一种带分流集流阀的同步液压驱动系统优化研究

王强 沈涛 郭超

摘 要：针对全液压平地机偏载时易出现跑偏和侧滑的问题，本文提出了一种带分流集流阀的同步液压驱动优化方案，并详细阐述了方案的系统组成和工作原理，进而从理论上对方案的同步性能和牵引特性进行分析和论证，最后得出优化后全液压平地机可在不同工况下实现最大可供牵引力和最佳动力性能的结论。

关键词：分流集流阀;同步液压驱动;全液压平地机

中图分类号：TH137.7文献标识码：A文章编号：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

平地機在进行边坡、挖沟等作业时，由于左、右两侧驱动轮附着条件不同，所以容易造成整机跑偏或者单侧滑转现象。机械或液力机械式平地机可以通过差速锁定机构来避免此种现象的发生，但对于全液压平地机而言，要解决此类问题却存在诸多难题。

在过往的研究和生产实践中，也曾提出过多种解决方案。比如，早期应用于全液压平地机的防滑阀组方案[1]，该方案的问题在于冲击力大、单侧马达易超速，仅可作为一种辅助弥补措施，不能从根本上解决问题;又如，电子抗滑转方案[2]，该方案的缺陷在于无法适用于负载有剧烈变化的工况;再如，同步马达方案[3]，该方案必须对平地机结构进行较大改动，可操作性较差;此外，还有已应用于PY180H平地机的单马达+左、右减速平衡箱方案[4]，该方案虽能解决同步问题，但通常用于新产品、新结构的设计，并不适用于已定型产品的优化。

鉴于以上方案存在的问题，本研究提出采用一种带分流集流阀的同步液压驱动优化方案，以期能在不同工况下实现全液压平地机的最大牵引力和最佳动力性能。

2 同步液压驱动系统的优化方案

在高压系统中，与其他同步元件相比，分流集流阀能在完全偏载的情况下仍保持良好的同步性。所以，该优化方案主要是通过在泵和马达之间增设分流集流阀，利用分流集流阀的等量分流、集流特性，使左、右变量马达保持转速同步，从而达到平地机在偏载情况下实现同步作业的目的。当平地机正常行驶和作业时，分流集流阀不起作用;当平地机偏载作业时，分流集流阀起作用，即前进档位时为分流，后退档位时为集流。该方案的动力传递路线如图1所示。

考虑到平地机实际作业时必须在不同工况下进行，所以在添加分流集流阀的同时，又对原系统进行了进一步的优化设计。首先，在分流集流阀组中增加了一个防气蚀的压力补油阀，这可以有效避免同步过程中因“马达超速”而出现的进油口气蚀现象;其次，在变量泵与分流集流阀之间增设一个冲洗阀[5]，该冲洗阀可以有效改善系统的散热性，也可以清洗掉液压元件磨损后产生的金属颗粒;再次，分流工况与非分流工况的切换是通过调整液控换向阀使其处于不同工作位置来实现的。优化后的全液压平地机同步液压驱动系统如图2所示。

3 同步液压驱动系统性能分析

3.1 系统同步性能分析

系统同步性能的好坏可以用不同工况下左、右马达的转速同步精度来衡量。由于马达容积效率会受到进出口压力差的影响（具体关系见图3），所以马达的转速同步精度可按式（1）进行计算。

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

式中，[Δn]表示同步精度;[Q1]、[Q2]分别表示左、右马达流量，mL/min;[ηmv1]、[ηmv2]分别表示左、右马达容积效率。

结合式（1）和图3可以发现：当进出口压力差增大时，容积效率将变小，同步精度也将随之减小;当进出口压力差增大至20 MPa左右时，同步精度仍维持在较高水平，这说明即使在严重偏载的工况下，该系统仍能保持较高的同步精度。

3.2 系统牵引特性分析

由于系统的压力损失将直接影响系统可供牵引力的大小，故需要对系统的牵引特性进行分析。为简化计算，发动机转速视为额定转速，系统管路的压力、流量损失忽略不计，则平地机在水平面作业时的有效牵引力可表示为：

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

式中，[Fkp]表示有效牵引力，N;[Nep]表示变量泵输入功率，kW;[ηpm]表示变量泵机械效率;[ηpv]表示变量泵容积效率;[ηmm]表示马达机械效率;[ηmv]表示马达容积效率;[ηr]表示减速平衡箱效率;[v]表示平地机行驶速度，km/h;[Δpp]表示变量泵进出口压力差，MPa;[Δpm]表示马达进出口压力差，MPa;[G]表示平地机附着重量，N;[f]表示滚动阻力系数。

根据式（2）和系统效率计算分析，可绘制出系统牵引特性随工况变化的关系曲线，如图4所示。

图4表明：无论分流集流阀是否起作用，系统效率都将随车速的增加而增大，但当车速增大至4 km/h后，系统效率将略有减小;在车速相同的情况下，系统的可供牵引力将随偏载增大而减小。

在实际作业时，系统的最大可供牵引力还受地面附着条件的影响。当地面附着条件差且不启用分流集流阀的情况下，系统的最大可供牵引力为两侧可提供牵引力的最小者，但若此时接通分流集流阀，则系统的最大可供牵引力为两侧可提供牵引力之和，此时的牵引力显然要远大于不启用分流集流阀时的情况。

4 结论

优化后的同步系统可以很好地解决连续偏载工况的同步作業问题。根据不同工况控制好分流集流阀的状态，即使平地机处于严重偏载工况下，整机仍能保持较高的同步精度，并产生最大的可供牵引力。

参考文献：

[1]张翔.500hp静液压平地机行驶驱动系统研究[D].西安：长安大学，2015：1-65.

[2]马建，孙守增，芮海田，等.中国筑路机械学术研究综述·2018[J].中国公路学报，2018（6）：1-164.

[3]卓卫国，康敬，李恪轩.液压同步驱动系统的研究[J].建设机械技术与管理，2016（2）：84-86.

[4]王平豪，陈岗，李宏波.TBM液压推进系统设计及同步控制特性研究[J].液压气动与密封，2019（8）：21-25.

[5]王琳，周盼，夏孟龙.基于AMESim的船用液压阻尼器结构优化与仿真[J].液压与气动，2018（6）：94-98.