一種帶分流集流閥的同步液壓驅動系統優化研究

王強 沈濤 郭超

摘 要：針對全液壓平地機偏載時易出現跑偏和側滑的問題，本文提出了一種帶分流集流閥的同步液壓驅動優化方案，并詳細闡述了方案的系統組成和工作原理，進而從理論上對方案的同步性能和牽引特性進行分析和論證，最后得出優化后全液壓平地機可在不同工況下實現最大可供牽引力和最佳動力性能的結論。

關鍵詞：分流集流閥;同步液壓驅動;全液壓平地機

中圖分類號：TH137.7文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）34-0067-03

Study on the Optimization of a Synchronous Hydraulic

Drive System with a Diverter Valve

WANG Qiang SHEN Tao GUO Chao

（Yibin Vocational and Technical College，Yibin Sichuan 644003）

Abstract： Aiming at the problem of deviation and sideslip of full hydraulic grader under eccentric load， this paper presented an optimization scheme of synchronous hydraulic drive with shunt collector valve. The system composition and working principle of the scheme were elaborated in detail. The synchronous performance and traction characteristics of the scheme were analyzed and demonstrated theoretically， and the optimized scheme was obtained. The conclusion was that the hydraulic grader could achieve the maximum traction and the best dynamic performance under different working conditions.

Keywords： shunt collector valve;synchronous hydraulic drive; full hydraulic grader

1 研究背景

平地機在進行邊坡、挖溝等作業時，由于左、右兩側驅動輪附著條件不同，所以容易造成整機跑偏或者單側滑轉現象。機械或液力機械式平地機可以通過差速鎖定機構來避免此種現象的發生，但對于全液壓平地機而言，要解決此類問題卻存在諸多難題。

在過往的研究和生產實踐中，也曾提出過多種解決方案。比如，早期應用于全液壓平地機的防滑閥組方案[1]，該方案的問題在于沖擊力大、單側馬達易超速，僅可作為一種輔助彌補措施，不能從根本上解決問題;又如，電子抗滑轉方案[2]，該方案的缺陷在于無法適用于負載有劇烈變化的工況;再如，同步馬達方案[3]，該方案必須對平地機結構進行較大改動，可操作性較差;此外，還有已應用于PY180H平地機的單馬達+左、右減速平衡箱方案[4]，該方案雖能解決同步問題，但通常用于新產品、新結構的設計，并不適用于已定型產品的優化。

鑒于以上方案存在的問題，本研究提出采用一種帶分流集流閥的同步液壓驅動優化方案，以期能在不同工況下實現全液壓平地機的最大牽引力和最佳動力性能。

2 同步液壓驅動系統的優化方案

在高壓系統中，與其他同步元件相比，分流集流閥能在完全偏載的情況下仍保持良好的同步性。所以，該優化方案主要是通過在泵和馬達之間增設分流集流閥，利用分流集流閥的等量分流、集流特性，使左、右變量馬達保持轉速同步，從而達到平地機在偏載情況下實現同步作業的目的。當平地機正常行駛和作業時，分流集流閥不起作用;當平地機偏載作業時，分流集流閥起作用，即前進檔位時為分流，后退檔位時為集流。該方案的動力傳遞路線如圖1所示。

考慮到平地機實際作業時必須在不同工況下進行，所以在添加分流集流閥的同時，又對原系統進行了進一步的優化設計。首先，在分流集流閥組中增加了一個防氣蝕的壓力補油閥，這可以有效避免同步過程中因“馬達超速”而出現的進油口氣蝕現象;其次，在變量泵與分流集流閥之間增設一個沖洗閥[5]，該沖洗閥可以有效改善系統的散熱性，也可以清洗掉液壓元件磨損后產生的金屬顆粒;再次，分流工況與非分流工況的切換是通過調整液控換向閥使其處于不同工作位置來實現的。優化后的全液壓平地機同步液壓驅動系統如圖2所示。

3 同步液壓驅動系統性能分析

3.1 系統同步性能分析

系統同步性能的好壞可以用不同工況下左、右馬達的轉速同步精度來衡量。由于馬達容積效率會受到進出口壓力差的影響（具體關系見圖3），所以馬達的轉速同步精度可按式（1）進行計算。

[Δn=21-2Q2ηmv1ηmv2Q1+Q2×100%]? ? ? ? ? ? （1）

式中，[Δn]表示同步精度;[Q1]、[Q2]分別表示左、右馬達流量，mL/min;[ηmv1]、[ηmv2]分別表示左、右馬達容積效率。

結合式（1）和圖3可以發現：當進出口壓力差增大時，容積效率將變小，同步精度也將隨之減小;當進出口壓力差增大至20 MPa左右時，同步精度仍維持在較高水平，這說明即使在嚴重偏載的工況下，該系統仍能保持較高的同步精度。

3.2 系統牽引特性分析

由于系統的壓力損失將直接影響系統可供牽引力的大小，故需要對系統的牽引特性進行分析。為簡化計算，發動機轉速視為額定轉速，系統管路的壓力、流量損失忽略不計，則平地機在水平面作業時的有效牽引力可表示為：

[Fkp=3 600Nepηpmηpvηmmηmvηrv×ΔpmΔpp-Gf]? ? ? ?（2）

式中，[Fkp]表示有效牽引力，N;[Nep]表示變量泵輸入功率，kW;[ηpm]表示變量泵機械效率;[ηpv]表示變量泵容積效率;[ηmm]表示馬達機械效率;[ηmv]表示馬達容積效率;[ηr]表示減速平衡箱效率;[v]表示平地機行駛速度，km/h;[Δpp]表示變量泵進出口壓力差，MPa;[Δpm]表示馬達進出口壓力差，MPa;[G]表示平地機附著重量，N;[f]表示滾動阻力系數。

根據式（2）和系統效率計算分析，可繪制出系統牽引特性隨工況變化的關系曲線，如圖4所示。

圖4表明：無論分流集流閥是否起作用，系統效率都將隨車速的增加而增大，但當車速增大至4 km/h后，系統效率將略有減小;在車速相同的情況下，系統的可供牽引力將隨偏載增大而減小。

在實際作業時，系統的最大可供牽引力還受地面附著條件的影響。當地面附著條件差且不啟用分流集流閥的情況下，系統的最大可供牽引力為兩側可提供牽引力的最小者，但若此時接通分流集流閥，則系統的最大可供牽引力為兩側可提供牽引力之和，此時的牽引力顯然要遠大于不啟用分流集流閥時的情況。

4 結論

優化后的同步系統可以很好地解決連續偏載工況的同步作業問題。根據不同工況控制好分流集流閥的狀態，即使平地機處于嚴重偏載工況下，整機仍能保持較高的同步精度，并產生最大的可供牽引力。

參考文獻：

[1]張翔.500hp靜液壓平地機行駛驅動系統研究[D].西安：長安大學，2015：1-65.

[2]馬建，孫守增，芮海田，等.中國筑路機械學術研究綜述·2018[J].中國公路學報，2018（6）：1-164.

[3]卓衛國，康敬，李恪軒.液壓同步驅動系統的研究[J].建設機械技術與管理，2016（2）：84-86.

[4]王平豪，陳崗，李宏波.TBM液壓推進系統設計及同步控制特性研究[J].液壓氣動與密封，2019（8）：21-25.

[5]王琳，周盼，夏孟龍.基于AMESim的船用液壓阻尼器結構優化與仿真[J].液壓與氣動，2018（6）：94-98.