信息化对工程机械传动技术的影响

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当前，我们正经历-场新的技术革命，这臣术革命以信息技术为中心，以极大地提高工作效率为目标。

在这种新技术革命的影响和冲击下，使传统的机械工业焕发了青春，同时也使工程机械行业发生了深刻变化，信息技术的广泛采用使工程机械的功能增多，各项收稿Et期：2013-08-272 液压与气动 2013年第9期性能大幅提高，性能价格比大为改善。

信息技术包括三大支柱，即：测量与控制技术、计算机技术、通信技术↑些年来这些技术取得飞速发展，并在工程机械传动技术方面不断得到应用。例如，在国外，日本小松公司推出了20 t级 PC200.8型混合动力挖掘机，采用并联式混合动力系统，比传统动力的挖掘机可节省燃料 20%以上，同时NO 、CO 排量进-步减少。

卡特彼勒推出了966K XE中型轮式装载机，采用了带变速控制系统的电控静液压传动装置，燃油效率提高25%；在国内，西筑Wq750型摊铺机采用德国力士乐微控制器系统 MC6，可实现恒速控制功能，采用双泵、双马达左右独立驱动的液压调速闭式回路，转向圆滑，低速行走平稳 J。信息化在工程机械传动技术方面，国际国内成功应用的例子还有很多，可以说不胜枚举 。

目前信息化技术还处于强劲的发展之中，所以工程机械信息化的进程还远没有结束，在未来，综合信息化还会对丁程机械传动技术产生巨大的影响，总结其发展趋势归结为以下4个方面。

1 由流体、机械处理动力流信息逐渐走向由微电子技术处理动力流信息早期的工程机械与现代意义上的信息技术关联不大，其动力流信息的处理主要靠机械、流体本身完成。

1.1 液压技术方面早期的开式液压系统主要采用滑阀来控制动力流走向，滑阀是典型的用机械处理动力流信息的部件。

后来为了实现对传动系统精确的力、位移控制，出现了伺服阀与比例阀。伺服阀因对油液的过滤精度要求较高，在工程机械传动上的应用较少，相比之下比例阀的应用比较广泛 ，图 1是使用比例阀对油缸位移进行伺服控制的原理图。

图 1 使用比例阀对油缸进行位移伺服控制原理图伺服阀与比例阀对动力流的控制是在机械、流体控制的基础上增加了微电子控制，且微电子控制部分更多地决定了控制性能，代表了从机械、流体控制为主走向以微电子控制为主时代的到来。

但是在伺服阀与比例阀对动力流的控制中，机械的控制仍然占有相当的成分，因为它们没有摆脱滑阀控制的物理基矗图2a显示出了图 1中三位四通阀控制口的特性与图2b中惠斯顿电桥各边的特性对应关系，从中可以看出滑阀的控制特性完全可以用电学上的桥路控制特性来代替。

P ，q Pb，qhal图 2 三位 四通 阀与惠斯顿桥路的关 系图3是利用桥路的基本原理使用电磁阀或高速开关阀来构成的与图2a具有相同驱动功能的驱动系统。

图中的系统若频响要求低时可使用普通电磁阀，若频响要求较高时，可使用高速开关阀。

图3所示的系统中机械与液压对动力流信息的处理功能进-步弱化，其功能更多地被信息技术所取代，与原系统相比在控制方法上具有了更多的灵活性 。

图3 利用桥路原理构成的负载驱动油路随着工程施工机械向大型化方向发展，大输出的液压元件被用于工程机械上，为了操作省力，液压控制系统随之采用了先导控制液压系统，先导控制起到了动力放大器的作用，是处理动力流信息的-种方式。

2013年第9期 液压与气动 3随着液压技术的进步，我们习惯了越来越多地采用了液压本身来处理动力流信息 。

为了提高液压系统的控制功能，采用了复杂的多路阀。多路阀是以两个以上换向阀为主体，集单向阀、过载阀、补油阀、制动阀及压力补偿器等于-体的集成阀。如图4所示为Rexroth-LUDV多路阀，即负载独立流量分配 阀∩实现单泵-多执行器系统 的复合动作1.行程限制 2.工作 口过载补油阀 3.单向阀4.LUDV压力补偿器 5.单向节流器 6.主阀芯7.进油测量阀口 8、9.回油阀 1O.进油槽图4 Rexroth.LUDV多路阀结构图为了实现节能、降噪、提高工作效率及工作平稳性控制方面的功能，液压泵采用复杂的油路将恒功率、全功率、交叉功率、压力切断、负载敏感、正流量、负流量控制回路等集于液压泵中。

图5所示为 Rexroth-A11VO变量柱塞泵，它具有恒功率、压力切断、负载敏感控制，可应用于混凝土泵车、铲运机械、混凝土机械、路面机械、压实机械及起重机械等工程机械领域。

无论是前面所说的多路阀、还是多功能泵，其制造工艺复杂、成本高，使用液压与机械承载了较多的动力流信息处理功能，这些功能可否用现代信息技术来解决呢答案是肯定的，并且是-种发展趋势 。

1.2 液力技 术方面液力变矩器是人类在流体传动领域最伟大的发明之-，它巧妙利用了泵轮与涡轮之间的相对转速不同，使流体动压力冲向叶片角度不同的原理，实现了自动变矩的功能。早期的液力变矩器为简单的三元件液力变矩器，其高效区范围(传动效率大于75%的区域)较窄，图6是 YJ355型三元件液力变矩器原始特性。从中可以看出，当传动系统提供的力矩不足以克服过大的负载时，变矩器涡转转速就会下降，在泵轮转速(同发动机转速)相对不变的情况下，转速比i降低，变矩比增大。反之当传动系统提供的力矩大于负载时，则变化趋势正好相反。这就是变矩器的变矩功能，也是使用液力技术处理动力流信息的典型例证["，他 。

将蓑图 6 YJ355型三元件液力变矩器原始特性液力传动有个比较大的弱点就是其传动效率较低，尤其是当遇到较重的负载需要传动系统输出较大功率时，液力变矩器的传动效率反而大幅度下降甚至降低为零。它使作业效率降低造成了能源的浪费。浪费的能源转化为热量使油温升高导致机器工作环境恶化故障率上升 。

针对这-情况 ，近年来国内外的研究者与技术人员主要通过设计双泵轮、双导轮、双涡轮和反转导轮机构等措施来提高变矩器的效率和高效区范围，这些措施取得了-定成效 ，但并没有从根本上解决重载下传∞ ∞ 加 m O- - 籁帐 群6 液压与气动 2013年第9期图 13 ZLS0型装 载机 用换 向阀近年来汽车工业使用混合动力技术，在稳定发动机到低油耗工况、以及节能与减排方面取得了突出的成绩。与汽车相比工程机械工作时的载荷波动更大，稳定发动机到低油耗工况并实现恒功率输出也具有更大的挑战性，不过使用混合动力技术实现节能的潜力也更大。因此近年来出现了多种类型混合动力的工程机械，最主要的有液压混合动力工程机械和电混合动力工程机械两种E 4，28-301。

首先介绍液压混合动力工程机械，图 14为-种液压混合动力装载机原理方案，其主传动系统采用液压混合动力技术，通过二次调节技术回收制动能，降低燃油消耗和尾气排放，并提高整机动力性能。根据徐工集团推出的ZLSOG液压混合动力装载机提供的报告，整机节能达 25%，制动回收率达75% E4，3o]。

图 14 徐工集团 ZLSOG液压混合动力装载机及原理图下面介绍电混合动力工程机械，在电混合动力装载机方面，2008年推出了世界首台混合动力轮式装载机--沃尔沃 L220F Hybrid，如图 l5所示，该机通过在发动机输出轴上安装 ISG电动/发电机，构成了并联式混合动力电驱动系统，据报道可节省燃料 10%。

图 15 沃尔沃 L220F HybHd轮式装载机另外，前面第-节介绍过的川崎 65ZHybrid装载机与约翰迪尔 644K Hybrid装载机，分别是并联与串联电混合动力装载机。

在电混合动力挖掘机方面，相关文献报道较多，这里只介绍几种。

图 16为日立建机电混合动力液压挖掘机的结构示意图。该机采用了并联式电混合动力系统，回转部分与行走部分分开控制，两者之间通过两个整流逆变器进行电连接 .3j。

行走部分图 16 日立建机 的混合动力液压挖掘机 结构图 l7为日本小松混合动力液压挖掘机系统，采用并联式混合动力系统，系统有-个单独的能量回收液压马达和发电机，使用电机驱动回转体能够减小发动机的功率，控制器根据操作信号和反馈信号来控制发动机、电池、整流器、逆变/整流器和控制阀 。

与前面不同的是它采用串联式混合动力系统，发动机输出的机械能全部转换为电能，供给四个电动机驱动动臂、斗杆、铲斗油缸和左右行走以及回转马达。蓄能2013年第9翔 液压与气动 7图 17 小松的混合动力液压挖掘机系统装置采用电池和电容的组合，分别利用了电池的高比能量和电容的高比功率。系统的势能、惯性能和制动能可以通过液压马达和电动/发电机回收，直接转换为电能后存储在电池和电容中 。

柴油 机 整流器皇望垫瑟旋转马达液压控制单元鞲 控制 甘图 18 神户制钢所混合动力挖掘机系统前面介绍了工程机械通过使用混合动力技术，在载荷波动时稳定发动机到低油耗工况工作实现恒功率输出，从而实现了节能减排方面的目的，除了混合动力技术以外还有-项技术也可以实现相同功能，那就是CVT(Continuously Variable Transmission)静压无级传动技术 。

图 19为卡特彼勒近年来推出了966K XE中型轮式装载机，它采用了CVT静压无级传动技术。CVT将发动机传递来的动力分成两条路径传递出去，-路通过机械方式，另-路通过液压泵和液压马达变速传递。

由于该液压系统可以无级变速，因此整个变速箱具备连续可变速的特性。通过调整液压进行无级变速，使得发动机转速与机器速度无关，发动机可以长时间工作在高效区。由于取消了变矩器，也就没有了前面所说的液力变矩器效率损失〃特声称 966K XE燃油效率的提高最高可达 25%，在集料工况下，连续 CVT静压无极传动比传统装载机可节省-半的能量消耗。

图19 卡特彼勒 966K XE混合动力装载机从前面的介绍可以看出，为稳定发动机到低油耗工况，实现恒功率输 出，所采用的混合动力技术与CVT静压无级传动技术所涉及的传动形式较多，包括机械传动、液压传动、液力传动、再加上电传动。甚至这四种传动形式同时用在同-种工程机械上的也有，如前面介绍过的沃尔沃 L220F Hybrid轮式装载机。

用微电子技术同时管理好这四种传动，并且将发动机的输出稳定在低油耗区，是-项具有挑战性的工作。

因为这需要多学科的综合才能完成，包括电控发动机技术、计算机与总线技术、微电子技术、电力电子驱动技术、液力传动技术、液压传动技术、机械动力学等等。

从实用的角度来看，-项新的技术应用在工程机械上，所增加的成本必须能够在机器的全生命使用周期内补偿回来，否则就不会对消费者产生太多的吸引力∑学的魅力在于用简单的技术解决复杂的问题”，而不是越复杂越好。从本节介绍的多种节能技术来看，效果最好的还是复合在-起的传动形式相对比较少的传动系统，如川崎 65ZHybrid装载机、约翰迪尔644K Hybrid装载机、卡特彼勒 966K XE装载机、小松 PC200.8型挖掘机等。作者建议既使使用混合动力也不要设计过多的驱动形式，除机械传动外最多再使用两种为宜。这不仅仅是因为成本的问题，最主要的是易于实现各种传动技术的信息化综合，使发动机稳定在低油耗区工作。

5 结论机械传动、流体传动与电传动是工程机械的主要传动形式，它们伴随着工程机械行业的发展虽然得到了不断的完善，但真正使工程机械传动性能产生质的飞跃还是在信息化技术的应用与普及之后。本研究分析了信息化对工程机械传动技术的影响，概括了工程8 液压与气动 2013年第9期机械传动技术信息化的4种发展趋势，即由流体、机械处理动力流信息逐渐走向由微电子技术处理动力流信息，由复杂的多路阀控制的流体动力系统逐渐走向由总线和分立电控元件控制的动力系统，电传动的应用逐步增多，动力源的输出向恒功率输出方向发展，这些为我们今后的科研工作提供了参考方向。

当前信息化技术仍然在高速地发展和不断地进步，这为我们改进工程机械传动系统提供了无限的可能性，同时工程机械施工技术的发展也会对其传动系统提出更高的技术需求，促进信息化技术本身的发展及其在工程机械领域的集成与应用∩以说工程机械传动技术正迎来-个黄金的发展阶段，我们从事传动技术研究的科技工作者应该抓住这-难得的机遇，选择与把掘好 自己的科研方向，不断开拓进取，为实现更高效、更智能、更节能、更环保的工程机械传动系统发展目标做出自己的贡献!