張長(zhǎng)偉，郁錄平，薛 雪，李鵬波

(長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西西安 710064)

0 引言

全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)靠液壓系統(tǒng)將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，能根據(jù)轉(zhuǎn)向要求為轉(zhuǎn)向液壓缸提供適量的液壓油進(jìn)行轉(zhuǎn)向，結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、操作輕便，而且具有在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)能實(shí)現(xiàn)人力轉(zhuǎn)向等優(yōu)點(diǎn)，目前在工程機(jī)械中得到了廣泛應(yīng)用。

1 普通全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理

圖1為全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的典型回路。

圖1 全液壓轉(zhuǎn)向典型回路

從液壓油泵3輸出的壓力油經(jīng)單路穩(wěn)定分流閥5穩(wěn)定流量后，進(jìn)入全液壓轉(zhuǎn)向器6。當(dāng)駕駛員操縱方向盤(pán)時(shí)，全液壓轉(zhuǎn)向器6的閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓油進(jìn)入轉(zhuǎn)向油缸8實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

1．1 全液壓轉(zhuǎn)向器

1．1．1 開(kāi)芯無(wú)反應(yīng)型

圖2(a)為開(kāi)芯無(wú)反應(yīng)型全液壓轉(zhuǎn)向器的工作原理示意圖，圖2(b)為其常見(jiàn)的符號(hào)形式。

當(dāng)方向盤(pán)不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，開(kāi)芯無(wú)反應(yīng)型全液壓轉(zhuǎn)向器內(nèi)的轉(zhuǎn)閥閥芯處于中間位置，從油泵來(lái)的油從P口進(jìn)入轉(zhuǎn)閥后，不經(jīng)過(guò)計(jì)量馬達(dá)而直接從T口流回油箱;通向轉(zhuǎn)向油缸的A口、B口處于關(guān)閉狀態(tài)。

圖2 開(kāi)芯無(wú)反應(yīng)型全液壓轉(zhuǎn)向器原理

當(dāng)方向盤(pán)右轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)計(jì)量馬達(dá)右轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向閥芯右轉(zhuǎn)(圖2中為右移，下同)，P口的液壓油通過(guò)計(jì)量液壓馬達(dá)后，從A口進(jìn)入轉(zhuǎn)向油缸，使車(chē)輛轉(zhuǎn)向;從轉(zhuǎn)向油缸流出液壓油經(jīng)B口回油箱。當(dāng)方向盤(pán)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，計(jì)量馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向閥套在回位彈簧的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)到閥芯的中間位置，P口的油重新回油箱，A口、B口又處于關(guān)閉狀態(tài)。由于計(jì)量馬達(dá)是與方向盤(pán)聯(lián)動(dòng)的，計(jì)量馬達(dá)所轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)與方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角成正比，所以進(jìn)入轉(zhuǎn)向油缸的液壓油流量與方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角成正比，保證方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角一一對(duì)應(yīng)。

方向盤(pán)左轉(zhuǎn)時(shí)的情況與右轉(zhuǎn)時(shí)相反。

當(dāng)液壓油源發(fā)生故障不能供油時(shí)，用手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向馬達(dá)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)轉(zhuǎn)向馬達(dá)起到泵的作用，吸開(kāi)全液壓轉(zhuǎn)向器內(nèi)的單向閥向轉(zhuǎn)向油缸供油，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)轉(zhuǎn)向，由于這時(shí)的轉(zhuǎn)向動(dòng)力由人力產(chǎn)生，方向盤(pán)會(huì)變的沉重。

由于不轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)時(shí)，轉(zhuǎn)向器P、T油口相通，實(shí)現(xiàn)了卸荷，A、B口處于封閉狀態(tài)，轉(zhuǎn)向油缸的油液均處于封閉位置，作用在轉(zhuǎn)向輪上的外力傳遞不到方向盤(pán)上，所以稱(chēng)為開(kāi)芯無(wú)反應(yīng)型。采用這種轉(zhuǎn)向器的車(chē)輛，駕駛員通過(guò)方向盤(pán)不能感受到道路的顛簸情況、行駛中方向盤(pán)不會(huì)打手、直線(xiàn)行駛時(shí)不易跑偏，但在車(chē)輛轉(zhuǎn)向后不能自動(dòng)回正。

開(kāi)芯無(wú)反應(yīng)型全液壓轉(zhuǎn)向器通常用于行駛在道路環(huán)境不好、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)沒(méi)有自動(dòng)回正功能的機(jī)械上。如:鉸接式的裝載機(jī)、壓路機(jī)，或后橋轉(zhuǎn)向的車(chē)輛。

1．1．2 開(kāi)芯有反應(yīng)型

開(kāi)芯有反應(yīng)型全液壓轉(zhuǎn)向器在一般情況下的工作方式與開(kāi)芯無(wú)反應(yīng)型相同。與開(kāi)芯無(wú)反應(yīng)型不同的是，這種轉(zhuǎn)向器在不轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)時(shí)通向轉(zhuǎn)向油缸的A口、B口分別與計(jì)量馬達(dá)的進(jìn)、出油口相通。

由于在中位時(shí)計(jì)量馬達(dá)的兩個(gè)油口分別與轉(zhuǎn)向油缸的油口相通，路面對(duì)轉(zhuǎn)向輪的作用力會(huì)通過(guò)驅(qū)動(dòng)計(jì)量馬達(dá)傳到轉(zhuǎn)向盤(pán)上，使駕駛員有一定的路感;在用于有自動(dòng)回正功能的機(jī)械上時(shí)，轉(zhuǎn)向結(jié)束后車(chē)輪可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)回正;但這種轉(zhuǎn)向器在轉(zhuǎn)向輪遇到很大沖擊時(shí)方向盤(pán)容易打手。

開(kāi)芯有反應(yīng)型全液壓轉(zhuǎn)向器通常用于行駛在道路環(huán)境較好、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)有自動(dòng)回正功能的機(jī)械上。如:工作于廠(chǎng)區(qū)的工業(yè)車(chē)輛、以運(yùn)輸為主的拖拉機(jī)。

1．2 組合閥塊

機(jī)器行進(jìn)中輪胎受到的沖擊在轉(zhuǎn)向油缸中轉(zhuǎn)化為液壓系統(tǒng)的壓力后，可以由管路反饋至全液壓轉(zhuǎn)向器。這個(gè)沖擊力會(huì)造成管路泄漏，甚至破壞系統(tǒng)元件，引起嚴(yán)重的后果。安裝于全液壓轉(zhuǎn)向器上的組合閥塊對(duì)系統(tǒng)起保護(hù)作用。圖3為幾種常見(jiàn)的組合閥塊型式。

布置在A－T口、B－T口之間的溢流閥是過(guò)載閥，過(guò)載閥的壓力設(shè)定值應(yīng)比轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所需最大工作壓力高2 MPa左右。其作用是當(dāng)轉(zhuǎn)向輪受到外部沖擊，轉(zhuǎn)向油缸內(nèi)的壓力升高，對(duì)轉(zhuǎn)向油缸進(jìn)行過(guò)載保護(hù)。

布置在高壓管路P口上的單向閥可以防止轉(zhuǎn)向過(guò)程中輪胎的沖擊引起壓力從轉(zhuǎn)向器反饋到穩(wěn)流閥和液壓泵。

在全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，組合閥塊不是必須要設(shè)置的。對(duì)于小型低速機(jī)器，可以省略組合閥塊。

圖3 幾種常見(jiàn)的組合閥塊

1．3 單路穩(wěn)定分流閥

全液壓轉(zhuǎn)向回路中，使用的液壓泵通常為定量泵。保證轉(zhuǎn)向器所需要的流量穩(wěn)定，對(duì)于方向盤(pán)轉(zhuǎn)速較大的車(chē)輛(叉車(chē)、裝載機(jī))和應(yīng)用大排量轉(zhuǎn)向器的車(chē)輛來(lái)說(shuō)尤其重要，這樣可避免車(chē)輛在高速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)向過(guò)于靈敏使駕駛員有發(fā)飄的感覺(jué)，車(chē)輛低速時(shí)轉(zhuǎn)向也不是太沉重。單路穩(wěn)定分流閥保證車(chē)輛轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性，使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)獲得的流量不因發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力的變化而變化，并且可以將多余的油液提供到其他工作回路，實(shí)現(xiàn)一泵多用。常用的單路穩(wěn)定分流閥如圖4所示。

圖4 單路穩(wěn)定分流閥

圖1中使用的是分流型單路穩(wěn)定分流閥。閥體內(nèi)有一個(gè)穩(wěn)流閥1和一個(gè)溢流閥2，當(dāng)液壓泵以一定流量從P口進(jìn)行供油時(shí)，一部分從A口輸出，供給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用;另一部分通過(guò)穩(wěn)流閥1由B口輸出，供給其他液壓系統(tǒng)或部件使用。溢流閥2的出口通向液壓油箱，當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力過(guò)高的情況時(shí)開(kāi)啟，用來(lái)保護(hù)轉(zhuǎn)向回路。恒流型的工作原理與分流型基本相同，除供油給轉(zhuǎn)向回路外，從穩(wěn)流閥1和溢流閥2排出的液壓油合流后都回油箱。

2 負(fù)荷傳感型全液壓轉(zhuǎn)向器回路

圖5為負(fù)荷傳感型全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理，與普通全液壓轉(zhuǎn)向器比較，負(fù)荷傳感型轉(zhuǎn)向器殼體上多了一個(gè)LS感應(yīng)口，該LS感應(yīng)口與到優(yōu)先閥或負(fù)載感應(yīng)油泵的LS口相連接。優(yōu)先閥的CF口與全液壓轉(zhuǎn)向器的P口相連接，EF口與其他液壓工作裝置相連接。當(dāng)操作方向盤(pán)轉(zhuǎn)向時(shí)，LS口壓力升高，優(yōu)先閥閥芯左移，通往CF口的流量增加，通往EF口的流量減少，保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正常運(yùn)行;當(dāng)不轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)時(shí)，LS口為低壓，從CF口流向轉(zhuǎn)向器的液壓油產(chǎn)生一定的壓力，該壓力作用到優(yōu)先閥閥芯左側(cè)，使閥芯右移，減少通往CF口的流量，加大通往EF口到其他液壓工作回路的流量，但并未將CF口關(guān)死，CF口仍有少量的流量維持優(yōu)先閥閥芯的狀態(tài)［1］。

圖5 負(fù)荷傳感型全液壓轉(zhuǎn)向回路

無(wú)論負(fù)荷壓力大小、方向盤(pán)轉(zhuǎn)速快慢，優(yōu)先閥均能按照轉(zhuǎn)向油路的要求，優(yōu)先分配相應(yīng)流量，充分保證轉(zhuǎn)向可靠、靈活和輕便。當(dāng)進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，油泵輸出的壓力油，除去給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供所需的流量外，剩余部分可供給其他液壓工作裝置;當(dāng)不進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，優(yōu)先閥幾乎將油泵輸出的所有壓力油提供給其他液壓工作裝置，從而提高液壓系統(tǒng)的效率。

3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟

3．1 轉(zhuǎn)向液壓缸所需要的最大推力

式中:Mz為轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向阻力距，N·mm;F為液壓缸所需要的最大推力，N;r為最小轉(zhuǎn)向力臂，mm。

3．2 轉(zhuǎn)向液壓缸的設(shè)計(jì)

3．2．1 轉(zhuǎn)向液壓缸的工作面積

式中:A為轉(zhuǎn)向液壓缸的工作面積，mm2;p為轉(zhuǎn)向液壓缸工作壓力，MPa;η為轉(zhuǎn)向液壓缸的機(jī)械效率，一般為 0．9 ～0．97。

對(duì)于中小型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力一般為6．5～11 MPa，以便采用較為經(jīng)濟(jì)的液壓泵，其安全性能也容易保證;當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向功率比較大時(shí)，可采用高壓11～17 MPa。

3．2．2 轉(zhuǎn)向液壓缸內(nèi)徑及容積［2］

①對(duì)于轉(zhuǎn)向液壓缸采用一對(duì)交叉連接的單出桿油缸(如圖1)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向時(shí)一個(gè)油缸受拉、另一個(gè)受壓，這樣操作特性對(duì)稱(chēng)且轉(zhuǎn)向力矩大。轉(zhuǎn)向液壓缸的工作面積應(yīng)該是一個(gè)液壓缸的無(wú)桿腔與另一個(gè)液壓缸的有桿腔面積之和，其內(nèi)徑以及油缸的容積可以由式(3)～(4)得出:

式中:D為轉(zhuǎn)向液壓缸內(nèi)徑，mm;d為活塞桿直徑，mm;S為轉(zhuǎn)向液壓缸行程，可以根據(jù)轉(zhuǎn)向臂的尺寸與轉(zhuǎn)角范圍確定，mm;V為轉(zhuǎn)向液壓缸理論容量，mL。

②對(duì)于一些低速機(jī)械，如壓路機(jī)，為降低產(chǎn)品成本，也可采用一個(gè)單出桿油缸。雖然油缸活塞兩邊有效面積不相等會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向操作特性不對(duì)稱(chēng)，不過(guò)對(duì)于低速機(jī)械影響不大。其內(nèi)徑應(yīng)該按有桿腔計(jì)算，油缸的容積應(yīng)該按無(wú)桿腔計(jì)算，也就是:

③對(duì)于采用雙出桿液壓缸作轉(zhuǎn)向油缸的機(jī)器(如圖5)，其內(nèi)徑以及油缸的容積可由式(7)～(8)得出:

3．3 轉(zhuǎn)向器的理論排量

對(duì)于液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，應(yīng)具有較高的靈敏度和較好的穩(wěn)定性，所以對(duì)于行駛速度不太快的工程機(jī)械，從保證安全和減少作業(yè)循環(huán)時(shí)間來(lái)看，要求轉(zhuǎn)向器具有較小的傳動(dòng)比，這樣轉(zhuǎn)向輪對(duì)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角的響應(yīng)比較敏感，可以減少方向盤(pán)旋轉(zhuǎn)總?cè)?shù);對(duì)于運(yùn)輸行駛的機(jī)械，需要有較慢的反應(yīng)，防止轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)過(guò)大，所以傳動(dòng)比大，方向盤(pán)旋轉(zhuǎn)總?cè)?shù)也增加。在方向盤(pán)旋轉(zhuǎn)總?cè)?shù)確定的前提下，轉(zhuǎn)向器排量選擇可按式(9)計(jì)算得出:

式中:n1為轉(zhuǎn)向活塞從一極端移動(dòng)到另一極端時(shí)的方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的總?cè)?shù)，一般取3～5 r;q為轉(zhuǎn)向器排量，mL/r。

3．4 系統(tǒng)轉(zhuǎn)向流量Q

圖9 執(zhí)行器出口壓力

綜上所述可得，獨(dú)立閥口控制系統(tǒng)可通過(guò)對(duì)執(zhí)行器進(jìn)出油口進(jìn)行壓力和流量的復(fù)合控制，增加了系統(tǒng)的控制柔性，可以通過(guò)對(duì)控制器的合理設(shè)計(jì)來(lái)保證系統(tǒng)在流量飽和時(shí)，承受慣性負(fù)載執(zhí)行器復(fù)合動(dòng)作的協(xié)調(diào)性以及負(fù)載適應(yīng)特性。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)獨(dú)立閥口控制系統(tǒng)進(jìn)出油口獨(dú)立調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)，采用壓力流量復(fù)合控制策略，并根據(jù)進(jìn)油側(cè)計(jì)算流量反饋控制的方法給出了多執(zhí)行器復(fù)合動(dòng)作流量分配控制方法，并通過(guò)仿真分析得出該控制方法可以合理分配各執(zhí)行器的所需流量，在執(zhí)行器承受慣性負(fù)載時(shí)可以合理利用泵的輸出流量，同時(shí)也可以降低系統(tǒng)對(duì)負(fù)載突變帶來(lái)的干擾，為獨(dú)立閥口控制系統(tǒng)多執(zhí)行器復(fù)合動(dòng)作的分流控制和負(fù)載適應(yīng)控制提供了新的研究方法和思路。

［1］ 權(quán) 龍．工程機(jī)械多執(zhí)行器電液控制技術(shù)研究現(xiàn)狀及最新進(jìn)展［J］．液壓氣動(dòng)與密封，2010，30(1):40－43．

［2］ Jansson A，Palmberg J．O．Separate Controls ofMeter－in and Meter－out Orifices in Mobile Hydraulic Systems［J］．SAE Transactions，1990，99［2］:377－383．

［3］ Elfving M．A Concept for a Distributed Controller Offluid Power Actuators［D］．Sweden:Linkoping University，1997．

［4］ 劉英杰．負(fù)載口獨(dú)立電液比例方向閥控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］．杭州:浙江大學(xué)，2011．

［5］ 顧臨怡，王慶豐．采用計(jì)算流量反饋的流量控制方法及特性研究［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1999，35(4):1－4．

［6］ 趙衛(wèi)良．工程機(jī)械多執(zhí)行器電液分流控制研究［D］．杭州:浙江大學(xué)，2003．

［7］ 危丹鋒．挖掘機(jī)雙閥芯液壓系統(tǒng)控制策略研究［D］．長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2011．