液压平衡回路在农业收获机械上的应用

陈晨

（铁建重工新疆有限公司，新疆乌鲁木齐 830009）

0 概述

在工业生产、工程机械、农业收获机械等液压系统中都离不开液压平衡回路的身影。玉米联合收获机割台升降液压缸，采棉机采棉头升降液压缸，以及棉箱倾翻液压缸一般为单作用液压缸，上升是依靠液压泵向液压缸无杆腔供油实现的，下降则是依靠负载重力使液压缸无杆腔中液压油流回油箱实现的[1,2]。由于自重的原因，割台或采棉头下降速度过快，当液压缸突然停止下降时，会导致整车的严重晃动，当液压缸快速下降至行程终点时，会对机架产生冲击。粮箱升降液压缸和棉箱门开关液压缸为双作用液压缸，粮箱上升和棉箱门关闭是液压泵向液压缸无杆腔供油实现的，粮箱下降和棉箱门打开则是依靠液压泵向液压缸有杆腔供油实现的。此时，负载重力也参与了粮箱下降或棉箱门打开的整个过程，由于液压油和负载重力的共同作用，最终导致粮箱在行程终点处与机架强烈撞击，以及棉箱门在行程终点处的撞击。此外，农业收获机械在下坡过程中将会产生“超速”现象，不但需要补油阀对行走马达低压侧进行补油，防止液压泵吸空，还需要在液压系统中设计平衡回路，防止在行走过程中出现整车周期性的前后晃动、冲击、速度失控的危险。

1 液压平衡回路的作用

液压驱动技术在农业收获机械上的广泛应用是未来的发展趋势，为了使负载在下降过程中平稳、无冲击的运动就要用到液压平衡回路。所谓液压平衡回路是防止立式液压缸和垂直运动的工作部件因活塞和运动部件自重而自行下落的回路[3]。通俗地讲，是当液压执行元件承受超越负载时，能够使液压执行元件（液压缸或马达）平稳的工作[4,5]。

在液压平衡回路中，液压缸有举重上升、承载静止和负载下降三种基本状态。液压平衡回路只在承载静止和负载下降的阶段发挥它真正的作用，且能满足静止时活塞被锁紧，以保证活塞能够被锁定在行程内任意位置，下降时速度可控制。因此，在实际应用中，液压平衡回路一般与背压或锁紧回路紧密相连，组成平衡、背压和锁紧回路[6]。

2 传统的割台升降液压系统

图1为玉米联合收获机割台液压缸升降液压原理简图。电磁换向阀1左位接通时，割台上升至离地作业高度，两个液压缸的同步通过机架及割台刚度保证，电磁换向阀1右位接通时，割台依靠自重下降至实际离地作业高度。玉米联合收获机作业时间较长，电磁换向阀是滑阀结构，如果仅依靠其中位机不能满足割台升降液压缸的允许掉压范围。液控单向阀2的作用，一方面是保证割台可以锁紧在任意离地作业高度，另一方面是防止割台在刚刚上升的瞬间出现“点头”的现象，由于该阀为锥阀结构，所以有很好的锁紧性能，电磁换向阀选择Y型中位机能可以使液控单向阀的控制油路立即失压，从而提高其定位锁紧精度。

图1 玉米联合收获机割台液压缸升降液压原理图

该回路中割台在下降时，由于自重的原因，割台会快速下降。然而，在下降至所需离地作业高度时的突然停止，会使整机产生强烈晃动而影响收获作业。当割台继续下降至液压缸行程终点，会造成液压缸活塞与缸底之间的撞击，同时也会造成对机架安装液压缸底座处的冲击。割台是玉米联合收获机最重要的部件之一，它的上升和下降过程除了需满足作业要求，还要满足动作平稳、可在任意行程内锁紧、无冲击等要求。

经过分析，造成这种现象的原因是液压缸在下降过程中回油腔中没有背压，导致割台在自重作用下快速下降。当下降突然停止时，由于惯性作用，会导致整机的强烈晃动，当割台继续下降至液压缸行程终点时，会造成液压缸活塞与缸底之间的撞击，同时也会造成对机架安装液压缸底座处的冲击。这种经常性的冲击，无论是对液压缸缸筒与缸底处的焊缝，还是对机架处安装液压缸底座的焊缝都是一种威胁。通过在液压缸回油腔上增加与运动负载和活塞质量，以及液压缸有杆腔介质质量相适应的背压就能解决该问题。增加背压有很多方法，比如采用开启压力稍微大一些的单向阀、顺序阀，或者是直动式溢流阀等，我们只针对玉米联合收获机割台升降的工况，介绍两种比较常用的液压平衡回路。

3 常用的两种液压平衡回路

3.1 内控式单向顺序阀构成的液压平衡回路

如图2，在液压缸的回油腔添加内控式单向顺序阀2，通过调整其开启压力稍大于活塞和割台自重所形成的液压缸无杆腔背压，即可使割台平稳的、无冲击的下降至行程内任意离地高度。但是，割台下落的势能被平衡阀抵消不能利用，功率损耗大，并且通过平衡阀的大量发热油液直接流回油箱，如果在室外温度很高以及收获机作业时间又较长的情况下将造成液压系统油温的快速上升，进而导致液压油的粘度产生变化，最终很可能导致液压缸出现内泄和外泄的情况发生。

图2 采用内控式单向顺序阀的液压平衡回路

图3 采用外控式单向顺序阀的液压平衡回路

3.2 外控式单向顺序阀构成的液压平衡回路

如果改用图3所示的外控式单向顺序阀2组成的平衡回路，在活塞向下运动时，外控式单向顺序阀被进油路上的控制压力油打开，回油腔背压消失，割台下降的势能得以利用，系统效率提高。为控制割台因自重而快速下降，在进油路上串联单向节流阀3，用以对割台下降速度进行调节。此时，外控式单向顺序阀的作用与液控单向阀类似，可以保证割台快速、精准的锁紧在行程内任意离地高度。

4 专用平衡阀的液压平衡回路

在实际应用中，当然不止有上述的两种液压平衡回路，还有单向节流阀构成的液压平衡回路，液控单向阀与单向节流阀构成的液压平衡回路，以及液控单向阀与单向顺序阀构成的液压平衡回路等。各种液压平衡回路的设计，都是先找到问题所在，然后针对问题和工况要求进行设计的，在此就不一一例举了。但是，以上两种液压平衡回路在应用时，实际效果依然不太理想，且都适用于固定负载工况，而玉米联合收获机割台或是采棉机采棉头的下降过程，随着液压缸与水平面夹角的变化，其动作过程是一个变载过程。随着液压技术应用领域的不断扩大，人们对液压系统的性能也提出了更高的要求，比如在全液压行走的农业收获机械中，要求在能够满足各种复杂工况要求的前提下，还能够使发动机输出功率和液压泵功率相匹配，从而使发动机保持在一个相对省油的工作区间。更高的要求促使液压元件向着标准化、系列化、通用化方向发展。然而，随着液压平衡技术的不断发展，使其从最初的由单向顺序阀构成的液压平衡回路，发展到今天的由专用平衡阀构成的液压平衡回路，相关元件及回路特性都在不断提高[7]。

图4 采用专用平衡阀的液压平衡回路

图4为采用力士乐系列FD型平衡阀2的液压平衡回路。在负载变化的工况下，能够保证玉米联合收获机割台或是采棉机采棉头的整个下降过程速度可控、动作平稳、安全无冲击，因此，选用专用平衡阀的液压平衡回路要优于以上两种液压平衡回路。但是由于结构的原因（平衡阀一般为滑阀结构），如果要求运动部件长时间锁定在某个位置时，需要在回路中增加液控单向阀构成的锁紧回路。

5 总结

液压驱动技术不仅在工程机械行走系统中得以广泛应用，目前也在迅速向农业机械行走系统发展，液压驱动技术取代原有的机械驱动技术指日可待。液压行走机械在面向高效、低能耗、大功率发展的同时，针对某些固定工况已经设计开发出了一些专用液压阀。例如，针对全液压行走机械在下坡时的超速问题，以及因运动部件自重快速下降，致使液压泵供油不足而导致的严重振动和冲击问题，设计出了专用的平衡阀；针对全液压行走机械在突然换向时对液压系统和液压管路可能造成的严重冲击问题，设计出了液压马达专用的双向缓冲阀；针对全液压行走机械，由于发动机转速变化而使液压转向器供油量发生变化的问题，设计了单稳阀用以保证转向系统不受流量变化的影响。这些专用阀的出现不仅使液压系统的性能大大提高，使繁杂的液压系统变得简单，还能够从一定程度上节约成本。为了满足不同的安装要求，这些专用阀的安装形式也是各种各样，有板式阀、管式阀以及螺纹插装阀。

6 展望

随着材料和加工工艺的发展，在不久的将来，液压元件必将会有突飞猛进的发展。液压系统的设计过程也将会因专用阀的发展而变得简化，使得设计过程向着“模块化”方向发展，需要满足什么样的工况，就会有与之相匹配的液压模块。