佳状态，而传动系统的选择则必须从整机的特点、整机的布局出发，考虑泵和马达的匹配，选择好泵和马达的组合，由此来确定静液压传动系统中重要参数的匹配。
参考文献：
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