S11《车辆与行走机械的静液压驱动》| 国外拖拉机和农业机械静液压驱动技术的发展

[ 第三章 ]

车辆与行走机械应用静液压驱动技术的发展历程

人类技术的历史似乎永远眷顾多元化模式的和谐发展，而排斥任何一枝独秀的独占企图；天下的事物都有一分为二的优缺点并存的秉性，各种传动形式与时俱进的发展都在继续延续着它们的生存空间。

从本期开始，我们一起来展开对王意教授《车辆与行走机械的静液压驱动》一书第三章的研读，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：国外拖拉机和农业机械静液压驱动技术的发展。

1905年美国人Wiliams和Janney开始研制如图3-1a) 所示的静液压变速箱，它的彼此“背靠背”（back to back）安装的变量泵和马达都采用了当今比较罕见的旋转斜盘型的轴向柱塞元件。1907年Renault注册的德国专利也采用了原理相同的旋转斜盘型元件和背靠背的布局（图3-1b），它还通过作为输出部件的两个元件公共壳体与缸体之间差动旋转，构成了最早的液压机械内功率分流传动装置。

由于当时制造技术的局限和结构设计本身的缺陷，这两种发明都没有能研制成功，但它们所采用的背靠背布局却是以后许多整体式静液压变速箱的鼻祖。第一种实用的、具有较高功率密度的静液压驱动元件当属1930年Thoma研制成功的并曾经以其姓氏“托马”命名的轴向柱塞泵（图3-2）。其基本结构一直沿用到今天一些高性能的斜轴型柱塞变量泵和马达之中。

静液压驱动技术最早应用于军用武器系统，在20世纪的二次世界大战中有了迅速的发展。典型的应用实例是作为飞机、舰船或作战车辆的炮塔和雷达天线的驱动装置，也见之于在飞机上由涡轮喷气发动机转子拖动的恒速恒频发电机系统中。真正用于驱动地面车辆的行走装置，则已是第二次世界大战后的50年代的事情。在世界技术发展历史中，英国人曾拿到过诸多“第一”，他们制造出了世界上第一台蒸汽机、第一辆坦克、第一艘航空母舰、第一架实用的垂直起落飞机和第一艘气垫船等等。但发扬光大的却往往是其他人，在静液压驱动技术领域亦如此。英国的Lucas（卢卡斯）、Dowty（道锑）等军工企业在20世纪50-60 年代间曾经推出过一系列颇有特色的斜盘型和斜轴型柱塞泵和马达，并在拖拉机等车辆和机械上进行过相当广泛的试验和研究，完成了许多基础性的工作。但集这些技术之大成并完成应用推广的，却主要是美国人和德国人。法国、意大利、瑞典、日本和其他国家创造的一些具有特色的静液压驱动元件以及中国人在元件理论和系统集成方面的努力，也为这一技术的发展做出了贡献。

1. 国外的发展历程：

公认的最早应用静液压驱动的车辆与行走机械是英国皇家农业工程研究所（NIAE）于1954年研制的。这是一台采用现在被称为“低速方案”的两轮驱动的农业拖拉机。它由内燃机驱动的一台斜盘型轴向柱塞泵输出的高压油液经过并联的管路向直接安装在后轮内的两台外壳旋转的径向柱塞低速液压马达供油，并使它们驱动轮胎产生推进力。NIAE的第一台静液压驱动的拖拉机（图3-3）不仅采用了与传统的带有离合器、齿轮变速箱和差速器的机械式传动装置差异很大的新颖传动方式，而且其底盘形态也与普通拖拉机不同：在它的作为驱动轮的两个后轮之间取消了传统车辆上的贯通驱动桥，采用了开放型机架等特殊的布局，车身中间所空出的部位被设置了用来连接农具牵引梁架。这台在性能和形态方面均具有某些突破的样机引起了学术界的广泛注意，被誉为“拖拉机技术的一次革命”。它所昭示的静液压驱动装置的优点可以归纳为两个“灵活”：更为灵活的调速方式和更为灵活的整机布局。这也是迄今为止人们始终在锲而不舍地应用和推广静液压驱动装置的主要原因。NIAE的新概念拖拉机的出现引得包括中国人在内的各国各界都开始竞相立项研究静液压驱动技术，先后搞出了不下几十种的试验样机。然而在进行了更深入的实验和分析以后人们很快就发现，利用液压技术的特点造出一台运动学上能无级变速，形态学上能标新立异的样机并不困难，但要将它发展成为一型在动力性和经济性上真正能和传统的机械传动的拖拉机相匹敌的产品和商品却远非易事。事实上，以土壤耕作为主要作业形式的农业拖拉机的载荷特征，是要在几乎一个工作班次的整个作业时间内都在承受持续的高额牵引力，既需要有细密的速度分级来使动力传动系统精确地匹配到能耗低、生产率高的有利工况，又要在既定的速度下维持较长时间的稳定运行，以满足保持深度和松散度均一的耕作质量要求。加之农业用户对于田间机具在单位作业面积内的能耗高低都极为敏感和关注，它又是一种对于购置和使用成本要求都十分苛刻的机械。凡此种种，都使得农业拖拉机成为配置静液压驱动装置难度最高的行走机械类型之一。以这样一种低速作业车辆作为一个研制基于流体动力新技术的载体固然有其方便之处，但也遭遇到了比其他工业车辆与行走机械更高的技术和经济门槛。不过先行者们从这样一个堪称“制高点”的领域起步所开辟的道路和获得的经验，却正是为今天静液压驱动技术得以扎实发展和理性应用奠定了一个坚实的基础。

NIAE的样机展示了静液压驱动装置在拖拉机上的应用前景，但并没有能够进入实用阶段。多少年来，拖拉机底盘的基本结构和传动布局已经磨合得十分成熟，无论采用何种新技术或新理念，都很难撼动它和以它为核心的农田作业机组的基本形态，这已为近百年的拖拉机发展历史所证明。

有鉴于此，后续人们不再追求布局奇巧和“无齿轮”之类的噱头，而将主要精力集中于利用静液压驱动无级变速技术在改善机组操控能力和作业性能等方面的优势。具体表现是结构设计上采用了仅以静液压无级变速装置取代原有机械变速箱，而保留了拖拉机上其他部件和系统的比较稳妥的做法。这不仅有利于充分利用原有常规拖拉机的销售网络和售后服务渠道，并且能够规避外设高压管道泄漏、低速车轮液压马达承担外载等过多的不成熟技术带来的额外技术风险。第一型商品化的静液压驱动拖拉机是德国Echer（艾歇尔）公司1965年投产的。它的外形和布局与普通拖拉机并无区别，只是用英国Dowty公司研制的斜轴型变量泵和变量马达的组合构成的“Taurodyne”型静液压变速装置取代了变速箱中原有的大部分齿轮副。这种整体式静液压驱动装置的结构特色之一在于变量泵和马达的缸体偏角是通过一组连杆联动调节的，而两者之间的端部带有高压回转接头的空心连杆又构成了连接泵和马达的压力油管（图3-4）。

在稍后的1967年，美国农业机械巨头International Haverster（简称IH，万国收割机）公司于60年代初在包括采用燃气轮机为动力的HD340型在内的多型静液压驱动拖拉机样机的研制基础上，与森斯特（Sundstrand）公司联手，在自己的一个畅销的拖拉机系列中开发了一型静液压驱动的变型产品IH656 Hydro，并通过了相关的取证试验。它用由斜盘型变量泵、变量马达和后置的齿轮高低挡机构组成的整体式液压变速箱取代了基型产品中的离合器和负荷换挡变速箱，其他配置基本保持不变。在静液压无级变速箱内，通过将变量液压泵和马达背靠背连接，再将构成闭式回路所需的补油泵布置在泵的输入端的布置方式得到了非常短捷而且流畅的回路通道。IH656 Hydro型拖拉机可选装功率65-70PS的柴油机、汽油机或液化石油气等不同燃料的发动机，在此基础上，又陆续推出了功率较小的IH544和574及功率较大的826和1026等（图3-5），形成了与原有机械传动拖拉机系列并存、但带有“Hydro”标识的一个静液压驱动拖拉机的变型系列。其中最大的在动力输出轴测出的功率达112PS的IH1026型则几乎全为静液压驱动，原因在于用户很少选购这一品种中装纯机械变速箱的款式。不过实践中的静液压驱动拖拉机虽然因其在平整土地、田间管理、收获和装载等中、轻负荷的作业中操作的灵敏、舒适而颇受欢迎，但在犁耕等需要承受连续性的重负荷作业中的能耗经济性却无法与机械传动的传统机型相匹敌，而价格则比后者要贵出约20%。笃信实用主义的美国农场主们大多不愿意专门为一台采用先进技术但只适合干轻活的拖拉机多掏银子。加上中东石油危机引起燃料价格飙升的影响，它的销量也只能差强人意。在北美市场上总共销售了约10000台之后，到了它的基型系列换代更新的1984年便不再有后续的静液压驱动的变型产品。然而，比起到1972年即已停产，总共只制造了71台的前述德国Echer静液压驱动拖拉机来说，IH公司在这方面的成绩还是可圈可点的。

由于静液压驱动拖拉机等新技术整机的研发热潮的牵引，这一时期催生了一些由变量液压泵和液压马达集成于公共壳体内的多种形式的车用整体式静液压无级变速箱，见图3-6和3-7。

其中技术上更为超前的，则有图3-13所示的20世纪60年代末曾进行过装机实验的德国Allgaier型静液压机械内功率分流无级变速箱。虽然此类无级变速箱中的部分产品比较成功地进入了自走式收获机械和其他行走机械领域，但由于种种因素的局限，它们在拖拉机上的应用都没有能够获得商业上的成功。 

尽管发展屡遭挫败，但面对现代农业拖拉机不得不装用多达24 — 32乃至更多个挡位的复杂的负荷换挡的变速箱以适应多种作业精耕细作的要求这样一个事实，人们对于能够无级变速的静液压驱动拖拉机的兴趣却依然不减，具有轰动效应的新产品时有出现。其中最著名的当属1972年德国KHD公司推出的Intrac2005型静液压四轮驱动的“系统拖拉机”。

该机型采用了当时在批量生产的自走式联合收割机和平衡重叉车上已初获成功的Linde（林德）型斜轴型变量泵和变量马达的组合，以其先进的无级变速技术、前卫的前置驾驶室形态和灵巧的模块式配套农机械组合曾经在业界颇受好评，获得1972年权威的巴黎国际农机博览会的银质奖章。然而受制于性能的局限和中东石油危机引起的能源恐慌，最后还是落得个“叫好不叫座”的尴尬结局。究其原因主要并不在于所采用液压元器件的形式、品牌、整体式抑或分置式布局等技术细节层面，而是静液压驱动装置稳态效率较低的系统性先天缺陷和买家高度重视农业拖拉机产品使用经济型的市场特点使然。即使在专用于车辆与行走机械静液压驱动装置的液压泵和液压马达等基础元器件的性能和质量已达到了相当高的水平，各种控制装置和系统集成也都十分完善的今天，此类纯静液压驱动装置的传动效率对于拖拉机的犁耕等连续重载作业来说仍然是用户所难以接受的。