工程机械液压控制系统概述

工程车辆是具有专门用途的施工装置。 具有轮式行走装置的自行式工程车辆转场机动灵活， 在工程建设、 建筑施工和路桥施工等土木工程中发挥着巨大的作用。

传统的工程车辆的行走装置采用机械式传动或液力机械式传动。机械式传动方式具有传动效率高、 传动精度高等优点， 但换挡和调速不方便， 难以实现智能控制。 液力机械传动方式是在机械传动方式的基础上引入了液力变矩器， 液力变矩器具有传动比与负载自适应、 传动柔和等优点， 但液力变矩器的高效率区域非常狭窄， 低速稳定性差，对于行驶速度较低及需要频繁启动、 制动和换向的工程车辆来讲， 总传动效率低， 造成系统发热大、 可操作性差， 驾驶员劳动强度高。

静液压传动具有微动性好， 速度刚度大， 传动效率高， 易于进行启动、 制动、 换向操作， 且易于实现电液复合控制的优点。 近几年，随着液压工业的发展， 液压原件的可靠性不断提高， 成本不断降低，国内外相继出现了全液压驱动的工程机械， 如全液压推土机、 全液压平地机、 全液压叉车、 全液压起重机和全液压挖掘机等。

静液压驱动技术的优点是相对于机械传动和液力机械传动而言的，液压传动的优点集中于动力传动方面， 而在智能控制方面， 电子控制方式具有成本低、 控制性能好、 易于调节等优点。

在工程车辆实现全液压化以后， 如何引入电子控制方式， 使液压传动与电子控制相结合， 充分发挥液压和电子的优点， 实现工程车辆行走驱动的智能化， 这是当前和今后一段时期内国内外工程车辆的发展趋势。

目前，工程车辆行走驱动系统的传动方式包括机械传动、 液力机械传动、液压传动和电机驱动等方式，每种传动方式都具有各自的优缺点。

机械传动是指发动机的动力经过离合器、 变速箱、 万向节、 传动轴、 驱动桥、 轮边减速器最终驱动车轮转动， 使整车行驶的传动方式，由于只需克服运动幅的摩擦阻力， 其速度损失很小， 所以具有传动效率高、 传动精度高、 传动可靠等优点。 但速度调节主要依靠变速箱换挡， 调速惯性很大， 响应速度不高， 如果由驾驶员操作变速箱换挡，则很难掌握最佳换挡时间， 同时增加了驾驶员的劳动强度； 如果采用智能换挡变速箱， 成本大幅增加。 由于以上缺点， 目前工程车辆很少采用单纯的机械传动方式。

液力机械传动是在机械传动方式的基础上增加了液力变矩器。 液力变矩器是一种靠液力的动量传递动力的变速装置。 液力变矩器的输出转速能够对负载转矩自适应， 当外负载增加时， 输出转矩自动增加，输出转速自动降低， 即液力变速器的传动比是随负载的变化而变化的，所以液力机械传动方式改善了驱动系统的操作性能， 降低了驾驶员的操作强度， 使车辆在起步、 加速、 制动等过程中更加柔和可控， 这种性能对于频繁起步、 停车、 加速、 制动的工程车辆具有重大意义。 液力机械传动的缺点是速度刚度小、 传动效率低。 由于液力变矩器的扭矩自适应特性， 当外部负载增加时， 车辆速度自动降低， 这在某些要求恒速行走的工程机械上是不允许的。 另外， 液力变矩器的高效率区域非常窄， 在大部分的转速范围内效率都很低， 这对于频繁起步、 加速、 制动的工程车辆是个大问题。 而汽车、 轿车等高速车辆的启动、制动时间占总行驶时间的比例很小， 所以液力变矩器的效率对能耗的影响不大， 液力变矩器因此在高速车辆上得到了广泛应用并具有很大的优势。

液压传动是近几年才广泛应用的一种传动方式， 发动机的功率经过液压泵、 液压阀、 液压电动机最终驱动车轮行驶。 液压传动按系统形式分为开式系统和闭式系统。 开式系统由单向液压泵、 主控制阀和双向液压电动机组成， 液压油经过液压泵、 主控制阀、 液压电动机做功后回到液压油箱， 其具有速度调节性好、 散热性好等优点。 闭式系统由双向液压泵、 双向液压电动机和辅助液压阀组成， 液压油经过液压泵、 液压电动机做功后再次进入液压泵， 其具有压力高、 结构紧凑、传动平稳等优点。

液压传动与机械传动、 液力机械传动相比， 具有布置灵活、 可操作性好、 便于实现智能控制等优点。 近几年来， 随着液压技术的发展， 液压元件的性能不断提高， 价格不断降低， 液压传动的缺点逐渐缩小甚至消失， 液压传动系统在工程车辆和特种机械上应用日渐广泛， 先后出现了全液压推土机、 全液压平地机、 全液压起重机、 全液压挖掘机、 全液压压路机、 全液压摊铺机和全液压钻机等机械。

众所周知， 机器一般由五大部分组成： 原动机部分； 传动系统；执行部分； 控制系统； 辅助系统， 例如润滑、 显示、 照明等系统。 如图1－2所示。

图1－2 机器的组成

现代工程机械越来越广泛地使用液压传动， 这是因为液压传动有诸多优点。

（1） 在同等功率下， 液压装置的体积小、 质量轻、 结构紧凑。 例如液压电动机的体积和质量只是同等功率电动机的12％左右。

（2） 液压装置工作比较平稳。 由于质量轻、 惯性小、 反应快， 液压装置易于实现快速启动、 制动和频繁的换向。 液压装置的换向频率在实现往复回转运动时可达550次／min， 实现往复直线运动时可达1000次／min。

（3） 液压装置能在较大范围内实现无级调速（调速范围可达2000），它还可以在运行的过程中进行调速。

（4） 液压传动易于实现自动化。 这是因为它对液体压力、 流量或流动方向易于进行调节或控制。 当将液压控制和电气控制、 电子控制或气动控制结合起来使用时， 整个传动装置能实现很复杂的顺序动作， 接受远程控制。 近年来， 液压传动和微电子技术密切结合， 得以在尽可能小的空间内传递出尽可能大的功率并加以精确控制。

（5） 液压装置易于实现过载保护。 液压缸和液压电动机能长期在失速状态下工作而不会过载， 这是电气传动装置和机械传动装置无法办到的。 液压件能自行润滑， 使用寿命较长。

（6） 由于液压元件已实现了标准化、 系列化和通用化， 故液压系统的设计、 制造和使用都比较方便。 液压元件的排列布置也具有较大的机动性。

（7） 用液压传动来实现直线运动远比机械传动简单。 但液压传动不能保证严格的传动比， 能量损失较大， 对油温变化较敏感， 制造精度要求高， 成本较高。

表1－3列出了液压传动在各类机械制造业中的应用实例。

表1－3 液压传动的应用实例

工程机械的工作机构速度低， 需要输出的力矩或力却很大， 行走机构又有不同的速度要求。 工程机械多变的作业负荷和介质、 恶劣的作业环境和严格的作业质量要求， 不仅要求发动机、 传动系统及工作装置可靠性要好， 而且适应性要强， 且便于自动控制。 因此， 区别于其他机械， 现代工程机械是机、 电、 液、 信一体化产品， 国外95％以上的工程机械采用了液压传动。