淺談幾種常見液壓同步控制回路及應用

鐵建重工新疆有限公司 陳晨

概述

液壓同步控制回路是液壓技術的一個重要組成部分，廣泛應用于工業生產、工程機械、農業機械、港口機械等多個領域[1]。當被驅動的負載體積較大或質量較重需要多個支點時，依靠單一執行元件難以驅動負載，此時，需要多個執行元件以相同的位移或相等的速度共同驅動負載。由于液阻、偏載、空氣混入、內泄漏以及制造誤差等諸多因素進而導致各執行液壓油缸的運動速度不同步，引起誤差累積，最終使各執行液壓油缸產生不同步現象，輕則使負載或活塞桿變形導致卡死，重則導致負載傾翻危及人身安全。因此，了解并掌握常見的液壓同步控制回路，分析并研究液壓同步控制技術在驅動重型負載或體積較大需要多個支點的負載工況時的實際應用意義重大[2—4]。液壓同步控制回路在農業機械中的應用極為廣泛，例如采棉機內棉箱的升降、棉箱門的開關、玉米收獲機及青貯飼料機糧箱的升降、免耕播種機底盤的升降（用于調節播種作業深度）等，如果兩個或多個液壓油缸在運動過程中不同步，將會導致采棉機內棉箱、棉箱門、玉米收獲機及青貯飼料機糧箱的卡死、變形、活塞桿彎曲、連接銷軸斷裂等情況發生，進而影響其正常作業。如果免耕播種機底盤的兩個液壓油缸運動不同步將影響種子播種深度，進而嚴重影響種子的成活率。能夠實現多執行元件同步的回路不止一種，然而，隨著實踐的不斷檢驗，一些液壓同步控制回路逐漸淡出了人們的視線，本文就農業機械中常見的幾種液壓同步控制回路的工作原理、應用、優缺點進行介紹。

1 常見的幾種液壓同步控制回路

1.1 單向節流閥構成的液壓同步控制回路

圖1所示為由單向節流閥構成的液壓同步控制回路。當電磁換向閥1左位得電時，壓力油經電磁換向閥左位、單向節流閥2，分別進入兩個液壓油缸3的無桿腔，通過調節單向節流閥2，控制進入兩個液壓油缸3的流量，從而達到液壓油缸上升過程中運動速度的同步。這種液壓同步控制回路具有結構簡單、成本低、可實現多個液壓執行元件在速度上的同步，當采用疊加式雙單向節流閥或螺紋插裝閥時會使整個液壓系統結構更緊湊、體積更小、外觀整齊美觀，但是也存在同步精度低、功率損耗大、易受油溫變化和負載特性影響等諸多缺點。

此外，由單向節流閥構成的液壓同步控制回路其原理是基于節流，節流一方面會產生能量損失；另一方面會導致液壓系統發熱。然而，功率損失和液壓系統發熱對于自走式農業機械來說至關重要。由于節流導致的液壓系統發熱不但會使液壓油粘度變低，還會使液壓油缸密封圈的密封性能大打折扣，最終導致液壓油缸內泄，使采棉機、玉米收獲機、青貯飼料機的割臺在作業過程中逐漸下降，這樣將嚴重影響采收效率，造成不必要的損失。因此，在主流農業機械中，基于節流原理的液壓同步控制回路已經被由分流集流閥構成的液壓同步控制回路所替代。

圖1單向節流閥構成的液壓同步控制回路

1.2 分流集流閥構成的液壓同步控制回路

采用分流集流閥實現液壓油缸速度同步具有糾偏能力強、簡單經濟、同步精度高（約為1%～3%）等優點，其原理如圖2所示。

圖2分流集流閥構成的液壓同步控制回路

當電磁換向閥1左位得電時，壓力油經電磁換向閥左位、分流集流閥2，分別進入兩個液壓油缸3的無桿腔，通過該閥的分流功能使兩液壓油缸以相等的速度上升；當電磁換向閥1右位得電時，壓力油經電磁換向閥右位，分別進入兩個液壓油缸3的有桿腔，無桿腔的液壓油通過該閥的集流功能使兩液壓油缸以相等的速度下降并流回油箱。由于分流集流閥的糾偏能力強，即使在偏載工況下也能以相等的流量分流或集流，進而實現速度同步，且可實現執行元件雙向運動的同步[5]。正是由于分流集流閥的這些優點，使其廣泛應用于采棉機棉箱門開關、玉米收獲機以及青貯飼料機糧箱升降的控制。因為分流集流閥的同步控制精度取決于其壓降，所以分流集流閥的流量范圍較窄。當實際流量低于其額定流量較多時，該閥的壓降與流量將成平方倍的下降，同步精度也顯著下降。分流集流閥的壓降一般為0.8～1.2Mpa，因此其不適用于壓力較低的液壓系統。所以，在選擇分流集流閥時，首先要選擇合適的液壓油缸內徑，確定其額定工作壓力，使其額定工作壓力不要過低；其次要根據所需流量合理選擇該閥的公稱流量，切勿使分流集流閥的公稱流量過分的高于執行元件的所需流量[6]。

1.3 兩液壓缸串聯構成的液壓同步控制回路

當執行元件為差動液壓油缸時，由于其有桿腔和無桿腔的容積不同，想要通過串聯的方法實現液壓油缸的同步就需要經過準確的計算，在兩液壓油缸行程相等前提下使得1號液壓油缸有桿腔容積等于2號液壓油缸的無桿腔容積，從而推算出2號液壓油缸的內徑。這種液壓同步控制回路較為簡單，成本也相對較低，但也有著不適用于重載、偏載、設計一旦完成就難于更改、計算圓整后使得液壓油缸缸筒為非標產品，密封圈購買困難等缺點。

圖3兩液壓油缸串聯構成的液壓同步控制回路

兩液壓油缸串聯同步控制一般用于牽引式農業機械的底盤升降以調節作業深度，如免耕播種機調節播種深度就是依靠底盤的兩個液壓油缸同步運動完成的，如果兩液壓油缸運動不同步將導致播種深度不同，影響種子成活率，其液壓原理如圖3所示。當電磁換向閥1左位得電時，壓力油經電磁換向閥左位流入1號液壓油缸無桿腔，迫使其有桿腔液壓油流入2號液壓油缸無桿腔，由于在設計時已經使得1號液壓油缸有桿腔的容積等于2號液壓油缸無桿腔的容積，所以能夠實現兩液壓油缸同步運動，其優點是結構簡單，不需要其它控制閥，缺點是不能消除累積同步誤差。

2 總結

液壓同步控制回路遠遠不止以上所述，本文只是針對幾種常見的液壓同步控制回路并結合在農業機械上的一些應用進行簡要介紹。經過對比分析，并結合農業機械的實際應用得出：（1）在偏載、重載、同步精度要求較高的工況下選用由分流集流閥構成的液壓同步控制回路；（2）在輕載、精度要求較低的工況下選擇由液壓油缸串聯構成的液壓同步控制回路。

3 展望

從2019年中國農機展來看，液壓技術在農業機械上的應用是越來越廣泛，從原來簡單的各個執行機構液壓控制，到今天的全液壓驅動控制，再到未來的智能控制，液壓驅動方案也是各種各樣，例如前雙液壓馬達帶輪邊減速機驅動+后橋單液壓馬達驅動、前橋單液壓馬達驅動+后橋單液壓馬達驅動、四馬達帶輪邊減速機驅動等。最振奮人心的是“智能農機”新詞匯的提出，相信在不遠的將來，智能農機與液壓工業4.0的有機結合將會使我們對農業機械有一個嶄新的認識[7—8]。