S12《车辆与行走机械的静液压驱动》| 国内拖拉机和农业机械静液压驱动技术的发展

中国的静液压驱动拖拉机的发展曾受到过欧美国家的影响，但思路与它们又不完全相同。

在国内的农业机械行业中，似乎没有出现过像欧美同行那样用整体式静液压无级变速箱取代有级机械换挡变速箱的研究项目案例，但前辈们曾力图在这个技术方向上走得更为超前。

本期我们继续王意教授《车辆与行走机械的静液压驱动》一书第三章的研读之旅，一起来探寻静液压驱动技术在车辆和行走机械中的应用发展历程之：国内拖拉机和农业机械静液压驱动技术的发展。

20世纪60年代前期，国内曾有多达30余家的研究所和拖拉机厂都搞过静液压驱动的轮式拖拉机，功率范围大体从14.7到29.4kW（20-40PS），采用的主要是斜盘型柱塞变量泵加壳体旋转的低速车轮马达的方案（图3-9）。

与西方人更注重使拖拉机械具备无级变速性能和能够在没有贯通驱动桥的后轮之间设置农具的思路有所区别的是，中国科技人员研制静液压拖拉机还有另外很重要一个原因，是来自用车轮液压马达可以“取代”大部分传动齿轮的期待，希望以此作为克服当时国内农机行业在齿轮制造，特别是拖拉机后桥中央传动的螺旋锥齿轮加工能力和质量短板的一条出路。这个在今天看来是十分牵强的理由，当年却是被认真提交的重要立项依据之一。然而实践证明，不仅原本为开式回路系统设计的非通轴型斜盘泵以及工业用途的“斯塔法”和 “罗斯通”等低速液压马达并不适合具有闭式回路系统的行走机械静液压驱动装置使用，所选元件的工作压力和功率密度也较低；在驱动轮辋有限的空间内，往往装不下足以产生额定牵引力所要求的排量规格的马达；而且直接驱动后轮的马达在重载犁耕作业时的转速也显著偏离了自身的高效区。各种动力传输用的高压液压元件的制造难度，更是显著超过了一般的车用齿轮，“一种倾向掩盖了另一种倾向”。有限的制造能力和质量水平决定了使用这些元件构成的传动系统难以获得起码的效率和工作寿命。

如同图3-3所示的以一对液压马达分别驱动左右后轮的方式用于拖拉机上时，还存在一些牵引力学方面的原理性的缺陷。由于轮式拖拉机在犁耕作业时，始终有一侧的驱动轮走在未耕地上，称为地轮；另一侧的则走在已耕的犁沟内，称为沟轮，轮式拖拉机悬挂或牵引犁的配置方式使得沟轮承担的牵引力会显著大于地轮承担的部分，两者之间可能相差一倍以上。为了防止沟轮过度滑转降低牵引效率，重载犁耕时常常需要将传统结构的后桥中的左右驱动半轴联锁，这使得普通拖拉机在作业时使用轮间差速锁的频度和持续时间都显著超过了其他许多行走机械。而要在分别驱动左右后轮的两个车轮液压马达实现差速锁功能而又不引起过多的附加能量损失，却恰恰是这样的分置式静液压驱动系统至今仍然最难处理的技术问题之一。

在中国的农业机械行业中，似乎没有出现过像欧美同行用装在共同壳体中的变量液压泵和液压马达构成的纯液压整体式静液压无级变速箱取代拖拉机的机械换挡有级变速箱那样的研究项目案例，但却曾经力图在这个技术方向上走得更为超前。国内真正不再追求“无齿轮”的境界，而把具备无级变速性能和传动效率较高的新型拖拉机变速箱作为主要发展目标的尝试，体现在1971年中国农机院与北京内燃机厂合作研制的一台功率为44.1kW（60 PS）的四轮驱动拖拉机上（图3-10）。

笔者有幸负责了由边耀刚提出并主持的这一项目中的传动系统设计工作。当时我们已经在为这种拖拉机试图研制今天国际上十分热门、并已取得巨大成功的静液压机械功率分流无级变速箱，其液压功率流、机械功率流与行星齿轮差速器之间的配置关系以及基本参数的设计理念和基点，与欧美国家目前几种已经大批投产的静液压机械功率分流无极变速箱是相近的。例如：都将高效点设计在了常用犁耕速度范围内，也都利用了液压寄生功率在增大起步转矩和低速区的调速范围等方面的有利特性。在具体的结构上，该样机所采用的外啮合行星差速器和“背靠背”静液压驱动装置的配置方式，也和德国Deutz Fahr（道依茨-法尔） 公司2010年推出的一型小功率窄轮距拖拉机的相当接近。虽然在今天看来，在这台具有前置平头驾驶室的特殊形态的样机上从整体到部件都有许多粗糙甚至是幼稚的设计，然而这一样机的历史意义却在于它成就了国内第一辆装有外功率分流型静液压机械无级变速箱，并且是经过了实际运行的实物样机。而恰恰是沿着这一技术方向的发展，使得今天人们在大中功率的拖拉机上采用静液压驱动的努力终于修成了正果。基于当时国内不仅在液压元器件，而且也在行星差速器的齿轮零部件等方面的制造技术水平都较低的历史局限，这台在设计思想上明显超越时代的样机并没有，也不可能走得更远；然而我们从中获取的第一手实践经验不仅对于后来的一系列静液压驱动的农业机械和特种车辆的研制起到了积极的影响，而且引起了当时国内顶级的装甲车辆教学和科研单位，今天的北京理工大学车辆学院的兴趣和重视，并由此展开了我国履带车辆双功率流静液压机械转向技术的艰苦发展历程。

在拖拉机用静液压驱动技术早期发展历史中还应该提及的是，1970年代美国John Deere（约翰-迪尔）公司推出了一种以传统机械变速箱驱动的后桥，前桥则采用一对带行星减速器的液压马达分置驱动左、右前轮的“混合驱动”型拖拉机。其前轮液压马达和整车的液压悬挂提升器、液压转向以及液压动力输出系统共同整合于以一个径向柱塞变量泵供能的公共恒压网络中。采用这样的恒压系统是该系列拖拉机一项独特的技术，它能保证系统中包括前轮液压马达在内的所有执行器用户在很大程度上彼此不受干扰地独立运转，与后来出现的“二次调节系统”有一些共同之处。从广义概念理解，该系列拖拉机采用的机械和静液压混合驱动的方式本质上也是一种功率分流系统，只是功率流的汇合点在于地面而不在拖拉机内部。类似的传动方式也见之于某些前后轮分别用内燃机和电动机驱动的混合动力车辆。John Deere的静液压驱动前轮系统在利用了液压轮边驱动灵活性好的优点的同时，避开了将全部驱动功率都经由静液压驱动装置传输时可能遇到的技术瓶颈，体现了对于不同技术手段的扬长避短。该系列的四轮驱动拖拉机曾经有过不错的销路，甚至有一批在1978年被卖到了改革开放伊始的中国北大荒垦区（图3-11）。后来由于其价格较采用机械式转向驱动桥的传统拖拉机仍然偏高、在整机公共液压网络较低的压力下前轮液压马达的转矩满足不了牵引力提高的需求等原因，没能够在拖拉机上继续发展。不过具有类似结构以及发展为使用低速车轮液压马达的液压驱动导向桥，却成为了该公司全轮驱动的大型联合收割机的标配设备应用至今，并为一些其他制造厂商所仿效。

1978年东北垦区成套引进了第一批美国John Deere公司的大型农业机械，其中的联合收割机是静液压四轮驱动的，轮式拖拉机则采用了后轮机械驱动，前轮静液压驱动的混合传动形式。加上同年从在京举办的十二国农业机械展览会留购的一批先进机械和元器件，使得中国农机工作者开始有机会直接接触到发达国家成熟的静液压驱动的技术装备。

20世纪70年代以后，中国国内对于静液压驱动拖拉机整机的研制已趋于沉寂，但以中国农机院为提高东北地区雨季收获时在低湿地作业的通过性而开展的联合收割机导向轮液压驱动技术的研究为契机，在农机行业内由研究院所和制造厂协作研制成功了ZQML系列轴向柱塞多作用车轮液压马达产品，在前桥安装具有自由轮功能的这种马达将普通两轮拖拉机升级为四轮驱动拖拉机的研究曾一度比较活跃。中国农机院会同佛山农机研究所、上海拖拉机汽车研究所、上海拖拉机底盘厂和郑州郊区农机研究所等单位，在功率为25 – 40kW的几种国产旱地和水田拖拉机上进行了装机试验（图3-12）。在对铁牛-55型拖拉机改装后进行的试验表明，在基本上不改动拖拉机原有底盘结构、保持前轮安装定位关系和前桥离地间隙不变的前提下，这样的前轮驱动装置使拖拉机的最大牵引力和最高牵引效率分别提高了16.6%和14.5%。而对于几种改装后的水田拖拉机的测试则在通过性、生产率和综合经济性等方面都显示出了更好的结果。这些成果和同一时期采用同一系列液压马达研制的联合收割机导向轮液压驱动装置以及水田撒肥车等一起，为中国行走机械上辅助驱动轮的同步静液压驱动技术积累了有益的经验。

图3-12 几种装设驱动前轮的液压马达的国产旱地和水田拖拉机样机

a)佛山农机所  b) 郑州郊区农机所  c) 上海拖拉机底盘厂/上海农机所

在20世纪60-80年代的中国，基础工业的薄弱和核心技术的缺失使得中国科研人员在研制拖拉机静液压驱动技术方面的许多努力都难以为继。

中国在拖拉机技术发展方面的最近动向之一是在工业信息产业部发布的2010年装备产业技术进步和技术改造投资方向中，把采用无级变速的静液压驱动装置作为了所列入的“节能环保型中型拖拉机”项目的主要技术特征。