S70《车辆与行走机械的静液压驱动》| 了解二次调节液压驱动系统

让我们继续研读王意教授《车辆与行走机械的静液压驱动》一书的第七章：静液压驱动装置的基本液压回路构成，了解二次调节液压驱动系统。

图7-4 二次调节液压驱动系统的基本构成

1- 带蓄能器的恒压泵组  2- 其他压力源  3- 马达变量调节装置  4- 测速传感器 5- 辅助液压附件

图中右端红色框内部分具有“液压变压器”功能。

人们对于一个车辆行走装置动力传输系统输出量的预期调节目标值一般都是输出转速及其对应整机的行驶速度。

为此驱动系统必须为达到和保持预期转速下不断地平衡负荷所需求的实时转矩，这一转矩与预期转速的乘积则是负荷所吸收的功率。

在实用中，负荷转矩M与转速n之间的函数关系M = f (n) 十分复杂，负荷转矩一般都会随转速的上升而增加，增加的幅度和规律却依负荷的条件而很不相同。但在液压传动系统中，需要与负荷转矩平衡的液压马达的输出转矩Mm的参数关系却相对简单，为其进出油口的压差Δp和它的实时排量qm的乘积。

当以k为量纲转化系数时，即有：

M = k Δp x qm

因此，平衡负荷转矩就有了改变进出油口间的压差Δp和液压马达的实时排量qm这两种调节方式。

二次调节液压驱动系统的独特之处是，在一个公共的恒压网络中通过对于输出元件（变量液压马达）的排量控制实现在所需输出转速下对于负荷的转矩和功率需求的独立匹配。

这种配置方式很像电力系统中的公共市电网以恒定的电压统一供电，各用户自行连接和独立调节所装设电器的数量、输出转速、加热功率和照明亮度等使用参数的情况。

相对于传统的闭式回路静液压驱动装置，二次调节液压驱动系统的主要优点体现在多用户支持能力和通过回收用户端的多余能量实现节能这两个方面。

液压执行器用户供能和独立调节功能

具有类似于上述常见恒压供电系统的为众多液压执行器用户供能和分别独立调节的功能。理论上在供能网络功率容量范围内可连接的用户不受限制，而且这些用户之间互不干扰。

闭环控制方式

以输出转速作为反馈量的闭环控制方式，能使马达在零速附近强制运转，而不出现“死区”，从而改善了低速微动性能。

此时马达的变量机构会在中立位置附近小幅振荡，激励马达中的运动转化机构克服静摩擦维持马达输出轴的低速旋转状态，与伺服阀或比例阀中的阀芯激振系统的效果相类似。

但这对于输出轴的测速元器件的低转速时的响应、分辨率和稳定性提出了较高的要求。

不过在汽车行业已普遍采用包含有测速装置的ABS等系统的今天，以类似的技术用于此处防止输出轴出现死区应该不成问题。

提高系统效率的节能

输出端的液压功率传输元件可以在马达和泵的两种工况下运行，既可以从恒压网络中吸收功率驱动负荷，也可从处于某些工况的负荷中吸收多余能量向恒压网络回馈。当在同一个网络中连接有多个分时交替运行的用户时，能够通过它们之间的互补有效地减小为网络供能的泵站的装机功率和实时运转功率，从而达到提高系统效率的节能目的。

兼容多个一次和二次能源设备

不仅系统的输出端可以支持多个用户的独立运行，在其供能网络的输入端除了液压泵之外，也能够兼容连接诸如蓄能器之类的其它可连续或间歇提供压力势能的多个一次及二次能源设备，并使它们得以在通常有利于发挥良好效率的恒压状态下运行，这为利用更多的能源形式和设备奠定了基础。

优于变频调速的电力传动系统

液压输出元件转动惯量小，反应速度高（毫秒级），功率密度和调节品质优于一些变频调速的电力传动系统。

然而二次调节液压驱动系统所存在的下述的一些缺点制约了它在目前条件下的广泛应用。

调节控制系统

调节控制系统比较复杂并且具有静不安定性。一旦测速系统失效，输出端的马达就有可能超速损坏。

双向变量的液压马达

功能完善的系统需要使用能够双向变量的液压马达，较之现代静液压驱动装置常用的输出元件体积庞大、造价昂贵且品种稀缺，可选择的布局安装方式亦较为有限。虽然也可以使用换向阀切换高低压油口的方式替代，但性能会打一些折扣。

克服短时突发转矩增量

传统的静液压驱动装置可以简单地利用系统压力的储备克服车辆与行走机械在起步和超越不平地面等障碍时遇到的短时突发转矩增量，

例如许多轴向柱塞泵和马达可持续工作的的额定压力为25MPa，最高峰值压力却可达到42-48 MPa，输出转矩储备率高达160-180%。

而出于体积重量和效率的考虑，以调节排量的方式来平衡负荷转矩的二次调节液压驱动系统却难以为克服几秒钟的峰值载荷预留如此之大的排量储备，而运行在按照额定压力设置的恒压网络中的传统元件本身的的压力和转矩储备亦无法利用。

这是限制这种系统在功率因数高、负荷变化幅度大的需要大推进力的车辆与行走机械上应用的重要原因。

调节综合变速比和变矩比

传统的采用闭式回路的静液压驱动系统可利用输入端发动机的转速、变量液压泵的排量和输出端元件共同调节综合变速比和变矩比，二次调节液压驱动系统则只能由输出端元件及外延装置进行调节，可达到的高效变速比与变矩比减小很多。目前更适用于行驶推进力变化不大、动力因数较低的公路型车辆应用。

提高输出转速

受结构条件制约，几乎所有变量液压马达在大排量时的许用最高转速都比小排量时为低，而二次调节液压驱动系统的调节原理却需要通过增大马达排量后产生超过载荷的转矩增量来提高输出转速。

系统功能与元件结构特点相悖，在某些应用条件下可能无法充分发挥马达原有的的调速范围和功率容量。

容积效率和机械效率

运行在压力较高的恒压网络中的变量液压泵和马达在轻负荷、小排量工况下的容积效率和机械效率都很低：

设置单独的控制装置

为每个输出元件都要设置单独的控制装置，在分别驱动多个车轮时，各车轮不再能如同常规并联液压系统那样自适应地调节各自的转速。

而要由控制系统根据各自预定的轨迹和分配的牵引力个别解算和调节，从而增加了控制系统的负担，增加了由于速度误差在各驱动轮之间间出现寄生功率继而降低驱动效率、增加轮胎磨损的可能；

前已述及，在二次调节液压驱动系统出现前，恒压供能的液压系统即已在一些行走机械上获得了应用。

例如美国John Deere公司在20世纪70-80年代大批量生产的几个大中型拖拉机系列（参见图3-12）就采用了由恒压径向柱塞泵作为液压油源的全机恒压系统，并为其研发及了专用的液压提升器、多路阀和全液压转向器。

在其四轮驱动变型上，分别驱动左右前轮的液压马达也连接在全机统一的恒压液压系统中。

这种系统已经体现了能够独立控制多个执行元件的优点，前轮驱动系统还具有以恒定的推进力自动与纯机械传动的后桥同步运转的优点。

不过在这样的系统中，除了直连的前轮驱动液压马达以外，提升器、转向器和外接的其他液压用户都是阀控的，因而不具备现今二次调节液压驱动系统在节能方面的优点。

目前二次调节液压驱动系统主要应用在一些需要输出旋转动力但负荷具有明显的周期变化的工业设备中，并以其节能效果好、装机功率小和调节品质高等优势，在新锐电力传动设备云集的冶金、采油、锻压和造纸等行业和一些动力传动装置试验检测设备中，为液压传动技术继续占据着一席之地。

在行走液压领域的应用则主要在需要多个执行元件同时独立动作而又有明显的回收负荷势能效果的大型起重设备的卷扬绞盘等工作部件上。用于驱动行走装置的成功实例尚鲜有报道。

诸如前述多轮平板运输车和轨载起重运输设备（图3-45、46）虽然都有多个驱动轮，但它们都与地面或轨道耦合，采用常规静液压驱动装置的简单并联方式辅以成熟的防滑转措施已可满足使用要求。虽然在在这样的运输车样品上也曾经试用过一些二次调节液压驱动系统，但均因为成本过高等原因未能形成气候。

然而如同第三章所述，近年来，缘起于以液压蓄能器回收利用车辆制动能量的装置的油液混合动力的系统技术发展迅速，而不再拘泥于恒压网络的二次调节液压驱动系统正是油液混合动力传动链中的核心技术之一。

这一系统技术在低碳节能和能兼容多种能源设备等方面所具备的优点，使它在包括量大面广的汽车在内的未来的行走机械驱动技术领域占有重要地位。近期数控配流(数智液压技术)的新型静液压驱动元件的出现，更为这一系统技术的应用提供了新的优质资源。