静液压传动技术在轨行式施工机械的应用
时间:2010-04-14 10:16:58    来源:中国城市轨道交通研究会
  1、轨行式施工机械概述
  轨行式施工机械在专门铺没的轨道上运行,具有负载能力人、运行阻力小、对环境污染小、可以采用各种形式的动力传动等特点。轨行式施工机械是轨行式行走机械的分支,一般包括轨行式起重机械、矿山及地下工程施工及牵引机械、铁路施工机械和铁路养路机械等。轨行式施工机械主要分布在交通运输、水电、工矿等行业。
  轨行式施上机械因可不采用内燃机动力而具有对环境污染小的特点,这对于环境恶劣的生产现场来讲显得尤为重要。在地下上程施T或采矿业生产中,当独头掘进在1km以上时,占总工程量40%的运输(包括出碴、运送矿石及材料等)生产线一般都会采用有轨运输方式,也即所有洞内往返移动没备均采用轮轨行走方式。这佯做除减少洞内废气污染外至少有3个优点:①通风量比无轨运输方式(如内燃机驱动的各种运输车辆)减少了1.6~3.6倍,从而减少了通风费用;②占用巷道空间小,施T干扰小;③设备维修简单,专业化程度高,配件供应方便。
  因此,当施T场地相对固定、物流方向确定并具有相当规模、设备往返频率高、施工条件恶劣及不适宜采用其它行走方式时,一般宜选用轨行式施工机械。轨行式施工机械又分为牵引型和非牵引型两类。
  牵引型轨行式施工机械的特征:①工作装置的运动与整机行走方向和速度无关;②工作装置的运动轨迹与整机行走方向平行,牵引力通过行走装置液压系统传递,液压传动系统与发动机之间为全功率匹配;③工作装置消耗的功率占整机总功率的30%以下;④行走传动系统承受的牵引负荷变化剧烈、波动大且具有随机性;⑤一般无作业质量要求,因而不要求工作速度的稳定性,只追求速度与负荷之间的自适应能力,即着重关注动力性、经济性和作业效率。
  非牵引型轨行机械的特征:①工作装置依靠自身传动系统完成各种作业,且作业工况下行走牵引系统与发动机之间为部分功率匹配,②工作装置的驱动功率消耗整机的主要功率,牵引功率占次要部分;③有作业质量要求,不允许速度与负荷之间的自适应性,因而要求作业时保持行进速度的平稳性,追求的主要指标是作业质量。
  轨行式施工机械在传动方式方面的革新与进步滞后于其它行走方式如轮胎式施工机械。目前国外已开始在中小功率(200kW以下)的轨行式机械上大量采用静液压传动以取代液力机械式传动,并逐步得以推广,而国内生产和使用的轨行机械的行走机构仍然还保留着最初的机械传动、液力传动或液力——机械传动的传动方式。
  2、轨行式行走机械静液压传动系统的应用
  静液压传动方式是伴随着液压传动技术与元件制造技术的快速发展而成长起来的先进传动方式,与液力传动是在机械传动的基础上发展和提高一样,静液压传动在轨行式机械的研发也是在液力传动的不足及缺陷基础上迈出第一步的。
  2.1轨行式行走机械静液压传动系统的特点
  轨行式施工机械的静液压传动方式是系统以连续运转的运动方式将发动机输出的机械能通过液压泵转化为液压能,再由马达将液压能转化为能克服负荷的机械能,从而实现发动机与轨行式行走装置之间的动力传递,是以液体为介质进行能量传递和控制。与液力传动不同,静液压传动是利用封闭管路内液体的压力能而不是液体动能。静液压传动分闭式传动和开式传动两种类型,通常在施工机械的行走液压系统中采用闭式液压传动回路。这种闭式回路具有下列特点。
  1)能适应作业中负荷变化剧烈、变速和换向频繁的工况,尤其对低速稳定性要求高的场合。2)可实现无级调速,且调速平稳、均匀、准确,微动性能好。3)能适应机具或机型复杂、发动机距离驱动轮较远、传动线路长且多曲折、输入与输出端相对位置多变及对设备外形尺寸有特殊要求的设备。4)动力性能好,采用静液压传动的行走设备其牵引性能、爬坡能力、低速性能、高速性能在轮轨行走方式下能够达到令人满意的程度。5)传动系统与机械传动、液力传动相比最为简单,动力元件与执行元件(马达)之间为“软联接”。同时,轨行机械一般不需要转向机构,应用静液压传动装置甚至可使行走系统简单到系统只看到一组“1拖N”组件(油泵与马达)和油管。6)可合理配置动力源,并可实现多源合流和一源分用。采用闭式系统是HST装置的核心技术特征之一。以闭式系统构成的HST装置在保留了传统液压传动所共有的功率密度高、布局方便、过载保护能力强和控制方式灵活的优点的同时,又具备了马达输出转速可无级调速和连续运转的能力。
  2.2国外的应用现状
  静液压闭式传动技术在轨行式设备上的运用从上世纪80年代开始。由于在电力拖动技术中很难找到功能与比功率值可与低速大扭矩液压马达相比拟的低速电机,因而国外开始在井下的有轨车辆的行走机构中尝试电机—液压泵低速马达—驱动轮方式的静液压传动系统。之后,发达国家开始在港口装运集装箱的重要设备——门架式起重机上运用HST装置以解决远距离传输的动力平稳性问题。铁路施工与运输机械是国外轨行机械发展较快的领域,伴随着以奥地利Plasser&Theurer公司为代表研制的高速铺轨列车的问世,静液压驱动行走方式在轨行机械的应用和发展取得了突破,引领了轨行式施工机械技术革命的潮流,使生产效率大大提高。同时由于静液压传动优异的微动性能,使驾驶员能够更加准确定位。
  近年随着静液压技术的日臻成熟,对于特殊用途的行走车辆,国外几乎无一例外地采用了HST装置设置行走系统,如用于军事用途的牵引车、有轨运载火箭、航空运输业的辅助车辆、船体分段有轨输送装置以及化工反应塔等等。
  2.3国内的研究应用现状
  静液压传动技术在国内应用始于上世纪80年代,主要应用于联合收割机、叉车、市政工程机械等。国内目前轨行式施工与运输机械仍大多沿用机械传动与液力机械传动模式。
  对轨行机械这种“钢对钢”行走的设备,行走系统机械传动固然有简单、可靠、传动效率高、故障率低等优点,但由于缺乏“柔性”,外负荷的变化总会“刚性”地反作用于传动系统,因而大大影响了传动的平稳性,使振动和噪声增大。另外,机械传动换挡时的动力切断及产生的冲击不论对牵引型或非牵引型轨行机械来说都是不利的。液力传动装置虽有柔性联轴器之称,可用较少的挡位获得较宽的连续的速度与牵引力变化范围,但其传动效率低、机构复杂,同时增加了补偿冷却系统、动力换挡变速箱、闭锁离台器及相应的控制系统,使整体结构较庞大,不利于系统布置。
  基于静液压传动技术在工程机械行走机构上的应用得到了突飞猛进的发展,促使国内相关行业开始投入更多的目光关注该领域的研究动向。近年国内在特殊、专用轨行式施工机械的研发上已开始应用静液压传动技术,并取得了令人瞩目的成就,如高速铁路无缝线路施工和城市轻轨交通的铺轨设备等。因此,在轨行式施工机械上应用推广静液压传动技术应只是时间早晚而已。
  制约国内静液压传动技术应用的根本因素:①国产液压元件不配套、质量不过关;②关键技术的研究缺乏理论分析、试验和系统化;③由于静液压传动元件的技术及制造水平的局限,目前可用于工程机械使用的H S T装置元件均在300kW以下,而轨行式施工及运输设备中大功率级别的占有相当比例,其中液力传动约占50%;④进口HST装置中的主要部件费用昂贵。
  3、静液压传动装置的发展趋势
  3.1国外的发展趋势
  1) HST装置作为机械基础件产业正与其它主机产业相互促进、相互依存、相互发展壮大起来,而且在其自身发展的同时日益显示出工业产品专业化分工愈来愈明确和愈来愈细致的特点。
  2) HST装置作为一种从自身性能到安装布局都给设计者带来极大便利、“友好”的液压元器件,正遵循当前模块化没计理念方向发展,使整机设计制造更容易“对号入座”。
  3)发展成为与机械、液力机械、电力电子传动组合的复合式传动装置。
  4)更高的功率密度、更高的传动效率、更高的系统压力和许用转速。
  5)调节和控制方式多样化。除了继续延伸对输入端进行综合调节的电了变量调节装置的研究外,还继续扩大对输出端的次级调节方式和在输入和输出端之间进行二次调节装置的研究。
  3.2国内的发展展望
  (1)国内发展需要解决的问题
  1)观更新。静液压传动技术的先进性是不容置疑的,但采用新技术牵涉到整个应用系统的改型、技术规程的修改和配件供应的组织,有的还涉及到整个运行组织的调整。2)作为静液压传动技术的核心元件,国产静液压传动元器件的制造水平及配套技术有待提高。3)采用HST装置的较高初期投入可以换来较低的后期使用及维护成本,这一观念性的认识还没有得到广泛的认同。4)全方位开展静液压传动系统在轨行式施工机械的应用、动态特性和测试技术的研究。
  (2)研发的具体研究内容
  1)对轨行式行走机械的各种传动系统进行对比分析,归纳出共性与特性,由此得出有益的结论,进而指导下一步研究和探讨。2)轨行式行走机械静液压系统分析,按照牵引型和非牵引型分类,确定传动方案构成及控制,并与液力机械传动进行对比分析。3)液压马达与行走传动装置组成形式分析。4)结台实际工程应用实例,针对轨行式施工机械液压系统进行全面、完整的实用性设计,通过对行走系统及工作装置系统的全面设计及细化,形成完整的轨行式施工机械静液压传动系统。5)轨行式施工机械采用静液压传动技术的性能指标分析研究。其性能指标应从以下几方面进行分析及评定:①经济性指标——系统效率;②节能指标——功率利用,③调速指标——调速范围和微调性能;④机械特性指标——系统刚度;⑤工作性能指标——负载能力。6)轨行式施工机械静液压传动及控制技术的展望。通过多个应用实例及理论分析,进一步总结提升。