（机械电子工程专业论文）分流集流阀在全液压平地机中的应用研究.pdf

摘要 全液压平地机与机械或液力机械式平地机相比，具有传动环节少、操作省时省 力、无极变速、自动适应负载能力强及便于实现自动控制等优点。对全液压平地机 的同步作业问题进行研究具有重要的理论意义和工程应用价值。 本论文结合某型全液压平地机，在分析研究其行驶液压驱动系统工作原理的基 础上，比较论证了多种系统同步方案，确定了基于分流集流阀的系统同步方案，并 对分流集流阀进行了选型和性能分析；对带分流集流阀的全液压平地机行驶液压系 统的同步性能、压力冲击、压力损失、牵引特性及系统效率等进行了详细的分析研 究；基于a m e s 洫软件进行了同步液压驱动系统的建模与仿真，计算了平地机样机 折算到变量马达驱动轴上的转动惯量，仿真了分流集流阀的静态性能、正弦载荷下 系统的同步性能、阶跃载荷下的系统响应、回路切换过程中的液压冲击及系统牵引 特性；按照设计方案对样机进行了同步效果、压力冲击、响应速度及最大牵引力试 验，试验结果表明该方案可行。 关键词：全液压平地机，偏载，同步性能，分流集流阀，蝴e s i m 仿真 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t l lt l l ei n e c h a i l i c a lo rh y d r a u l i ci m c h a i l i c a lg m d e r ，t l l ef u hh y d r a u l i c g r a d e r f e a t i l r e sw i ml e s s 咖l s i i l i s s i o n l i n k s ， e x c e u e n to p e r a t i o n a lp e r f o r r l l a i i c e ， c o n t i n u o u s l yv 撕a b l e 瑚畦。岫s 皿s s i o n ，b e t t e rl o a da d 印t i v ea b i l i t y 锄dc o n v e n i e n c eo f a u t o m a t i cc o n 廿- o l ，e t c t h es t u d yo fg r a d e r ss y i l c t l r o u n o u so p e r a t i o np r o b l e mi so f g r e a t m e o 硎c a la l l da p p l i c a t i o nv a l u e hm ep a p e r ，b y 觚a l y z i n ga n dc o m p 撕n gs e v e r a ls y s t e ms y i l c h r o u ss c h e i n e s b 嬲e do nm e p r i n c i p l eo fm e 孕a d e r sh y d r a u n cd r i v i n gs y s t e i 玛t l l es y s t e ms y n c h r o n o u s s c h e m eo fu s i n gad i v i d i n g c o n l b i n i n gv a l v ei sd e t e n i l i n e d ，觚dt l l et y p e 姐dp e r f o m 姗c e o fd i v i d i n g c o l b i n j n gv a l v ea r e 柚a l y z e da i l dd i f i n c d n e s ) r i l c h r o n i z a t i o np r o c i s i o n ， p r e s s u r ei m p a c t ，p r e s s u r el o s s ，臼嘲m o nc h a m c t 嘶s t i ca n ds y s t e me m c i e n c yo ft l l e h y d r a u l i cs y s t e ma r es t u d i e di l ld e t a i l t i l em o d a l0 ft l l es y n c l l i 0 n o u sh y d r a u l i cd r i v i n g s y s t e mi se s t a _ b l i s h 酣i nm ep a p e r 锄dt i l es 谢cp e r f o r m a n c e ，m es y n c h o n i z a t i o n p 硎m c e o nt l l es u b t a i n e dc h a i l g i l l ga n d 廿1 es y s t e mr e s p o n s eo nt l l es i n u s o i d a ll o a d s ， h y d r a u l i ci m p a c ti i ls w i t c l l i n gc i r c u i ta n d l e 仃a c t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft l l es y s t e ma r e s i i n u l a t e da r e rm ec a l c u l a t i o no ft l l em o m e n to fi n c n i ao fh y d r a u l i cm o t o rd r i v i n ga x i s a c c o r d i n gt ot 量l ed e s i g ns c h e m e ，n l es y n c l l i o n o u se f f e c tt c s t ，m ep r e s s l l r ei m p a c tt e s t t l l e r e s p o n s es p e e dt e s t 锄dt h em a x i m u m 廿a c t i v ef b r c et e s ta r ec 删e do u t t h et e s tr e s u n s h o w st b a tt b es c h e m ei sf a e s i b l e k e yw o r d s ： m uh y d 瑚【u l i c 伊a d p a r t i a ll o a d ，s ) r n c h r o n i z a t i o np e 墒m l 锄c e ， d i v i d i i l g c o m b i i l i n gv a l v e ，a m e s i ms i m u l a t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包 含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：嚆! 刽峄 刀7 年歹月，。日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属 学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利 等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论 文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 眨剑嶙刎7 年岁月，d 日 凇7 年歹月，d 日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 平地机是一种以刮刀为主，配以其它多种可换作业装置，进行土地平整和整形作业 的施工机械，主要用于道路、机场、农田、水利等大面积平整作业以及刮坡、挖沟、推 土、松土、清除路面冰雪等方面的施工作业，是基础建设施工中的重要设备之一。 1 1 国内外平地机的发展现状 多年来，平地机市场一直处于多种传动方式产品并存的状态，以v o l v 0 ( 沃尔沃) 、 c a t e 印i l l 盯( 卡特彼勒) 和j o h nd e e r c ( 约翰迪尔) 等为代表的欧美平地机生产商，始终 坚持在多档位变速箱基础上对发动机进行合理利用的技术路线，将机械传动的高效率进 行最大程度的发挥；而以美国d r e s s 盯( 德莱塞) ，日本小松等为代表品牌的液力机械式 平地机，则在自动换档、负载自适应方面具有优势，绝大部分国产平地机，如天津鼎盛、 徐工、常林等，也均属于此种形式；近几年，三一重工又将静液压传动技术应用于平地 机的行驶驱动系统，具有负载自适应能力强、便于实现自动控制等优点，国内个别企业 ( 如徐工、天津鼎盛等) 也开始进行相关产品的研制开发【1 ，乏3 】。 无论采用何种传动方式，平地机生产商在整机性能方面的追求目标都是一致的，都 集中在尽可能地发挥其传动方式本身的优势，追求最佳的动力性、经济性及操纵性能， 从而获得最大的作业生产率。 1 1 1 国外平地机的发展现状与新技术 国外平地机已有1 0 0 多年的发展历史，其中，最早的是1 9 世纪后期在英国出现的拖式 平地机，随后，在2 0 世纪2 0 年代出现了自行式平地机，到2 0 世纪8 0 年代后期，平地机开始 采用机电液一体化技术，逐步向智能化、自动化方向发展【3 】。 目前，国外著名的平地机生产厂商主要有美国的c a t e 印m 盯( 卡特彼勒) 、d r c s s 盱 ( 德莱赛) 和j o l l nd e e r e ( 约翰迪尔) ，瑞典的v o l v o ( 沃尔沃) ( 产地加拿大) ，日本的 小松、三菱重工，德国的o k ，意大利的菲亚特，阿里斯等。其中，v o l v o 公司是历史 最悠久的平地机生产制造商；小松是目前平地机规格品种最多的一家公司，规格品种有 2 0 多种【3 ，4 一。 通过对国外各厂商平地机品牌技术特点的分析发现，国外平地机采用的新技术及发 展趋势集中在以下方面： 第一章绪论 1 多种传动方式并存 目前为止，国外平地机的传动方式仍然多样化。其中由变速箱等组成直接传动方式 一直占有主流地位，这主要是由于直接传动方式具有较高的传动效率。而为了使操作员 解脱繁重的换档操作，许多直接传动系统同时支持自动换档。除机械式的直接传动外， 相当一部分平地机采用由液力变矩器组成的液力传动，这主要是由于液力变矩器自身的 负载自适应能力强，使得平地机可以在更多复杂工况下作业。例如小松公司生产的 l a t e m 系列平地机，在低四档可选择直接传动或变矩器传动。 2 前轮液压驱动 各大平地机厂商的高端产品均采用静液压传动方式的前轮驱动系统。例如v o l v o 的 g 9 0 0 系列和c a t 的m 系列均在配备前轮驱动系统，为满足特殊场合的高精度平整作业， 可以选择纯前轮驱动模式嘲；d e e r e 在其d 系列平地机上设计了前轮加力系统，并且允 许驾驶员控制前轮加力的程度。 3 电喷发动机变功率控制技术 国外新型的平地机普遍采用了发动机变功率控制技术，采用多功率( 扭矩) 曲线的 匹配方式，可以使平地机在不同工况使用时，选择不同的、更适合该工况的功率( 扭矩) 曲线，使发动机使用更为合理，更为节能。例如v o l v o 平地机的发动机设计了3 档功率 曲线，并且较低的两档曲线可以通过速度开关限制发动机最高转速。 4 操作方式出现新变化 平地机传统的作业装置操作方式是通过操纵方向盘两侧的两排手柄完成的。c a t 于 2 0 0 6 年在其m 系列平地机上，率先采用两个多功能操纵手柄，在替代传统的工作装置 控制手柄的同时取消了方向盘，平地机的所有控制动作( 铲刀调整与行驶) 均通过两个 手柄及其上的按钮完成，与原有的操作方式相比，这一操作方式可减少操作员7 8 的手 臂运动量，对平地机的操作方式有重大影响p 一。 5 其它 开发更为先进的状态监测平台与故障报警系统：采用降低噪音的技术和设计；在驾 驶室设计上追求更为宽阔的视野：控制系统方面包括电子超速保护、总线通信、自动找 平以及自动巡航等【9 】。 2 长安大学硕士学位论文 1 1 2 国内平地机的发展现状 我国平地机产业起步较晚，始于2 0 世纪6 0 年代，其中生产的第一台平地机为机械 式平地机，由天津工程机械厂( 现鼎盛天工) 参照前苏联样机试制。国内第一台p y 型 平地机p y l 6 0 a 也由天工生产出，时间为1 9 8 0 年。1 9 8 5 年天工又引进德国o & k 公司f 系列平地机生产技术。此后凭借对平地机设计方法、设计原理和制造工艺多年的理解， 开始走上自主研发的道路，1 9 9 0 至今起先后开发生产出了从8 0 h p 到2 8 0 h p 共9 大类1 0 个型号的p y 系列平地机1 0 1 1 1 。 1 9 8 7 年，哈尔滨四海工程机械公司制造出8 0 0 系列平地机，其中生产技术从美国 德莱赛公司引进，发展至今，其主要产品为8 5 0 和8 7 0 。 1 9 9 7 年，常林股份公司引进了日本小松公司的平地机生产技术，并于1 9 9 8 年生产 出1 6 0 p h 和1 9 0 p h 两种马力的平地机，目前，其主要产品包括p y l 6 5 c 一3 、p y l 9 0 c - 3 和 p y 2 0 0 c 一3 三种规格。 徐工集团凭借自身的技术优势，开发研制出十多个规格型号的平地机产品，目前的 主打产品为k 、g r 系列的1 6 5 、1 8 0 、2 0 0 、2 1 5 平地机，近期又开发出静液压传动的样 机。其产品特点为：前进6 档，倒退3 档的动力变速箱，并且档位变换为电位控制，控 制灵活方便，铰接车架，后桥为三段式驱动桥，主传动装有无自转闭锁差速器，【1 2 1 。 2 0 0 1 年，三一重工在广泛吸取国内外平地机先进技术的基础上，将静液压传动技术 应用于平地机的行驶驱动系统，创新研制成功的全液压平地机，具有传动环节少、操作 方便、自动适应负载能力强、无极变速以及易于实现自动控制等优点。主要产品型号有 p q l 6 0 和p q1 9 0 删。 经过多年的发展，到2 0 0 6 年国内已拥有以天津鼎盛天工为代表的包括徐工、成工、 黄工、常林、三一和四海等十多家平地机生产企业，产品基本上能够适应国内市场的不 同需求。由于人们的高度重视和平地机市场的繁荣，促进了技术发展，产品设计也从技 术引进转向自主开发1 4 ，1 5 ，1 6 1 。 1 2 课题提出的背景及意义 近年来，由于国家加大对基础设施建设的投资力度，大力发展公路交通事业从而带 动了平地机市场的繁荣。今后几年，国家将继续实施扩大内需的宏观经济政策，基础设 施建设还将是国民经济的热点，面对这种形势，国内各平地机生产企业都在通过应用先 进技术提升产品质量或开发新产品。 3 第一章绪论 图1 1 平地机刮边坡作业图圈1 0 平地机挖边淘作业田 对机械或液力机械式平地机来说，驱动桥上的差速锁定机构保证了机器在左、右两 侧驱动轮地面附着条件不同或偏载作业时，两侧驱动轮能够实现同步驱动，从而充分发 挥机器的有效牵引力，使机器有大的作业生产率。然而，全液压平地机采用单泵一双马 达并联的轮边独立驱动方式，当其牵引力作用点偏离车辆左右中心线过大( 偏载) ，如 刮边坡、挖边沟等工况( 如图1 1 1 2 所示) ，或左、右两侧驱动轮附着条件相差较大 时，会带来阻下问题： 1 左右两侧驱动轮由于出现差速而跑偏。 2 发生单侧滑转： a 偏载较大，机器在克服阻力的过程中频繁发生单侧滑转 b 某侧驱动轮附着条件不好引起的单侧滑转。 平地机在整机性能方面的追求日标是获得最大的作业生产率，而以上问题均会降低 平地机作业生产率，其中出现跑偏时，为保证正常作业，需要频繁调整前进方向，会降 低机器作业生产率；而发生单侧滑转，会使车速降低，也会降低作业生产率。因此，进 行全液压平地机同步技术研究，设计合适的同步方案，对提升产品整机性能、提高作业 生产率有重要的意义。 1 3 国内外液压同步技术的研究现状 目前，同步驱动系统的形式很多，归纳可以分为三种，机械刚性连接形式、阀控形 式( 附设调速阀、分流集流阀、同步马达、伺服阀等) 和电控形式嘛1 7 瑚。 机械刚性连接形式是使用刚性结构使多个执行机构建立刚性的运动联系，以实现速 度或位置的同步，其同步的精度取决于机构的刚度，该形式由于受到机械结构的的限制， 长安大学硕士学位论文 使用范围受到较大影响【1 6 】。 阀控形式的实现方式有很多，包括附设电液伺服阀、数字控制阀、分流集流阀和同 步马达等方式。由电液伺服阀组成的液压同步闭环控制系统具有较高的响应速度，同步 控制精度高。然而，因为该种阀结构复杂、造价高且抗污染能力差，所以使它的广泛应 用受到很大的限制加，2 1 1 。数字控制阀是一种新型机电液一体化控制元件，由8 0 年代初期 逐渐发展起来，它的最大特点就是可以直接用数字量来控制，省去一般控制系统中的d a 转换过程，不过这种阀的同步精度受到同步电机、计算机软、硬件的影响【硼。由分流 集流阀或同步马达组成的同步系统与由电液伺服阀等组成的闭环同步系统相比，具有系 统简单、维护方便、使用可靠等优点。特别是分流集流阀，由于其本身结构简单、制造 方便，因而在许多同步精度要求相宜和适中的液压系统中得到广泛的应用2 2 ，捌。 电控形式实质是指由各种电控变量泵( 变量马达) 组成液压系统，通过调节变量泵 ( 变量马达) 排量，使马达转速( 液压缸位移) 同步。与各类阀控形式系统相比，它效 率高，但响应速度慢，一般用于大功率但频率响应不高的场合圈。 总之，液压同步控制的方案非常多，根据实际的工艺动作要求、安装可靠性要求和 投资成本预算等多方面因素，可以使用多种液压同步的控制方案。 1 4 论文主要研究内容 本论文基于分流集流阀，对全液压平地机的同步问题进行了研究，主要研究内容如 下： 1 、本论文结合某型全液压平地机，在分析研究其行驶液压驱动系统工作原理的基 础上，比较论证了多种系统同步方案，确定了基于分流集流阀的系统同步方案，并对分 流集流阀进行了选型； 2 、在对分流集流阀的动静态性能进行了简要分析的基础上，对带分流集流阀的行 驶液压系统性能进行了研究； 3 、基于a m e s i m 软件进行了同步液压驱动系统的建模与仿真； 4 、按照设计方案对某样机进行了同步作业性能试验，在验证该方案可行性的同时 对比试验数据与仿真数据，判断仿真模型的正确性。 5 第二章全液压平地机同步方案研究 第二章全液压平地机同步方案研究 2 1 动力传动系统的组成与工作原理 2 1 1 动力传动系统的组成 全液压平地机动力传动系统如图2 1 所示，主要由发动机、分动箱、变量泵、变量 马达、减速平衡箱及驱动轮等组成，传动路线为：发动机? 分动箱? 变量泵? 变量马达 ? 减速平衡箱? 驱动轮，与机械和液力式平地机传动系统相比，其采用由单变量泵一双 变量马达并联的闭式静液压传动方式，具有传动路线短、便于自动控制和维修保养的优 点。 图2 1 全液压平地机动力传动系统 1 发动机；2 分动箱；3 变量泵；4 、5 变量马达； 6 、7 减速平衡箱；8 、9 、l o 、1 1 车轮 2 1 2 行驶液压系统的组成与工作原理 全液压平地机行驶液压驱动系统采用单变量泵驱动双变量马达的并联回路，系统较 简单，主要由变量泵l 、安全阀4 、5 ，辅助泵6 、变量马达7 、冲洗阀8 、溢流阀9 和 油箱等组成，如图2 2 所示。 6 长安大学硕士学位论文 图2 2 全液压平地机液压驱动系统图 1 变量主泵；2 双向液压缸；3 三位四通换向阀：4 溢流阀：5 溢流阀； 6 补油泵；7 变量马达；8 冲洗阀：9 溢流阀；1 0 比例电磁阀；1 1 液压缸。 变量泵1 既是液压能源，将发动机的机械能转换成工作液体的压力能，并将高压油 提供给变量马达7 ，驱动平地机行驶，同时变量泵也是主要的控制元件，在马达排量不 变的情况下，通过改变其斜盘角度来控制变量泵排量，以实现对平地机行驶速度的调节 和行驶方向的转换。在此，变量泵的斜盘角度是通过双向液压缸2 和三位四通换向阀3 组成的回路来调节。变量马达旋转方向靠改变变量泵的摆角大小和摆角方向实现，而在 泵排量不变的情况下，变量马达转速的大小是通过控制马达排量来实现的，而马达排量 是通过控制比例电磁阀1 0 ，改变液压缸l l 的位置来实现。系统的最大工作压力由安全 阀4 、5 所限定，之所以安装两个安全阀，是由于平地机工作过程中油路的高低压油路 会互换。两变量马达各配置一个冲洗阀8 ，可排出系统部分热油，起到系统散热作用； 同时可以冲洗马达内磨损下来的微小金属颗粒。 2 2 全液压平地机同步方案论证 2 2 1 行驶驱动系统同步方案 液压同步控制的方案有很多，针对全液压平地机行驶驱动系统，有以下几种同步方 7 第二章全液压平地机同步方案研究 案。 1 、防滑阀组方案 防滑阀组方案是早期应用与全液压平地机的一种抗滑转方法，其动力传动路线如图 2 3 所示，发动机带动主变量泵，经防滑阀组至左、右变量马达后传递至左、右减速平 衡箱，经减速后驱动左、右轮使车辆行驶。 发变 防 _ 一左变量马达l 一左减速平衡箱h 左驱动轮 动 量 滑 机泵 阀 组 叫右变量马达卜- l 右减速平衡箱r _ 叫右驱动轮 图2 3 防滑阀组方案动力传递路线图 图2 4 防滑阀组方案液压系统原理图 防滑阀组方案液压系统如图2 4 所示，其原理为：当某侧驱动轮发生滑转时，通过 截断滑转侧马达的流量，实现抗滑转功能。控制方法：通过三位四通电磁阀3 控制插装 阀4 和5 的开启与关闭，正常行驶作业时，三位四通电磁阀3 位于中位，两插装液控阀 4 和5 开启，油液经两插装阀自由分配给左右驱动马达1 和2 ；当某驱动轮发生滑转时， 控制电磁阀至相应位置，关闭相应侧插装阀，切断滑转侧马达流量。 该方案在平地机发生单侧滑转后突然切断滑转侧马达流量，存在冲击大、易发生单 侧马达超速现象等缺点，并且不能真正解决同步作业问题，只能作为偏载严重发生滑转 后的辅助弥补措施。 2 、电子方案 文献【2 4 】提出一种电子抗滑转方法，其原理为：采用马达转速反馈的闭环控制方式， 当某侧驱动轮因负载减小而转速升高时，将该侧马达的排量按照一定的算法减小，使得 8 长安大学硕士学位论文 马达输出扭矩减小( 既同样负载可建立的系统压力增大) ，直至两侧马达可以建立起同 样的系统压力，转速相等。 图2 5 马达输出转速、 扭矩与排量比关系示意 焚量与达输出转速与输出扭矩的表达式如( 2 1 ) 、 ( 2 2 ) 式所示【捌： ：业( 伊m ) ( 2 1 ) q m 乙2 荒( 神 ( 2 2 ) 滞量比) 其中，q m ，n m ，t m 分别为马达排量( m l r ) 、输出转速 ) 及输出扭矩( n m ) ；弛为马达机械效率；p 为 马达入出口压差( b 砷；q p ，n p 分别为泵排量及泵转速。 ，鼽为泵的容积效率；图( 2 5 ) 给出了马达输出转速、扭矩和排量比的关系曲线，虚线 代表理论曲线，实线代表实际曲线。 由( 2 1 ) 、( 2 2 ) 式及图2 5 可知：流量一定时，马达理论输出转速与其排量成反比； 压力一定时，马达输出扭矩与其排量成正比。 该方案无需添加机械或液压装置，成本较低，冲击小，没有节流等额外损失。然而 由于变量马达自身对排量控制的响应速度较慢，无法适应平地机作业过程中剧烈的负载 变化，故该方案也不能真正解决同步作业问题，只能作为偏载严重发生滑转后的辅助弥 补措施。 3 、分流集流阀方案 发变 分 一左变量马达h 左减速平衡箱l 一左驱动轮 流 动 量 集 机泵 流 叫右变量马达h 右减速平衡箱卜叫右驱动轮 阀 图2 6 分流集流阀方案动力传递路线 该方案的动力传递路线如图2 6 所示，发动机接两档变速箱后带动主变量泵，经分 流集流阀传递至驱动桥，再经左、右减速平衡箱减速后驱动左、右轮使车辆行驶。 9 第二章全液压平地机同步方案研究 v 图2 7 分流集流阀方案液压系统原理图 分流集流阀是利用负载压力反馈的原理，来补偿因负载压力变化而引起流量变化的 一种流量控制阀。分流集流阀方案液压系统如图2 7 所示，通过二位三通电磁阀4 控制 二位四通液控阀5 的工作位置：二位三通电磁阀4 断电时，二位四通液控阀5 位于上位； 二位三通电磁阀4 通电时，二位四通液控阀5 位于下位。上位：分流集流阀3 断开，变 量泵提供的液压油不经分流集流阀3 直接分配给变量马达1 和2 ，可实现正常的行驶( 直 线和转向行驶) 和作业。下位：分流集流阀3 接通，变量泵提供的液压油全部由分流集 流阀3 等量分流后，提供给变量马达1 和2 ，使两变量马达转速保持同步，从而实现平 地机偏载或单侧附着条件不好等情况下左右驱动轮的同步行驶。 分流集流阀方案具有结构简单、控制方便、易于实施、可靠性高等优点，理论上可 以实现平地机连续偏载下的同步作业。 4 、同步马达方案 该方案的动力传递路线如图2 8 所示，发动机接两档变速箱后带动主变量泵，经同 步马达后传递至驱动桥，再经左、右减速平衡箱减速后驱动左、右轮使车辆行驶。 发变 同 _ 一左变量马达h 左减速平衡箱l 一左驱动轮 动 量 步 机 泵 马 达 叫右变量马达h 右减速平衡箱卜_ l 右驱动轮 图2 8 同步马达方案动力传动路线图 1 0 长安大学硕士学位论文 图2 9 同步马达方案液压系统原理图 同步马达是两组等排量的马达串联在一起，使两马达转速保持一致，等比分配变量 泵提供来的油液供两执行元件使用，不受执行元件压力高低的影响。同步马达方案液压 系统如图2 9 所示，通过二位三通电磁阀4 控制二位四通液控阀5 的工作位置：二位三 通电磁阀4 断电时，二位四通液控阀5 位于上位：二位三通电磁阀4 通电时，二位四通 液控阀5 位于下位。上位：同步马达3 断开，变量泵提供的液压油不经同步马达3 直接 分配给变量马达1 和2 ，可实现正常的行驶( 直线和转向行驶) 和作业。下位：同步马 达3 接通，变量泵提供的液压油全部由同步马达3 等量分流后，提供给变量马达1 和2 ， 使两变量马达转速保持同步，从而实现偏载或单侧附着条件不好情况下等左右驱动轮的 同步行驶。 同步马达方案理论上可以实现平地机连续偏载下的同步作业，具有能量损失小、易 于实现、可靠性高等优点。 5 、单泵+ 单马达+ 两档变速箱+ 驱动桥方案 该方案的动力传递路线如图2 1 0 所示，发动机接两档变速箱后带动主变量泵，经变 量马达后传递至驱动桥，再经左、右减速平衡箱减速后驱动左、右轮使车辆行驶。 变 _ 一左减速平衡箱l 一左驱动轮 发变 变驱 量 动 + 速 + 量 马 动 机箱泵桥 叫左减速平衡箱h 右驱动轮 达 图2 1 0 单泵+ 单马达+ 两档变速箱+ 驱动桥方案动力传动路线 第二章全液压平地机同步方案研究 该方案在传动形式上采用驱动桥结构，驱动桥上的差速器可实现左右驱动轮差速以 利转向，差速锁机构在平地机需要直线行驶时将两侧进行同步锁定，强制两侧速度相等。 行驶速度由两档变速箱、变量泵、变量马达联合调节。 该方案已在很多工程车辆上得以应用( 例如：鼎盛天工p y l 8 0 h 平地机的后轮驱动 系统) ，可以解决平地机的同步作业问题，具有功率损失小，效率高、可靠性高等优点。 2 2 2 同步方案对比及选择 前面叙述了五种同步方案，对各方案的优缺点总结如下： 方案1 ：通过在原系统中添加防滑阀使系统具有抗滑转功能，没有改变原系统单泵 一双马达并联的传动形式，对系统结构的改动较小，具有结构简单、易于实现、可实施 性好等优点。然而防滑阀在平地机发生单侧滑转后才起作用，不能解决偏载作业过程中 的跑偏问题，只能作为偏载严重发生滑转后的辅助弥补措施。在抗滑转过程中因突然截 断滑转侧马达流量，使系统产生压力冲击，系统元件寿命降低；又因几乎全部流量流入 另一侧马达，使马达易出现超速。 方案2 ：通过合理控制左右侧马达排量使系统具有抗滑转功能，无需添加机械或液 压装置，具有结构简单、成本低、冲击小、无节流等额外损失等优点。然而由于变量马 达自身对排量控制的响应速度较慢，无法适应平地机作业过程中剧烈的负载变化，故该 方案也不能真正解决同步作业问题，只能作为偏载严重发生滑转后的辅助弥补措施。 方案3 ：通过在原系统中添加分流集流阀，利用分流集流阀的等量分流功能，使两 变量马达转速相同，可实现平地机偏载情况下的同步作业。分流集流阀与其他同步元件 相比允许偏载较大，即使完全偏载时仍能保持同步，适合于高压系统，具有结构简单， 体积小，安装、适用和维修方便，使用可靠、成本低等优点；缺点是存在一定得节流损 失。 方案4 ：通过在原系统中添加同步马达，利用同步马达的等量分流功能，使两变量 马达转速相同，可实现平地机偏载情况下的同步作业。该方案具有结构简单、维护方便、 使用可靠及能量损失小等优点。然而就同步马达本身来讲，其存在造价高，制造困难等 缺点。 方案5 ：与原系统的传动形式不同，采用驱动桥结构，该方案能够真正解决平地机 同步作业问题，并且具有较高的效率和可靠性等优点，缺点是对平地机结构改动较大， 可实施性差。 1 2 长安大学硕士学位论文 通过对五种方案优缺点的总结可以发现：方案l 与方案2 不能真正解决同步问题， 故对其不做深入研究。方案5 采用驱动桥结构，虽然该方案能够真正解决平地机同步作 业问题，并且具有较高的效率和可靠性等优点，但对于已经定型的产品并不适用，可作 为设计新产品、新结构时的考虑。方案3 与方案4 在理论上均能实现平地机偏载情况下 的同步作业，然而与同步马达相比，分流集流阀的结构更简单，价格较便宜，更易于布 置，现有产品规格更齐全，更适合高压大偏载系统。 综上，方案3 采用带分流集流阀的单泵双马达系统，系统简单、维修方便、使用可 靠、造价低廉、控制简单，是比较合理的选择。 2 3 分流集流阀同步方案系统设计 上节通过对五种同步方案的对比论证，最终确定了在原系统中添加分流集流阀的同 步方案。然而，由于仅仅添加分流集流阀时，系统无法满足平地机不同工况的作业要求， 所以需结合平地机实际作业要求，对系统进行改进设计。 图2 1 1 分流集流阀同步液压驱动系统原理图 1 变量泵2 分流集流阀组3 、4 变量马达5 二位三通电磁阀6 二位四通液控阀 7 分流集流阀8 压力补油阀9 冷却器1 0 冲洗阀 根据平地机实际作业要求，设计分流集流阀同步驱动系统如图2 1 l 所示，系统主 要由变量泵1 、分流集流阀组2 、变量马达3 和4 、冷却器9 和冲洗阀1 0 组成，其中分 1 3 第二章全液压平地机同步方案研究 流集流阀组由两位三通电磁换向阀5 、两位四通液控换向阀6 、分流集流阀7 和压力补 油阀8 组成。 首先：分流集流阀不起作用时，左右马达并联，易实现差速以利转向。分流集流阀 起作用时的分流精度为2 - 3 ，则在平地机转向过程中，由转向角决定的外内侧驱动轮 差速比超过1 0 3 后，外侧驱动轮对应的驱动马达将出现吸空，产生气蚀。因此在平地 机转向时应使分流集流阀不起作用。其次：分流集流阀起作用时压降损失约有 1 旷3 o m p a ，降低了传动效率，同时压降损失转化为热量，增大了系统散热负荷，因此 在作业过程中也尽量使系统工作在非分流工况，仅当偏载作业车辆发生跑偏，或者两侧 附着条件相差较大，单侧驱动轮出现滑转时使用分流工况。为此可通过二位三通电磁阀 5 控制二位四通液控阀6 的工作位置来实现分流工况与非分流工况的切换，其控制原理 为：二位三通电磁阀5 断电时，二位四通液控阀6 位于a 位；二位三通电磁阀5 通电时， 二位四通液控阀6 位于b 位。位置a ：分流集流阀7 断开( 非分流工况) ，变量泵l 提 供的液压油不经分流集流阀7 直接分配给变量马达3 和4 ，系统压降损失小，可实现正 常的行驶( 直线和转向行驶) 和作业。位置b ：分流集流阀7 接通( 分流工况) ，变量 泵1 提供的液压油全部由分流集流阀7 等量分流后，提供给变量马达3 和4 ，使两变量 马达转速保持同步，从而实现偏载或单侧附着条件不好情况下左右驱动轮的同步作业。 并且平地机前进时运用分流集流阀的分流功能，后退时运用分流集流阀的集流功能。 原系统中变量马达本身集成有冲洗阀，在分流模式工作时，由于分流误差、马达容 积误差、转向影响等将使某一马达的高压进油口产生气蚀，当马达进口压力低于会有压 力时会使马达上集成的冲洗阀反向作用，泄掉马达原高压进油端油液，使系统无法工作； 在集流模式下工作时，马达回油端压力被分流集流阀上的压差升高，负载大侧背压增值 达3 0 一8 0 之多，而负载小侧压力增高值更大，甚至增值可达数倍之多，在如此高的 回油压力下，马达上的冲洗阀排油量将远大于分流模式和非分流工况下的冲洗油量，同 时左右马达冲洗阀排量不等。过多的冲洗油量流入马达壳体将使马达壳体压力升高；同 时马达回油减少使系统回油压力降低影响主泵工作( 补油不足) ；而左右马达冲洗阀流 量的不同会使左右马达的流量不等，使左右马达同步误差增大。为此在设计液压系统时， 取掉原左右变量马达的冲洗阀，在泵与分流集流阀之间设置一总冲洗阀。冲洗阀可以排 出变量马达部分热油，起到系统散热作用，同时可以可以冲洗马达内磨损下来的微小金 属颗粒。 平地机发生单侧滑转，采取同步措施时，原滑转侧马达由惯性的原因会出现短时间 1 4 长安大学硕士学位论文 的“泵工况”，该侧马达进油口产生气蚀。采取同步措施的过程中，由于转向行驶将使外 侧马达“超速”进油口出现气蚀，为此可通过分流集流阀组中的防气蚀单向阀来补油，使 车辆非分流工况与分流工况切换过程中不产生气蚀，并且在分流工况可以适度转向。 2 4 分流集流阀的主要品牌与选型 2 4 1 分流集流阀的主要品牌 国外知名的生产分流集流阀的厂家有：德国r e x r o t h ( 力士乐) 、h 气：w e ( 哈维) 、 r m a x ( 贺德克) ，瑞士b u c 髓r ( 布赫) ，美国h y d 黜心o r c e ( 贺德福斯) 等；国 内的生产厂家很多，其中专业生产分流集流阀的有：四平市同步液压阀有限公司、四平 美特液压件厂、北京亿美博科技有限公司等。表2 1 给出了国内外知名品牌分流集流阀 的主要参数。 表2 1 国内外知名品牌分流集流阀的主要参数 生产厂家型号公称流量( i m i n )额定压力( b a r )分流精度 m h 2 f f r 1 27 04 2 02 。3 m h 2 f a r l 81 4 04 2 02 3 力士乐 n m 2 f f 气r 2 22 2 04 2 02 。3 m h 2 f a r 3 23 0 04 2 02 。3 t q 3 7 03 5 02 。3 哈维 t q 4 1 2 03 5 02 。3 t q 5 2 0 03 5 03 。5 s t l oc nl l7 63 5 02 3 s t l 0cn2 21 5 23 5 02 。3 s t l oc n3 32 2 83 5 02 。3 s t l 0cn4 43 0 43 5 02 。3 贺德克s t l 0 - 2 n - 5 5 3 7 83 5 02 。3 s t l 0cn6 64 5 63 5 02 。3 s t l 6cn1 2 1 29 03 5 02 。3 s t l 6cn1 5 1 51 1 53 5 02 。3 s t l 6cn2 0 2 01 5 03 5 02 。3 m t d a 0 81 0 03 1 52 。3 m t d a l 6 2 5 0 3 1 5 2 。3 布赫 m t 0 8 d v 1 0 0 4 2 0 2 。3 m t l 6 d v2 0 0 4 2 0 2 。3 贺德福斯f d l 0 4 04 5 2 4 0 2 。3 f d l 2 _ 4 09 02 4 02 。3 f d l 6 4 01 5 02 4 02 。3 1 5 第二章全液压平地机同步方案研究 l f d 5 0 4 54 53 4 52 。3 f d 5 2 4 59 03 4 52 。3 表2 1 国内外知名品牌分流集流阀的主要参数( 续) 生产厂家型号公称流量( l i i l i n ) 额定压力( b a r )分流精度 贺德福斯 f d 5 6 4 52 0 03 4 52 一3 3 f j l g1 0 03 1 5l 。3 四平分流集流阀 3 f ，l k1 6 03 1 51 。3 3 f j l z 1 6 03 1 51 。3 3 f j l g3 2 0 3 1 51 。3 四平美特 3 f 。k5 03 1 5l 3 3 f j l z3 2 03 1 5l 一3 z t b f 23 2 03 2 01 。3 北京亿美博 数字电控分流集流阀 3 2 03 2 0o 5 。1 5 2 4 2 分流集流阀选型 针对平地机行驶液压驱动系统，对分流集流阀应满足的主要参数进行选型计算： l 、额定流量： 某型全液压平地机，发动机额定转速为挖= 2 2 0 0 r p m ，行驶驱动系统变量泵最大排 量g 眦= 1 2 5 m r ，则： 系统理论额定流量：= ，l 鼋= 2 7 5 蛐 因分流集流阀的压力损失与流量有关，压力损失随流量的增加而增大，分流集流阀 上的压降损失成为热量，降低传动效率并增大散热负荷，流量为最大值的1 0 时，分流 精度约为7 ；流量达到6 0 。7 0 以后，分流精度为2 5 左右变化不大。流量达 6 0 。7 0 时阀上的压降损失约为1 旷2 o m p a ，而达全流量时增加一倍以上，因此为减 少压力损失，系统中最大流量配置应约为分流阀允许最大流量的7 0 。l o o 为宜【捌。故 选择的分流集流阀额定流量应约为2 7 5 。3 7 3 ( 【瓶n ) 为宜。 2 、额定压力： 某型全液压平地机行驶液压驱动系统溢流压力为4 2 m p a ，故分流集流阀额定压力应 大于等于4 2 m p a 。 结合压力与流量的要求，选择力士乐公司生产的m h 2 f a e r 3 2 d 1 4 ) ( 1 h g 2 4 c 4 型分 流集流阀。如图2 1 2 为分流集流阀结构，图2 1 3 为分流集流阀原理图。该阀集成了二 位三通电磁换向阀、二位四通夜控换向阀和分流集流阀，该阀额定流量3 0 0 蛐，满 1 6 长安大学硬学位论文 足系统流量要求；额定压力4 2 m p a ，与系统溢流压力相同；分流精度2 3 。 图2 1 2 分流集流阀结构图图2 1 3 分流集流阀原理圈 第三章带分流集流阀的全液压平地机行驶液压系统研究 第三章带分流集流阀的全液压平地机行驶液压驱动系统研究 上一章对带分流集流阀的行驶液压驱动系统进行了设计，并对分流集流阀进行了选 型，本章将在此基础上对该系统的系统进行深入研究。 3 1 分流集流阀性能分析 目前，对于分流集流阀的研究很多是针对系统压力波动较缓的液压缸同步回路，而 针对牵引式车辆的行驶液压系统研究的甚少。而分流集流阀的性能好坏直接影响到整个 系统的性能优劣，所以对分流集流阀的性能进行分析研究将有利于进一步分析研究系统 性能。考虑到分流集流阀主要用在平地机的作业工况，而平地机一般只在前进档作业， 故仅对分流集流阀的分流性能进行分析研究。 3 1 1 分流模式数学模型 分流集流阀工作时，左、右侧负载压力变化引起阀芯移动，使变节流口各自调整自 己的开度，最终使左、右定节流孔前后油液压差相等，从而保证流过这一对定节流孔的 流量相等【3 5 1 。 为了分析方便，假设油源为恒流源，不计阀的瞬态液动力及泄漏，并忽略一些次要因 素，分流集流阀分流模式可简化为图3 1 所示的数学模型： 气j 艿一一危户- 走门 k a 八i j埘l a i 八 i 阿v 洲 刀。 v 矾v1 j uu 气。 l qt ) ( 图3 1 分流集流阀分流模式简化模型 结合所选力士乐分流集流阀，建立分流集流阀分流模式数学模型： 1 8 长安大学硕士学位论文 q = q l + q 2 + g + q + 旁等 ( 3 1 ) 峭孚居c 。， 慨2 ) q = c - 孕居c 训 慨3 ) 式中：q l 、q 2 一一分别为左右固定节流口流量；c l 一一左右固定节流口流量系数； 幺一一阀进口流量； 一一阀进口腔容积；p 一一油液密度； 一一油液动力粘度； c f l 、畋一一分别为左右固定节流口直径，西= 畋：一一油液体积弹性模量；风一一阀进 口压力；p 1 、p ：一一分别为左右内腔压力； 为使问题得到简化，从阀芯阀芯本身结构出发，忽略作用在阀芯上的库伦摩擦力的 影响和各零件的制造误差，考虑在阀芯表面上与相对运动速度成正比的粘性摩擦力的影 响。 等( p 。鸭) 喝峨+ 恕( 而一工) 一t ( 而+ 工) = 码窘+ 哆。鲁 ( 3 4 ) 式中：c 。、t ：一一分别为左右可变节流口稳态液动力；而一一弹簧预压缩量； 屯一一弹簧刚度；工一一阀芯位移；b ，一一阀芯粘性阻尼；见一一阀芯外径；，l l 一一阀芯 质量。 只l = 1 2 c 2 q 2 s l ( 工) c o s 秒( a 一岛) ( 3 5 ) 只2 = 1 2 c 2 c v 2 s 2 ( x ) c o s 臼( p 2 一风) ( 3 6 ) 式中：c ：一一可变节流口流量系数；c v 2 一一可变节流口流速系数；墨( 工) 、( 工) 一一分 别为左右可变节流口面积； 关于分流工况下变节流口面积s 。( z ) 、s ：( x ) 的计算，与分流集流阀的具体结构及阀 芯的位移量x 有关。分流工况的变节流口形状如图3 2 所示。( a ) 及( b ) 分别表示1 及2 腔变节流口形状，阴影部分的面