日本(NACHI)挖掘机负荷敏感液压系统分析.pdf

⋯⋯一一e专题研究掣鏊台篇蠢一 du b j e c tR e s e a r c h 日本‘NAC H I 挖掘相负荷敏 液压系统分析 威 J o 乩 A n a l y s i so fN A C H I e x c a v a t o rl o a ds e n s i t i v i t yh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e m 吕超1 ，阎季常2 ，高 峰3 L VC h a o ，Y A NJ i c h a n g ，G A OF e n g 1 ．徐工研究院，江苏徐州2 2 1 0 0 4 ；2 ．江苏瑞隆电液控制科技有限公司，江苏徐州2 2 1 0 0 4 3 ．浙江大学，浙江杭州3 1 0 0 5 8 【摘要】分析了目前国内外小型挖掘机常用液压系统的几种形式，以日本N A C H I 系统为例研究负载敏感系 统的工作原理。 【关键词】小型挖掘机；液压系统，负载敏感；压力补偿 小型液压挖掘机既具有精致小巧、灵活机动 的优点，同时兼具中挖的基本功能，广泛用于各 种小型土方施工。液压系统是挖掘机最重要的部 分，液压系统设计是挖掘机主机厂产品设r 一 计中最重要的组成部分之一。 目前挖掘机液压系统的形式和种类较； 多，从多路阀的形式可分为开中心和闭 中心两种，按控制方式不同可分为阀控系 ； 统和泵控系统，在实际的应用中，阀控系 统很普遍，泵控系统往往和阀控系统结合 在一起使用，实际上是阀控和泵控组合而； 成的复合系统，小挖系统主要还是选用国 外成熟的系统居多，常见的有日本K Y B 公司的三泵系统、N A C H I 公司的L S 系 统、东芝公司的I B 系统、德国力士乐公司 的L S 、L U D V 系统、韩国东明公司、第日 油压公司的系统等，下面我们主要对日本 不二越 N A C H I 液压系统进行分析研I L - 究。 1 N A C H I 液压系统简介 挖掘机液压系统主要由液压执行元件 完成各个动作，电液系统配合实现整车的 控制动作。液压系统主要由上、下车液压系统和 先导操纵系统部分组成。N A C H I 液压系统原理 见图1 。 S 图1N A C H I 液压系统原理图 建筑机械化2 0 0 8 0 7 35 万方数据 2 N A C H I 液压系统分析研究 目前，挖掘机负载敏感液压系统按压力补偿 阀的位置不同可分为阀前补偿、阀后补偿、回油 补偿3 种形式，N A C H I 液压系统属于典型的阀前 补偿形式，即压力补偿阀在泵和操纵阀之间，压 力补偿阀在前，操纵节流阀在后，先补偿，后节 流。 这种阀前补偿系统具有不抗饱和的缺点，当 挖掘机需要几个执行元件同时动作且挖掘机负荷 大时，由于恒功率控制和发动机转速下降等因素， 泵的输出流量降低，不能满足执行元件的需要， 出现泵流量饱和现象。针对这种现象，N A C H I 液 压系统增加了转速检测阀和压差减压阀并通过它 们的作用，以达到流量自适应的目的。 N A C H I 液压系统的先导操作系统、回转及 行走系统和其他各液压元件供应商产品的结构原 理特点非常雷同，在此不予介绍，以下重点针对其 泵和阀以及其负载敏感系统的特点进行分析。 2 ．1 泵控制系统 控制和流量控制 图2 泵控制原理图 1 一柱嚣；2 - 节流孔；3 - P S 阀；4 - B 图2 。 腔；5 - A 腔；6 - C 腔；7 一D 腔；8 - 斜 2 ．1 ．1功率控制盘；9 一控制柱塞t1 0 一弹簧 P l 为恒功率变量泵，主泵的压力和流量按恒 功率曲线变化，变量泵达到起调压力后，一定的 压力对应一定的流量，尸Q 值基本保持恒定，当主 泵的输出压力增大时 超过负载压力 ，此压力反 馈到控制柱塞，克服弹簧力，通过摆动销推动斜 盘，使斜盘的摆角变小，泵的排量变小，直至反 馈压力和弹簧力平衡，泵的摆角减小到某一值而 稳定工作，从而使主泵的功率保持恒定。 同时，此恒功率泵带负荷传感控制，负载传 n ，、 J 02 0 0 8 0 7 C O N S T R U C T I O N M E C H A N I Z A T I O N 感阀系统内有一个压力补偿阀 减压阀 ，负荷敏 感阀 P S 阀 工作时泵的P Q 曲线在恒功率曲线 之下，即负荷敏感阀控制优先于恒功率控制起作 用，只有在恒功率曲线下负荷敏感功能才起作用。 2 ．1 ．2 流量控制 挖掘机的主泵液压系统能根据工作装置、回 转、行走等外界负载的变化，控制主泵供给各动 作相应的流量。 负荷敏感阀 P S 阀 的作用就是根据P L s 和 P 厂之间的压差变化来实现换向动作进而控制主泵 的流量变换的。其中来自转速检测阀的J p r 信号是 随发动机的转速变化而变化的，在一定的转速下 P r 是恒定的，来自压差减压阀的压力P L s 是随负 载压力变化的，负载压力变大P L s 变小。当压力 P L s 和压力P r 压力相等时，P S 阀起作用并稳定在 某一位置，来自P S 阀的压力P A 通过节流孑L 输送 到柱塞改变斜盘倾角调节泵的流量。设置节流孔 是为了增加控制油路的阻尼，控制柱塞换向平稳， 防止斜盘突然移动，使斜盘平稳移动。 主泵输出流量最小的动作操纵手柄在中位 时，主控制阀在中位，负载压力为零 P L m a x 0 ，对于卸载阀而言，如果主泵压力J P l 此时压 力P 1 即卸载压力 增大到克服P r 和弹簧力时 P 1 尸r 弹簧力 时，卸载阀开启，直至卸载阀两 端作用力平衡 即P 1 P r 弹簧力 ，卸载阀稳 定工作在某一位置。另一方面主泵压力P 1 卸载 压力 同时作用于压差减压阀的A 腔，推动压差 减压阀换向，从先导操作块来的先导压力印 即 是恒定的，其值为先导溢流阀的设定压力 通过 压差减压阀减压后作为压力P L s 作用于压差减压 阀B 腔，当压差减压阀压力平衡时 P L s P L m a x P 1 ，P L m a x 0 ，P L s P 1 ，压差减压阀稳定 工作在某一位置，此时压力P L s 和卸载压力相等， P L s 值为最大。主泵的输出流量最小。 主泵输出流量增加的动作当外界负载 指 最大负载 增大时，需要更大的流量驱动执行机 构，换向阀的开度增大，此时压力P L s 减小 P L s P r 时，P 厶作用 于B 腔，P r 作用于A 腔。P S 阀内B 腔内的压力 增大克服A 腔的弹簧压力，P S 阀柱向A 腔移动， 来自先导泵P 2 的压力被输送到P A 口，通过P A 口和节流口后作用于柱塞C 腔，克服弹簧力后使 斜盘的摆角减小，主泵的排量自动减小，输出流 量减少。主泵输出流量原理图如图3 所示。 P L m a x O P L a _ J L 一一，} 一一 一一一一一J 图3 主要输出流量原理图 1 一压差减压阀；2 一弹簧；3 一卸载阀；4 一主安全阀 2 ．2 安全和过载保护 由图1 可以看出，系统主油路中溢流阀的设 定压力为2 1 M P a ，以防止主油路中的油压超过设 定压力，起安全保护作用，油缸的工作油路中装 有过载溢流阀，设定压力为2 4 M P a ，当油缸所受 外部负荷突然增大，过载溢流阀打开，以调节压 力、避免油路中压力异常急增。和过载溢流阀并 联的单向阀起补油作用，防止油路中出现气穴现 象。本系统中推土、备用等动作过载溢流阀的设 定压力小于主溢流阀压力，此时过载溢流阀仅起 安全阀作用。 卸载阀的作用是使泵的输出压力P 1 与最大 负载压力P L m a x 和转速检测压力相平衡。P r P L m a x P 1 ，P r 压力设定不大，一般为0 ．5 ～ 1 ．5 M P a ，中位时，外界最大负载为零，泵的输 出压力P l 仅需克服转速检测压力P r 即可实现卸 载。 另外，先导油路中装有先导溢流阀，溢流阀 的设定压力为3 ．5 M P a ，先导电磁阀起总开关作 用，用于切断总的先导控制油路，行走二速电磁 阀用于控制行走马达的高低速工作状态，通常先 导溢流阀、单向阀、滤油器、蓄能器、电磁阀、测 压接头等集成为一个先导操作单元，既优化了布 管设计，又便丁．装配，也方便配套供应。 2 ．3 负荷传感控制的原理分析 负荷传感系统主要由压力补偿阀、压差减压 阀、转速检测阀、可变溢流阀、负载传感阀、变 量泵等部分组成。通过压力补偿阀的作用使多路 阀节流口前后两端的压差保持一定，从而使通过 节流口的流量只与多路阀的开度有关，而与负载 压力无关；同时负载信号通过负载传感阀作用于 变量泵使泵也按多路阀的开度输出相应的流量。 2 ．3 ．1 压差减压阀 由图3 分析，由先导泵P P 来的压力油经过压 差减压阀后变为压力P L s ，分析压差减压阀的平 衡，主泵压力尸1 作用于A 腔，P L m a x 和P L s 作 用于B 腔，假定A 腔和B 腔面积相等P 1 P L s P L m a x 。 一方面经过压差减压阀压力P L s 向主泵的P S 阀 负荷传感阀 提供负载信号以调节泵的流量 见前述泵控制系统 ，另一方面此压力被引向多 路阀的各压力补偿阀，向压力补偿阀提供压力比 较信号。 2 ．3 - 2 转速检测阀 转速检测阀由减压阀和节流阀组成，它安装 于先导泵和先导操作块之间的先导油路，其功能 是将先导泵的输出流量的变化转变为压力信号 P ，．，压力信号P r 又作用于主泵的P S 阀，控制主 泵的斜盘摆角，从而控制主泵的输出流量。压力 信号P ，．同时又作为确定执行机构速度的信号。顾 名思义，转速检测阀是和发动机的转速有关系的， 由于先导泵为定量齿轮泵，其流量与发动机转速 成比例的变化，而先导泵的流量变化又转变为压 建筑机械化2 0 0 8 0 7 37 万方数据 力信号尸，．，故压力 信号尸r 和发动机的 转速按比例变化 图4 。 减压阀两端A 腔和B 腔的面积相 同，弹簧相同，发动 机运转时，先导泵 的输出油压P 2 H ，流 过节流阀后压力减 为P 2 伽同时P 2 Ⅳi 作 用于减压阀的A 腔，P 2 ．。作用于减 袋印一 作单员 P r P 2 曲 野 节流阀 l 减J - D 假％i 图4 转速检测阀工作原理图 压阀的B 腔，P 2 c 。流过减压阀后压力减为P r ，P 2 L o 亦作用于减压阀的B 腔，当减压阀稳定工作时，P ，． P 2 L 。 P 2 圩j ，P r P 2 Ⅳi P 2 ￡。 A p ，A p 为节 流阀前后两端的压差，通过节流阀的流量Q c A √2 A P ／p n q ／6 0 ，式中C 为流量系数，A 为 节流阀口通流面积，P 为密度，n 为发动机转速， q 为齿轮泵的排量，不难得出A P 即P J r 和n 按 一定比例变化，当发动机转速提高时，节流阀前 部和后部的压差与发动机转速的平方成正比变化。 设定在某一转速下当压力J P ，．增大时，则P r P 2 c 。 P 2 胁减压阀的阀柱换向，向A 腔移动， 压力P r 流向D r 排放，从而降低了压力P r 值。反 之，当压力P r 减小时，则P r P 2 ￡。 P 2 肌减压 阀的阀柱换向，向B 腔移动，P 2 。。压力流向P ，．，从 而增加了压力| P r 值。可见在一定的转速下，减压 阀稳定在一定的位置工作，尸r 压力也是一定的。 具体应用中，在转速检测阀中可以在节流阀 并联一个油路通道，将压力P 2 H r 和压力P 2 c 。经常 进行比较，当P 2 H ，和压力P 2 c 。之间的压差为定值 时，P 2 H 。压力油通过旁通油路流向压力P 2 ∽从 而控制其之间压差不超过要求。 压力P r 值是标准的，它作为提供给主泵P S 阀一个压力信号，P L s 压力和其相比较以调节泵 的流量。 2 ．3 ．3 压力补偿阀 压力补偿阀位于主换向阀节流口前面的油 路，它和节流阀一起组成了一个流量控制阀 其 功能相当于调速阀 和进口节流调速回路 图5 。 压力补偿阀通过控制节流阀前后两端的压差P L s 保持恒定 约为2 0 b a r 左右 以调节流经节流阀 的流量。 椎卜a l 备用a 2 图5 压力补偿阀工作原理图 1 一梭阀I2 一压力补偿阀，3 一节流口前而油路P 伽；4 一节 流口后面油路P L ，5 一换向阀节流孔 同时负载信号P L s 被引到负载传感阀，通过 负载传感阀作用于变量泵，使泵也按多路阀的开 度输出相应的流量，适应执行元件的需要。 以多路阀中的推土板 压力补偿阀1 和备用 阀 压力补偿阀2 为例来分析一下压力补偿阀如 何与节流阀共同组成回路后的功能，负载敏感系 统。当主阀芯在中位时，压力补偿阀断开，主油 路卸载，当操纵先导操作手柄使得多路阀主阀芯 换向，对于压力补偿阀来说，阀芯的一端是经补 偿阀后的压力油P i n ，压力的作用面积为S 3 ，另 一端则是来自压差减压阀的压力P L s 压力作用 面积S 2 和负载的压力P L 压力作用面积S 3 。 当压力补偿阀阀芯平衡时 P L s S 2 P LXS 1 尸i nXS 3 设阀芯左右面积相等，则P L s P i n P L △P 假设P L m a x P L l ，由压差减压阀可得到P L s P 1 一P L m a x ，则操纵阀1 和2 的进出口的压差 分别为 △P 1 P i n l P L l P L s P 1 一P L m a x 勰 专畸箍吡 台如S一 万方数据 △P 2 P i n 2 一P L 2 P L s P l P L m a x 因为A P - A P ，所以各执行元件的流量仅取 决于各阀杆的行程，当执行器同时动作时，按各 阀杆行程成比例地分配到达各路的油量。所以通 过各操纵阀的流量只与各自的阀杆行程有关，而 与负载无关。 负荷压力低的压力补偿阀会产生压力降，若 P L - P 1 m a x 即假定推土板所受负载为最大负 载 ，则压力补偿阀l 和2 产生的压力降分别为 P l P i n l P L m a x P L l 0 P l P i n 2 P L m a x P L 2 P L I P L 2 此压差正好补偿负荷压力差，压力补偿阀实 际上起了负荷均衡器的作用。此时，压力补偿阀 1 的阀口全开，不起调压作用，其压降为零，P 。 P i n l ，流过多路阀阀柱节流口1 的流量为最大设 定流量。 对于压力补偿阀2 ，如果P i n 2 和P L 2 之间的 压差高于压力P L s ，阀芯向上移动，于是补偿阀 节流口变窄，减少了流过流量，于是压力P i n 2 下 降，P i n 2 和P L 之间的压差也减低，直到和P L s 压 力平衡，阀芯稳定工作在某一位置；如果P i n 2 和 P L 2 之间的压差低于压力P L s ，阀芯向下移动，于 是补偿阀节流口变宽，增加了流过流量，于是压 力P i n 2 增大，P i n 2 和P L 2 之间的压差也增大，直 到和P L s 压力平衡，阀芯稳定工作在某一位置。 同样对于各动作的压力补偿阀阀芯始终保持 左右移动，使两侧的推力相等，P L sXs 2 P i n Xs 3 一尸LXs 1 。于是P i n 换向阀前面对应的 油压 和P L 换向阀后面对应的油压 之差始终 和P L s 压力平衡。即主换向阀节流口前后的压 差恒定，所以流向负载的流量只与阀芯的开度有 关系。 当挖掘机做轻载快速复合动作时，需要更大 的流量驱动各执行机构，可能会出现流量饱和现 象，即便泵调节到最大排量也满足不了各动作需 要的流量，此时多路阀的各进油节流口的前后两 端压差P L s 减小，但流经各阀的流量与阀口开启 大小的关系不变。动作普遍慢下来，但不会停止； 当挖掘机在重载作业时，如果工作点在恒功率曲 线之外，泵的排量受到功率控制阀的限制，此时 假如多路阀的开度增大，也会出现流量不足速度 没相应增加的现象。 根据以上分析可对N A C H I 负荷敏感系统小 结如下选出执行元件中的最高工作压力 P L m a x ，P 1 一P L m a x 作为负载传感压力，分别引 到负荷传感压力阀 P S 阀 和各压力补偿阀的一 腔。调节泵的输出流量和流人多路阀各进油节流 口的流量，当负荷传感阀芯和各个压力补偿阀芯 达到平衡时，各节流口上下游压差均为P L s P 1 一P l m a x ，为一定值，因而通过各节流口流向执 行元件的流量只与各节流口大小 亦即各主阀芯 开度 有关，而与每一执行元件的工作压力无关。 单独一个泵驱动多个执行元件，各执行元件的动 作相互独立，互不干扰。但要注意到虽然泵的 压力、流量能自动适应负载的要求，当遇到大惯 性负载时会产生压力变化快流量跟不上现象，使 压力补偿阀不能及时正确补偿压力调整，产生过 度和不足调整，当泵和多路操纵阀之间连接管道 较长时，会引起压力传递滞后，因此易产生响应 慢、操纵控制不稳定等问题。但经过实际使用和 不断改进，这些问题基本上得到解决。 3 小结 通过对N A C H I 系统的分析研究，可得出以 下结论N A C H I 闭中心负载敏感压力补偿液压 系统是为了能更好地符合挖掘机复杂工况而开发 出来的新型的液压系统，从工作原理上来看，其 供油和调速方式、复合操作性能、节能等方面设 计合理，能更好地符合挖掘机作业要求。圃 【参考文献】 【1 】林国重．液压传动与控制[ M 】．北京北京工业学 院出版社，1 9 8 6 ． 【2 】雷天觉．液压工程手册【M 】．北京机械工业出版 社，1 9 9 0 ． 编辑何明 [ 中图分类号】T H l3 7 [ 文献标识码] A [ 文章编号] 10 0 1 13 6 6 2 0 0 8 0 7 - X k ．q S - 0 5 [ 收稿日期] 2 0 0 8 - 0 4 - 0 1 建筑机械化2 0 0 8 0 7 39 { ，一黥v e务哺禳＆ 万方数据