挖掘机液压系统的分类与比较.pdf

Hy d r a u l i cs Pn e uma t i c s＆ S e a l s ／ No．2． 201 1 挖掘机液压 系统的分类与比较 彭 晓 周 志鸿 北 京 科技 大 学机 械工 程学 院 ， 北京 1 0 0 0 8 3 摘 要 挖掘机的液压系统对挖掘机的工作效率有直接的影响。在对挖掘机的液压系统进行设计 之前 ， 需要充分 了解 各种 液压系统的 工作原理 和优缺点并对它们做 比较 。 文章总结 了 目前挖掘机上几种常用 的液压系统及其优缺点 ， 并 对某企业生产 的两种挖掘机的液压 系统进行 了分析和 比较 。 关键词 挖掘机 液压系统 ； 比较 中 图分 类 号 T H1 3 7 ．7 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 l 0 0 8 0 81 3 2 0 1 1 0 2 0 0 4 3 04 Cl a s s i fic a t i on a n d Co mpa r i s on o f Hyd r a u l i c S y s t e m o f Ex c a va t o r PENG Xi a o ZHOU Zh i ho n g o f Me c ha ni c a l Eng i ne e r i ng ， Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y B e i j i n g ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c S y s t e m o f t h e e x c a v a t o r h a v e a n d i r e c t l y e f f e c t o n t h e wo r k e f f i c i e n c y o f e x c a v a t o r ． B e r e t h e d e s i g n o f h y d r a u l i c s y s t e m o f t he e x c a v a t o r ， we s ho u l d u nd e r s t a nd t he g e ne r a l p r i n c i p l e ， s t r e ng t hs a n d we a k ne s s e s o f a l l k i nd s o f h y d r a ul i c s y s t e ms we l 1 ． T h e a r t i c l e s u mma r i z e d s o me c o mmo n h y d r a u l i c s y s t e ms a n d t h e i r s s t r e n gth s a n d w e a k n e s s e s i n t h e p r e s e n t e x c a v a t o r , ma d e a n a l y s i s a n d c o mp a r i s o n b e t w e e n t w o h y d r a u l i c s y s t e ms p r o d u c t e d b y a c o mp a n y ． Ke y W o r d s e x c a v a t o r ； h y d r a u l i c s y s t e m； c o mp a ris o n O 引言 挖掘机若能在最短的时间 内完成各种复合动作 ， 不但能提高工作 效率 ． 还能充分利用发动机的功率 ， 节 约能源 。因为液压系统的设计关系到整个挖掘机 的工 作效率 ，有时 由于系统本身的设计因素造成的损失大 于液 压元 件 固有 的能量 损 失⋯ 。在对 挖 掘机 的液 压 系统 进行选择和设计之前 ，应充分 了解各种液压系统 的类 型 、 原理 、 和优缺点 ， 对它们进行综合的分析和比较 ， 才 能选 择 合适 的液 压 系统 。选 择 合 适 的液 压 系 统对 充 分 发挥 挖掘 机 的性 能具有 重要 的意义 。 1 液压系统 的分类及优缺点 国内外对挖掘机 液压 系统 的研 究作 了很 多 的努 力． 使挖掘机的液压系统不断的提高和改变。目前 国内 外 挖 掘 机常 用 的 液压 系 统种 类 比较 多 ，从 不 同 的角 度 去观察 可 以得 到不 同 的分类 。 按多路阀中位 的形式可分为开中心系统和闭 中心 系统 。 开 中心 系统 是指 当换 向 阀阀 芯在 中位 时 ，液 压 泵 收 稿 日期 2 0 1 0 1 1 - 2 2 作者简介 彭晓 1 9 8 5 一 ， 男 ， 硕 士研 究生 ， 现就读 于北 京科技大学机 械工 程学院车辆工程专业 ， 研究方 向为工程车辆的液压 系统设计 与研究 。 的排油通过换 向阀的中位直接 回油箱。当阀芯换 向时， 中位油路逐渐关闭 ， 工作油路的压力逐渐升高 ， 直到克 服负载压力 ， 使执行元件动作1 2 ] 。它是通过 回油节流产 生 的压 力 克服 负 载压 力 ，因此 调 速 特性 受 负 载压 力 和 液压泵流量 的影响。负荷较轻时 ， 操纵性能较好 ， 调速 范围大。但 随着负载的增加 ， 调速范 围变小 ， 调速特性 曲线 变 陡 ，导 致 操纵 阀开 口稍 作 变 化 ，流 量 变化 就很 大 ， 阀的调 速稳 定性 能 变差 。且 当一 个 液压泵 给 多个执 行元件供油 ， 流量总是流向轻负载 的执行元件 ， 故影响 复合 动作 的稳 定性 [3 1 。 闭 中心 系统是 指 当换 向 阀在 中位 时 ，油 路 是 封 闭 的 ． 液压 油 不 直接 回油 箱 ， 液压 泵 只 提供 系 统 内部 泄漏 所需的流量 。当阀芯换向时 ， 液压油才流向执行元件 ， 这样就避免 了开中心系统所 固有的旁路 回油损失。闭 中心系统 的优点是进行复合动作时 ，每个执行元件的 速 度 只 与 阀芯 位移 有 关 ， 与 负载 和 液 压泵 的 流量 无 关 ， 多个执行元件之间相互无干扰。 按反 馈 控 制方 式 的 不 同 ， 有 分 功 率控 制 、 总 功 率控 制 、 交 叉 功率 控 制 、 正 流 量控 制 、 负 流 量控 制 、 负荷 传感 控 制 等 。 分功 率 控 制 系统 只 是简 单 地将 两 个恒 功 率 液压 泵 组合在一起 ， 两个泵调节器只对 自身泵起作用 。优点是 4 3 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0l 1年 第 2期 两个 液压 泵的流量 可以根据 各 自回路 的负载单 独 变化 ， 对负载的适应性较好。缺点是当其中一个液压泵工作于 起调 压力之 下时 ，另外一个液压 泵却不能吸收柴 油机空 余出来的功率， 使柴油机功率得不到充分利用， 因此这种 系统在 国外 大 、 中型挖掘机上基本 被淘 汰l l _ 。 总 功率 控 制 是 指两 个 泵 的 功 率 的 总和 保 持 不 变 ， 功率 调 节器 同时 调节 两泵 的排量 ，使 两 泵输 出 的流 量 相等。随着负载的变化 ， 两泵的压力可以不同， 那么两 台泵的输出功率也就不同， 有时一台泵输出功率大， 那 么另 一 台泵 的输 出功率 就 小 。总功 率 控制 可 以充 分利 用发 动机功率 。但 由于两 个系统 的排 量一致 ， 当挖 掘机 做单一地动作时， 其 中一个泵就会输 出多余的流量 ， 使 系统存在损失 ， 造成系统发热和功率损失。因此总功率 控制通常与其他控制结合起来 ， 如负流量控制 、 正流量 控制 等 。 交叉 功率 控 制是 一种 特 殊 的总功 率调 节 ，与总 功 率控 制 不同之 处 在 于两 个液压 泵 的排 量 可以不 同 。通 过交 叉联 接 ，使 每个 液压 泵 的输 出流 量 与其 自身和另 一 个 泵 的出 f 1 压力 有关 。交 叉功 率控 制既 能 根据 每个 液压 泵 的负载 大小 调整 其 流量 ，又能 充分 利用 柴 油机 的功率 。 正流量控制是指将操纵 阀的先导压力作为控制压 力来控制泵的变量机构 ， 随着控制压力的升高 ． 变量泵 的排量变大。正流量控制在调速性 、 系统效率等方面有 了很 大程 度 的提 高 ， 但 正 流量 控 制需 要一 些梭 阀 ， 结 构 比较复杂 ， 尽管流量取决于需求 ， 但也受负荷压力 的影 响 。 负流 量控 制是 指 将 多路 阀 中位 回油 的流 量作 为 一 种控制信号作用于泵的变量机构 ．使控制压力与泵的 排 量呈反 比关 系 的一种控 制方式 。 其原理如图 1 所示 。这种系统可以通过流量检测 装置检测到多路 阀中位 回油的流量 ，反馈到变量泵 的 流量调节机构 ， 对减小能量的浪费起到一定的作用。但 阀 口的流量 特性 受 负载 的影 响 ，旁路 回油压 力 的大 小 直接 影响 系统 的操 作 性 ， 当泵 的 空载输 出压力 较低 时 ， 在多 路 阀离 开 中位时 因为负 载压 力 的影 响旁 路 回油 流 量没 有 明显 的减少 ，流量 检测 元 件不 能检 测 到 明显 的 流量 变 化 ， 所 以泵 的响 应 速 度 降低 ， 造成 系统 刚 性 差 ， 司机操作 时有滞 后感[ 5 1 。 负 荷传 感 是指 系统 能 A动 地将 负 载所需 的压 力 和 流量变化的信号传到负载敏感阀或负载敏感泵的变量 控 制机构 ， 使 其 流量 发生 变化 ， 使其 几乎 仅 向系 统提 供 负载 所需 要 的流 量 ，最 大限 度 的减少 压 力与 流量 的损 失 。其 原理 如图 2所示 。 44 执行元 图 1 负流量控制系统 负柑传感问踏 图 2负 荷 传 感 系 统 原 理 图 负荷传感控制能使泵的输出压力和流量 自动适应 负载需求 ， 大幅度提高液压系统效率I 1 ．6 1 。其节能效果显 著 。 流量控制精度高． 不受负荷压力变化的影响。为保 证系统正常工作 ，泵输送的压力只能与最高负荷压力 相适应 ．但是当系统要求 的流量超过泵供油能力的极 限时 ，最高负荷 回路上的执行元件速度会迅速降低直 至停 止 ， 从 而使 挖 掘机失 去复合 动作 的协 调能力 。为 解 决 这一 问题 ， 力 士 乐公 司开发 了 L U V D 系统 ， 这种 系 统 在多路阀后加流量分配型压力补偿阀。系统最高负载 压力传递给所有的压力补偿阀，使多路阀所有的输出 压力都限定在统一的最高压力之下，从 而使多路阀的 各阀口压差相等。因此即使泵的输出流量不足 ， 无法维 持多路阀上正常的负荷敏感压差 ．但在溢流型压力补 偿 阀的作 用 下仍 然 可 以使各 个 阀 口压差 保 持一 致 。此 时 ， 虽 然各 个 执行 机 构 的运 动速 度 降低 ， 但 是各 运 动速 度的比例关系保持不变。 2 两种液压系统的分析 比较 2 ． 1 某 国产 挖掘 机 的液压 系统 图 3为某国产液压挖掘机的液压系统简图．为了 突出主泵的控制原理在此对 主阀和工作装置进行 了部 分省略和简化， 并省略了各个先导系统。此挖掘机的液 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 2 ． 2 0l l 压系统为开 中心液压系统 ， 各操纵 阀位于中位时 ， 两个 主变量泵 A1 、 A 2和齿轮 泵 A3输 出 的流量 各 自回油 箱。泵 Al和泵 A 2组成总功率控制方式。泵 A1向动 臂 、 铲斗 、 右行走供油 ， 泵 A 2向斗杆 、 右行走供油。泵 A 3向回转供油 ，同时越权控制泵 Al 和泵 A 2的排量 。 三个泵 的压力 流量 特性 曲线如 图 4所示 。 右 仃 走 与达 ’ ， l I n r _1 ． [ ’ 匠 l I 瑁 _1 ‘一 一 r 1’ 一 U U 蔷 _一 ． c 3 l I I 一 一 一I 一 一 Al -- _A3 A4 I 5 l ／ I 墙 E N G I ／ ． ， I ， ▲丁 6 l 一 ， J 一 ， L 二冒 ’ 一 2 l l 一 发动机2 一 主泵3 一 主阀4 一 油冷器5 一 回油过滤6 一 油箱 图 3 某 国产挖掘机 液压系统原 理图 ， P l 々 图 4恒功率控制 p - Q特性曲线 当两个泵 的平均压力超过设定 的 P Q曲线 时 ， 泵 的调节装置根据超 出p - Q的压力来减小 泵的排量 ， 两 泵的输 出流量返回设定的p - Q曲线内，这样就使两个 泵输 出 的总 功率 保 持 恒定 ， 从 而 防止 了发动 机 的 过 载 。 尽 管 由于 负 载 压 力 的 不 同 而 导 致 两 泵 的 压 力 不 同 ， 调 节过程中两个泵的排量是同时变化的 。两个泵的输 出 流量始终是相同的。 这种总功率控制既保证 了泵能够充分利用发动机 的功率 。 又能防止因泵 的功率过大而使发动机过载 ， 从 而使发 动 机 与泵 的匹 配 达 到 了 良好 的效 果 。但 是 这 种 总功率控制的原则是两个泵的排量始终相等 ，当只有 单一操作时 ， 空闲泵的流量就要浪费掉。所以也同样造 成 了一定的能量浪费。再者 由于此种系统没有考虑到 泵与负载之间的匹配 。不能将负载流量的需求信号进 行反馈 ，也有一定的能量损失 ，会使液压油的温度升 高。比如各操纵 阀在 中位时 ， 泵还在输 出一定的流量 ， 并经各阀得 中位回油箱 ， 造成 了流量损失。解决这个问 题可以考虑结合前面所讲的负流量控制。另外 ， 此种系 统还没有考虑到过载时溢流 阀的能量损失等 。所 以此 系统只是单方面考虑到泵 自身压力 的反馈 ，因此对能 量有 一定 的浪 费 。 2 ． 2某进 口挖掘 机液 压 系统 图 5为某进 口 1 5 t 挖掘机液压系统原理简图， 为了 突出泵 的控制原理对主阀和工作装置也做 了部分省略 和简化。 l 一 主泵2 一 主阀3 一 油冷器4 一 油箱 图 5某进 口挖掘 机液压 系统原理 图 45 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 O l 1年 第 2期 此 系统 也是 开 中心 液压 系统 ，两个 主变 量泵 分别 控制两 个 回路 ，当所有 操纵 阀位于 中位 时 主泵 的流 量 经 中位直 接 回油 箱 。液 压泵 是川崎 K 3 V 系列 的 双联柱 塞泵． 泵的调节方式为交 叉功率控制。控制信号控制泵 的排量 ，是 通过 一 系列 的连 杆机 构 和柱塞 的运 动 来进 行 的。 交叉功率控制是这样实现的 泵调节器接收来 自自 身泵和配偶泵的输油压力 。 将其作为控制信号 ， 与 P Q 曲线作 比较 ．当两个泵的平均压力超过设定的p - Q曲 线 时 ，泵 的调节装 置根 据超 出 p - p的压力来 减 小泵 的 排 量 ． 两 泵 的输 出流量返 回设 定 的 p - Q 曲线 内 ． 这样 就 使总功率保持恒定。并且 当一个泵不需要太大的功率 时， 另一个泵可以吸收发动机剩余的功率 ， 使发动机的 功率得 到充 分的利 用 。 负 流量控 制 是这 样实 现 的 在 操 纵 阀中位 回油 路 上安装一个节流孔 ． 通过节流孔产生压差， 将节流 口前 压力 引致 泵 的排量 调 节机 构来 控制 泵 的排量 。通过 节 流 孔 的流量 越大 ， 节 流 口前 的先 导压 力越 大 ， 泵排 量越 小 。它 是利 用六 通 多路 阀 的流 量和 压力 微调 特性 实 现 的一 种 控制 方式 。即在 多路 阀 口打 开 的开始 一小 段行 程 内可 以粗 略地 调节 流 量使 流量 与 开 口量 成 一种 近似 的线 性关 系 。 由于通 过节 流 口的流量 跟节 流 口前后 压 差 和通流 面积 有关 ， 当节 流 口尺寸 固定 时 ， 流 量 只与压 差有关 了[7 1 。负流量控制的特性 曲线如图 6所示。 此负流量控制消除了六通多路阀产生的空流损失 和节流损失 。依靠负载的速度变化来调节泵 的输 出流 量 ， 从而减小能量损失。因此， 这也是一种负载敏感控 制。这种控制方式 目前已被大多数挖掘机生产厂商所 采用 ， 如 日立 、 小松、 卡特彼勒等。 图 6 负流量控制特性 曲线 3 结束语 挖掘机液压系统的设计应综合考虑功能 、 节能 、 成 本 、 简易等各种因素。在对液压系统进行系统的比较之 后 ， 要有针对和侧重点的考虑其中某一方面． 结合实际 情况作出选择 。特别是对一些工况复杂多变、 复合动作 频繁、工作条件恶劣的挖掘机要考虑在实现功能和完 成动作的前提下尽量减小能量的损失。 参 考 文 献 【 1 】 孔德文， 赵 克利， 徐 宁生 ． 液压挖 掘机【 M】 ． 北京 化学工业 出版 社 ． 2 0 0 7 ． 【 2 】 王炎． 液压挖掘 机负荷传感 系统的仿真研究及节能 分析【 D 】 ． 中南大学硕 士学位论文．2 0 0 9 1 2 1 4 ． 【 3 ] 秦家 升． 挖 掘机 液压 系统研究【 D 】 ． 吉林 大学 硕士 学位论 文， 20 05 I 8 -2 0． 【 4 】 张德胜， 郭勇． 液压挖掘机典 型液压控制系统分 析『 J ] ． 建筑机 械， 2 0 0 7 1 1 8 6 - 8 7 ． 【 5 ] 李艳杰， 于安才， 姜继海． 挖掘机节能液压控制 系统分析与应 用『 J 】 ． 液压 与气动， 2 0 1 0 8 6 9 7 3 ． 【 6 】 武宏伟， 权龙． 负载敏感 型挖掘机液压 系统能耗分析[ J 】 ． 液压 气动与密封， 2 0 0 9 6 3 4 3 8 ． 【 7 】 张万军． 柱塞泵 总功率与负流量控 制分析【 D 】 ． 西南交通 大学 硕士学位论 文， 2 0 1 0 4 1 0 ． - 一 一 一 一 一 - - - - * ． - 4 - - - - - - - - - - - - - - - - - -十 一 - * 一 * 十 - 十 - - _ - 十 一 十 一 * 十 一 卜一 十 一 镇江液压件厂有限公司摆线元件 年产过百万台 镇江液压件厂有限公司主打产品是全液压转向器和摆线马达， 国内市场 占有率国内领先。近年来 产品出口迅速增长 ． 得到国外客户的青睐。 2 0 1 0年 全年 ， 生产销 售两 旺 ， 已经 生产全 液压 转 向器约 7 2万 台 ， 摆线 马达 3 0万 台 ， 全 液压转 向器 配套液压阀 3 0万件， 转向柱 1 5万件 ， 销售收入 4 ． 7亿元。该公司控股的安徽大天铸造公司已经顺利 投产 ， 合并 销售 收入 5亿 元 ， 创 历史新 高 。技术 改造 取得新 进 展 ， 新 厂 房一期 已经建成 ， 为 该公 司实 现 摆线 液压元 件产 能达到 世界第 二位 的 目标 奠定 了基础