浅谈几种常见液压同步控制回路及应用

铁建重工新疆有限公司 陈晨

概述

液压同步控制回路是液压技术的一个重要组成部分，广泛应用于工业生产、工程机械、农业机械、港口机械等多个领域[1]。当被驱动的负载体积较大或质量较重需要多个支点时，依靠单一执行元件难以驱动负载，此时，需要多个执行元件以相同的位移或相等的速度共同驱动负载。由于液阻、偏载、空气混入、内泄漏以及制造误差等诸多因素进而导致各执行液压油缸的运动速度不同步，引起误差累积，最终使各执行液压油缸产生不同步现象，轻则使负载或活塞杆变形导致卡死，重则导致负载倾翻危及人身安全。因此，了解并掌握常见的液压同步控制回路，分析并研究液压同步控制技术在驱动重型负载或体积较大需要多个支点的负载工况时的实际应用意义重大[2—4]。液压同步控制回路在农业机械中的应用极为广泛，例如采棉机内棉箱的升降、棉箱门的开关、玉米收获机及青贮饲料机粮箱的升降、免耕播种机底盘的升降（用于调节播种作业深度）等，如果两个或多个液压油缸在运动过程中不同步，将会导致采棉机内棉箱、棉箱门、玉米收获机及青贮饲料机粮箱的卡死、变形、活塞杆弯曲、连接销轴断裂等情况发生，进而影响其正常作业。如果免耕播种机底盘的两个液压油缸运动不同步将影响种子播种深度，进而严重影响种子的成活率。能够实现多执行元件同步的回路不止一种，然而，随着实践的不断检验，一些液压同步控制回路逐渐淡出了人们的视线，本文就农业机械中常见的几种液压同步控制回路的工作原理、应用、优缺点进行介绍。

1 常见的几种液压同步控制回路

1.1 单向节流阀构成的液压同步控制回路

图1所示为由单向节流阀构成的液压同步控制回路。当电磁换向阀1左位得电时，压力油经电磁换向阀左位、单向节流阀2，分别进入两个液压油缸3的无杆腔，通过调节单向节流阀2，控制进入两个液压油缸3的流量，从而达到液压油缸上升过程中运动速度的同步。这种液压同步控制回路具有结构简单、成本低、可实现多个液压执行元件在速度上的同步，当采用叠加式双单向节流阀或螺纹插装阀时会使整个液压系统结构更紧凑、体积更小、外观整齐美观，但是也存在同步精度低、功率损耗大、易受油温变化和负载特性影响等诸多缺点。

此外，由单向节流阀构成的液压同步控制回路其原理是基于节流，节流一方面会产生能量损失；另一方面会导致液压系统发热。然而，功率损失和液压系统发热对于自走式农业机械来说至关重要。由于节流导致的液压系统发热不但会使液压油粘度变低，还会使液压油缸密封圈的密封性能大打折扣，最终导致液压油缸内泄，使采棉机、玉米收获机、青贮饲料机的割台在作业过程中逐渐下降，这样将严重影响采收效率，造成不必要的损失。因此，在主流农业机械中，基于节流原理的液压同步控制回路已经被由分流集流阀构成的液压同步控制回路所替代。

图1单向节流阀构成的液压同步控制回路

1.2 分流集流阀构成的液压同步控制回路

采用分流集流阀实现液压油缸速度同步具有纠偏能力强、简单经济、同步精度高（约为1%～3%）等优点，其原理如图2所示。

图2分流集流阀构成的液压同步控制回路

当电磁换向阀1左位得电时，压力油经电磁换向阀左位、分流集流阀2，分别进入两个液压油缸3的无杆腔，通过该阀的分流功能使两液压油缸以相等的速度上升；当电磁换向阀1右位得电时，压力油经电磁换向阀右位，分别进入两个液压油缸3的有杆腔，无杆腔的液压油通过该阀的集流功能使两液压油缸以相等的速度下降并流回油箱。由于分流集流阀的纠偏能力强，即使在偏载工况下也能以相等的流量分流或集流，进而实现速度同步，且可实现执行元件双向运动的同步[5]。正是由于分流集流阀的这些优点，使其广泛应用于采棉机棉箱门开关、玉米收获机以及青贮饲料机粮箱升降的控制。因为分流集流阀的同步控制精度取决于其压降，所以分流集流阀的流量范围较窄。当实际流量低于其额定流量较多时，该阀的压降与流量将成平方倍的下降，同步精度也显著下降。分流集流阀的压降一般为0.8～1.2Mpa，因此其不适用于压力较低的液压系统。所以，在选择分流集流阀时，首先要选择合适的液压油缸内径，确定其额定工作压力，使其额定工作压力不要过低；其次要根据所需流量合理选择该阀的公称流量，切勿使分流集流阀的公称流量过分的高于执行元件的所需流量[6]。

1.3 两液压缸串联构成的液压同步控制回路

当执行元件为差动液压油缸时，由于其有杆腔和无杆腔的容积不同，想要通过串联的方法实现液压油缸的同步就需要经过准确的计算，在两液压油缸行程相等前提下使得1号液压油缸有杆腔容积等于2号液压油缸的无杆腔容积，从而推算出2号液压油缸的内径。这种液压同步控制回路较为简单，成本也相对较低，但也有着不适用于重载、偏载、设计一旦完成就难于更改、计算圆整后使得液压油缸缸筒为非标产品，密封圈购买困难等缺点。

图3两液压油缸串联构成的液压同步控制回路

两液压油缸串联同步控制一般用于牵引式农业机械的底盘升降以调节作业深度，如免耕播种机调节播种深度就是依靠底盘的两个液压油缸同步运动完成的，如果两液压油缸运动不同步将导致播种深度不同，影响种子成活率，其液压原理如图3所示。当电磁换向阀1左位得电时，压力油经电磁换向阀左位流入1号液压油缸无杆腔，迫使其有杆腔液压油流入2号液压油缸无杆腔，由于在设计时已经使得1号液压油缸有杆腔的容积等于2号液压油缸无杆腔的容积，所以能够实现两液压油缸同步运动，其优点是结构简单，不需要其它控制阀，缺点是不能消除累积同步误差。

2 总结

液压同步控制回路远远不止以上所述，本文只是针对几种常见的液压同步控制回路并结合在农业机械上的一些应用进行简要介绍。经过对比分析，并结合农业机械的实际应用得出：（1）在偏载、重载、同步精度要求较高的工况下选用由分流集流阀构成的液压同步控制回路；（2）在轻载、精度要求较低的工况下选择由液压油缸串联构成的液压同步控制回路。

3 展望

从2019年中国农机展来看，液压技术在农业机械上的应用是越来越广泛，从原来简单的各个执行机构液压控制，到今天的全液压驱动控制，再到未来的智能控制，液压驱动方案也是各种各样，例如前双液压马达带轮边减速机驱动+后桥单液压马达驱动、前桥单液压马达驱动+后桥单液压马达驱动、四马达带轮边减速机驱动等。最振奋人心的是“智能农机”新词汇的提出，相信在不远的将来，智能农机与液压工业4.0的有机结合将会使我们对农业机械有一个崭新的认识[7—8]。