一種帶分流集流閥的同步液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化研究

王強(qiáng) 沈濤 郭超

摘 要：針對(duì)全液壓平地機(jī)偏載時(shí)易出現(xiàn)跑偏和側(cè)滑的問(wèn)題，本文提出了一種帶分流集流閥的同步液壓驅(qū)動(dòng)優(yōu)化方案，并詳細(xì)闡述了方案的系統(tǒng)組成和工作原理，進(jìn)而從理論上對(duì)方案的同步性能和牽引特性進(jìn)行分析和論證，最后得出優(yōu)化后全液壓平地機(jī)可在不同工況下實(shí)現(xiàn)最大可供牽引力和最佳動(dòng)力性能的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：分流集流閥;同步液壓驅(qū)動(dòng);全液壓平地機(jī)

中圖分類號(hào)：TH137.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(jī)在進(jìn)行邊坡、挖溝等作業(yè)時(shí)，由于左、右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪附著條件不同，所以容易造成整機(jī)跑偏或者單側(cè)滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象。機(jī)械或液力機(jī)械式平地機(jī)可以通過(guò)差速鎖定機(jī)構(gòu)來(lái)避免此種現(xiàn)象的發(fā)生，但對(duì)于全液壓平地機(jī)而言，要解決此類問(wèn)題卻存在諸多難題。

在過(guò)往的研究和生產(chǎn)實(shí)踐中，也曾提出過(guò)多種解決方案。比如，早期應(yīng)用于全液壓平地機(jī)的防滑閥組方案[1]，該方案的問(wèn)題在于沖擊力大、單側(cè)馬達(dá)易超速，僅可作為一種輔助彌補(bǔ)措施，不能從根本上解決問(wèn)題;又如，電子抗滑轉(zhuǎn)方案[2]，該方案的缺陷在于無(wú)法適用于負(fù)載有劇烈變化的工況;再如，同步馬達(dá)方案[3]，該方案必須對(duì)平地機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大改動(dòng)，可操作性較差;此外，還有已應(yīng)用于PY180H平地機(jī)的單馬達(dá)+左、右減速平衡箱方案[4]，該方案雖能解決同步問(wèn)題，但通常用于新產(chǎn)品、新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并不適用于已定型產(chǎn)品的優(yōu)化。

鑒于以上方案存在的問(wèn)題，本研究提出采用一種帶分流集流閥的同步液壓驅(qū)動(dòng)優(yōu)化方案，以期能在不同工況下實(shí)現(xiàn)全液壓平地機(jī)的最大牽引力和最佳動(dòng)力性能。

2 同步液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化方案

在高壓系統(tǒng)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(yōu)化方案主要是通過(guò)在泵和馬達(dá)之間增設(shè)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(dá)保持轉(zhuǎn)速同步，從而達(dá)到平地機(jī)在偏載情況下實(shí)現(xiàn)同步作業(yè)的目的。當(dāng)平地機(jī)正常行駛和作業(yè)時(shí)，分流集流閥不起作用;當(dāng)平地機(jī)偏載作業(yè)時(shí)，分流集流閥起作用，即前進(jìn)檔位時(shí)為分流，后退檔位時(shí)為集流。該方案的動(dòng)力傳遞路線如圖1所示。

考慮到平地機(jī)實(shí)際作業(yè)時(shí)必須在不同工況下進(jìn)行，所以在添加分流集流閥的同時(shí)，又對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，在分流集流閥組中增加了一個(gè)防氣蝕的壓力補(bǔ)油閥，這可以有效避免同步過(guò)程中因“馬達(dá)超速”而出現(xiàn)的進(jìn)油口氣蝕現(xiàn)象;其次，在變量泵與分流集流閥之間增設(shè)一個(gè)沖洗閥[5]，該沖洗閥可以有效改善系統(tǒng)的散熱性，也可以清洗掉液壓元件磨損后產(chǎn)生的金屬顆粒;再次，分流工況與非分流工況的切換是通過(guò)調(diào)整液控?fù)Q向閥使其處于不同工作位置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。優(yōu)化后的全液壓平地機(jī)同步液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖2所示。

3 同步液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能分析

3.1 系統(tǒng)同步性能分析

系統(tǒng)同步性能的好壞可以用不同工況下左、右馬達(dá)的轉(zhuǎn)速同步精度來(lái)衡量。由于馬達(dá)容積效率會(huì)受到進(jìn)出口壓力差的影響（具體關(guān)系見(jiàn)圖3），所以馬達(dá)的轉(zhuǎn)速同步精度可按式（1）進(jìn)行計(jì)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(dá)流量，mL/min;[ηmv1]、[ηmv2]分別表示左、右馬達(dá)容積效率。

結(jié)合式（1）和圖3可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)進(jìn)出口壓力差增大時(shí)，容積效率將變小，同步精度也將隨之減小;當(dāng)進(jìn)出口壓力差增大至20 MPa左右時(shí)，同步精度仍維持在較高水平，這說(shuō)明即使在嚴(yán)重偏載的工況下，該系統(tǒng)仍能保持較高的同步精度。

3.2 系統(tǒng)牽引特性分析

由于系統(tǒng)的壓力損失將直接影響系統(tǒng)可供牽引力的大小，故需要對(duì)系統(tǒng)的牽引特性進(jìn)行分析。為簡(jiǎn)化計(jì)算，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速視為額定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)管路的壓力、流量損失忽略不計(jì)，則平地機(jī)在水平面作業(yè)時(shí)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(jī)械效率;[ηpv]表示變量泵容積效率;[ηmm]表示馬達(dá)機(jī)械效率;[ηmv]表示馬達(dá)容積效率;[ηr]表示減速平衡箱效率;[v]表示平地機(jī)行駛速度，km/h;[Δpp]表示變量泵進(jìn)出口壓力差，MPa;[Δpm]表示馬達(dá)進(jìn)出口壓力差，MPa;[G]表示平地機(jī)附著重量，N;[f]表示滾動(dòng)阻力系數(shù)。

根據(jù)式（2）和系統(tǒng)效率計(jì)算分析，可繪制出系統(tǒng)牽引特性隨工況變化的關(guān)系曲線，如圖4所示。

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

在實(shí)際作業(yè)時(shí)，系統(tǒng)的最大可供牽引力還受地面附著條件的影響。當(dāng)?shù)孛娓街鴹l件差且不啟用分流集流閥的情況下，系統(tǒng)的最大可供牽引力為兩側(cè)可提供牽引力的最小者，但若此時(shí)接通分流集流閥，則系統(tǒng)的最大可供牽引力為兩側(cè)可提供牽引力之和，此時(shí)的牽引力顯然要遠(yuǎn)大于不啟用分流集流閥時(shí)的情況。

4 結(jié)論

優(yōu)化后的同步系統(tǒng)可以很好地解決連續(xù)偏載工況的同步作業(yè)問(wèn)題。根據(jù)不同工況控制好分流集流閥的狀態(tài)，即使平地機(jī)處于嚴(yán)重偏載工況下，整機(jī)仍能保持較高的同步精度，并產(chǎn)生最大的可供牽引力。

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