一种简易液压挖掘机回转马达限流装置.pdf

液压 液力 H y d r o s t a t i c s a n d H y d r o d y n a mi c s 一 种简易液压挖掘机回转马达限流装置 刘浩， 黄呜辉 ， 查志锋， 范柏利 ， 高学文， 唐博 国机重工 常州 挖掘机有限公司 摘要 I 采用川崎负流量控制系统的液压挖掘机， 所有执行机构都由一组串联的柱塞泵供油 ， 而设计中有时会遇到各执行机 构所需流量不一致的情况， 即按照动臂、 斗杆等其他执行机构工作需要设计的流量， 会导致回转马达在同样流量下工作时超过 最高限定转速， 造成回转马达故障或影响其使用寿命。 针对这一问题专门设计回转马达限流装置 ， 以负反馈信号、 发动机转速等 作为流量限制的判定条件， 通过限定向回转马达供油的前泵的最大排量， 使回转马达始终工作在额定转速范围内， 同时不影响 其他执行机构正常工作。该限流装置具有改造方便， 结构简易， 性能可靠 ， 制造成本低廉等优点。 关键词 液压挖掘机 ； 负流量控制； 回转马达 ； 限流装置 液压挖掘机是具有多执行机构的工程机械 ，在产品 设计时 ， 由于作业需要 ， 会出现不同执行机构所需流量不 一 致的情况 ， 即会出现同一流量供油条件下 ， 某个执行机 构流量超限， 而其他执行机构流量不足的情况。 该问题在 流量需求相对较小的回转马达上最为突出。以某公司 3 6 t 级挖掘机产品为例 ， 其液压系统采用普遍使用的川崎负 流量控制系统， 回转马达额定转速 2 0 0 0 r ／ m i n ， 因设计需 要 ， 主泵额定流量为 2 3 6 0 L ／ m i n 最大排量 1 8 0 m L ／ r ， 而回转马达受规格限制 ， 即使选用最大排量， 允许 的最大 流量仍仅 为 3 0 0 L ／ ra i n 该值由回转马达规格书中规定的 最高转速反推获得 。 目前解决 以上问题常用的方法主要有两种一是使 用液压件厂家提供的流量限制阀，通过采集主泵输出压 力信号 ， 经控制系统判断 ， 实时调节流量限制阀中比例 电 磁阀的开度 ， 从而实现对主泵排量的比例控制 ， 使供给 回 转马达的流量始终小于其流量限值 ；二是增加大量的传 感器 ， 对先导手柄的各个动作进行监控 ， 对流量限制条件 进行判断 ， 根据需要减小对回转马达的供油量。 考虑制造 成本 、 可靠性以及复杂的逻辑控制关系等诸多因素 ， 绝大 多数主机厂家对于该问题的处理对策是第一方案。 第一方案虽然被广泛应用， 但却存在一些不足 1 以 双泵输出压力作为判定条件并不 能涵盖所有的复合动 作， 压力值的大小也不能完全代表先导手柄的行程， 流量 控制看似比例调节实则较为粗放 ； 2 制造成本较高 ， 须加 作者简介 刘浩 1 9 8 2 一 ， 男， 浙江嵊州人， 工程师 ， 学士， 研究方向 挖掘机产品总体设计。 柏l l 一．6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 杠 械 第4 6 卷 f 第 6 期 总第 5 0 0期 装进 口流量限制阀、 梭阀以及多个压力传感器等部件。 1 回转马达限流装置的设计原理 本文介绍的回转马达限流装置是针对川崎负流量控 制系统的特点， 突破传统的从主泵获取工作压力的思路， 而以负反馈信号作为输入 ， 经过 电控系统的逻辑判断后 ， 在需要进行 回转限速 限流 的工作条件下 ， 对主泵排量 进行调整 ，以达到既实现回转马达流量限制又不影响其 他执行机构动作的目的。 原川崎负流量控制系统液压原理示意图见图 1 为便 于理解 ， 已对原理图进行简化 。由图 1 可知 ， 前泵为右行 走阀、 回转阀、 动臂阀 2 及斗杆阀 1 供油， 后泵为左行走 阀、 动臂阀 1 、 铲斗阀及斗杆阀 2 供油 。图 1 中， 执行机构 后方的数字 1 和 2 分别代表主供油和合流。 广～ 一 一 一 一 ～ ～ 一 一 一 一 一 ～ 一 一 ～ 一 一 一 一 ⋯一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ■ 左先导手柄 液压油箱 图 1 川崎负流量控制系统液压原理示意图 根据J l l 崎负流量控制系统的特点，回转 马达限流装 置的主要设计原理如下 1 回转马达由前泵供油 ， 可通过调节前泵 的斜盘摆 角， 实现对回转马达流量的控制。 2 负反馈信号可反映先导手柄的工作状态 ， 负反馈 压力值越大， 对应主阀阀芯的先导手柄行程越小， 负反馈 油 为最大值时先导手柄处于中位 ，反之先导手柄处于最大 行程。 3 复合动作条件下， 前泵的流量同时供给斗杆 1 、 动臂 2 等其他执行机构， 由于其他执行机构的分流影响， 输出给回转马达的流量并不饱和 ， 故不会导致超速。 4 主泵的输出流量与转速息息相关 ， 当发动机转 一6 } 鸫 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 液压 液力 H y d r o s t a t i c s a n d H y d r o d y n a mi c s 速低于某一值时 ， 即使不作限速 ， 也不会 导致回转马达 超速 。 5 后泵为斗杆 2 、 动臂 1 及铲斗等 的一 系列动作 供油 ， 通过后泵 的负反馈 信息可以获知其他动作的执行 情况。 基于以上分析 ， 由 1 可以反推前泵斜盘摆角的安全 值及对应 的负反馈压力值 ； 由 2 、 3 和 5 可以获 知是 否进行除回转以外的其他动作 ，配合获取回转先导信号 可获知是否进行 与回转有关的复合动作 ； 再根据 4 ， 增 加发动机转速信号作为判断条件 。将 以上各种条件输入 控制器 ，即可作 出准确判断 ，给予主泵斜盘 以安全压力 值 ， 通过调节主泵斜盘 ， 保证 回转马达工作在安全转速。 2 回转马达限流装置的组成 回转马达限流装置主要由检测装置、判断机构和执 行机构 3 部分组成。 检测装置包括获取信号的传感器 、 压 力开关等设备 ； 判断机构集成于挖掘机的电控系统中 ， 主 要对检测装置输入的信号进行判断 ；执行机构负责调整 前泵的斜盘摆角。 仍以上述 3 6 t 级挖掘机回转马达限速为例 ，介绍判 断机构和执行机构。 2 ． 1 判断机构挖掘机配备的电控系统 E C U 根据前述原理分析 ， 增加电控系统 E C U的逻辑判断。 1 发动机转速判断条件 根据流量限值 3 0 0 L ／ ra i n 及单泵最大排量 1 8 0 m L ／ r ，反推得到需要对回转马达进 行限速的临界发动机转速为 1 8 7 5 r ／ ra i n ， 即该转速以上 ， 控制系统才进行逻辑判断。 2 先导手柄压力信号判断条件 根据液压件厂家提 供的参数 ， 当先导手柄输出压力大于 0 ． 8 MP a 时 ， 主阀中 控制回转油路的阀芯才全部打开。 3 回转分流判断条件 根据液压件厂家提供的泵特 性曲线图， 可获得负反馈工作曲线， 当后泵负反馈压力大 于 3 MP a 时， 其他执行机构可视为无动作。 2 ． 2 执行机构集成电磁减压阀块 图 2 所示为执行机构集成 电磁减压阀块的原理 图。 集成电磁减压阀块主要由电磁换向阀、 减压 阀和梭阀 3 部分组成。其中， 电磁换向阀通过先导齿轮泵获取压力 油 3 ． 9 MP a ， 在控制系统电信号作用下 ， 实现油路的通或 5 O f 工霏杠拭 I 2 0 t 5 ．疗 l l 1 1 T2 Pl GI ／ 4 Gl ／ 4 图 2 集成 电磁减压阀块原理图 断； 减压阀使通过此处的液压油压力减小 至保证主泵排 量到 1 5 0 m L ／ r 的特定压力值 ， 并起到稳定压力 ， 减少冲 击的作用；梭 阀的作用是将前泵负反馈压力与经减压阀 处理后的压力值进行比较 ， 压力值大者输入主泵 ， 推动斜 盘摆角， 实现流量调整。 根据川崎负流量控制系统主泵的 特性 ， 负反馈压力越大 ， 调节后泵的斜盘摆 角越小 ， 即输 出流量越小 。 由于全速回转所需流量较大 ， 前泵斜盘摆角 处 于较大 位置 ，即前 泵 负反馈压 力值较 小 约为 1 ． 1 MP a 。在需要限速条件下 ， 经减压阀处理后的压力值必 然会大于前泵 自身的负反馈压力值 ，从而调小前泵的斜 盘摆角。此外 ， 在不需要进行限流量控制时 ， 由梭阀保证 负反馈油路畅通。 根据液压件厂家提供 的主泵 p Q 压力～ 排量 特性 曲线图 ， 可知负反馈 信号的变化特性 ， 并获得泵在 2 0 0 0 r ／ ra i n转速时 ， 负反馈信号推动主泵斜盘摆角 ， 使输 出流 量达 到 3 0 0 L ／ rai n 排量 1 5 0 mL ／ r 时的压 力值 为 1 ． 3 MP a ，即推动主泵排量到 1 5 0 m L ／ r 的负反馈信号特定压 力值为 1 ． 3 MP a 。 集成电磁减压阀块的完整工作过程如下如果判断 限流条件不成立 ， 则减压阀不工作 ， 减压 阀油路不导通 ， 控制前泵斜盘摆角动作的仍为负反馈压力；如果判断限 流条件成立 ，则电控系统 E C U输 出电信号给 电磁换 向 阀， 使集成电磁减压阀块的油路闭合 ， 油路通过减压阀实 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 杠 栈 第4 6 卷 I 第6 期 总第 5 0 0期 现定值压力的输出 ，梭阀将该值与前泵负反馈压力值 比 较后 ， 推动主泵斜盘 ， 使斜盘摆角变小 ， 进而使排量减小 ； 如果条件满足 ， 但前泵负反馈压力值更大 即前泵排量小 于 1 5 0 m L ／ r ， 属于安全值 ， 通过梭阀控制调节前泵斜盘 摆角的油路仍为前泵自身负反馈压力油路。 3 回转马达限流装置的加装方案 加装回转马达限流装置后的液压系统原理示意图如 图 3 所示 从主泵的先导齿轮泵处引压力油， 接集成电磁 减压阀块 的 P 1 口， 将前泵 负反馈管路打断 ， 分别连接集 成电磁减压阀块的 A口和 P 2口， 由控制器连接电路至 电 磁换向阀。在回转先导手柄梭 阀出口和后泵 负反馈管路 上分别增加 0 ． 8 MP a 和 3 MP a 的压力开关 P s 及 P r 或 压力传感器 ， 而 回转先导手柄梭阀、 转速传感器通常为 挖掘机的标配设备 ， 无须增加。 工作时 ，当控制系统获取发动机转速大于 1 8 7 5 r ／ re ．i n ， 且 p s 和 P r 压 力开关全部接通 ， 控制系统发出电信 号使集成电磁减压阀块的电磁换向阀闭合，先导齿轮泵 3 ． 9 MP a 的先导压力油进入集成电磁减压 阀块电磁换 向 阀， 再经减压阀减压至 1 ． 3 MP a 后进入梭阀。通过梭 阀的 判断 ， 若减压阀输出端的 1 ． 3 MP a 压力大于前泵负反馈压 力 1 ． 1 MP a ， 油液将进入主泵调节器 ， 推动前泵斜盘摆角 减小 ， 使前泵输出流量小于 3 0 0 L ／ mi n 。 液压油箱 0 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一_ J 图 3 回转马达限流装置的加装原理示意图 一 6 J 工 稚 械} 5 ’ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 液压 - 液力 H y d r o s t a t i c s a n d H y d r o d y n a mi c s 4 应用效果 在实际应用过程中 ， 由于存在瞬时冲击、 延时以及设 备精度等多种不确定因素 ，应对加装 回转马达限流装置 的整机进行调试 ，并根据调试结果对部分边界条件进行 修正。 本文案例在实际应用中， 发动机转速判断条件修正 为 1 8 2 0 r ／ ra i n ，先导手柄压力边界条件修正为0 ．7 MP a 结合主泵比例电磁阀的给定 电流进行调整 。经以上调 试 、 修正后 ， 回转马达限速效果 良好 ， 在各种 单动作及组 合动作作业条件下，回转马达的流量都被有效地控制在 限值范围内， 并且不会影响整机作业效率。 该回转马达限 流装置已通过了液压件厂家的各项测试， 同意批量使用。 对比成本可知， 原解决方案所需各种压力传感器 、 进 口流量限制阀及管路等的总费用在万元以上 ，而本文介 绍的回转马达限流装置不但使改装难度大大降低，而且 集成电磁减压 阀块的成本仅数百元 ，加上其他压力开关 和附件的总成本不到 3 0 0 0 元 ， 经济效益显著。 虽然本文介绍的回转马达限流装置结构简单，且对 比其他改进方案具备更高的可靠性，但由于该装置的实 际应用仍较少 ， 投放市场的时间也不长 ， 其可靠性还有待 市场的进一步验证。 目 前该装置正在 申请国家专利。 参考文献 m 王春行． 液压控制系统口 嘲 ．北京 机械I业出版社， 2 0 1 1 ． [2 】 液压挖掘机 编委会．液压挖掘机口 武汉 华中科技大学 出版社， 2 0 1 I ． 【 3 】 张珊珊．挖掘机液压系统的分析与研究p1 ． 上海 同济大学 。 2 OD 5 ． f 4 j 雷天觉． 新编液压工程手册[ M1 ． 北京 北京理工大学出版 社 ， 1 9 9 8 ． I 5 1 茁 华， 茸 显华． 挖掘机负流量液压系统的控制特性分析仍． 液压与气动， 2 0 1 1 5 5 5 - 5 7 ． I 6 1 高峰， 潘双夏． 液压挖掘枧负流量负荷传感控制策略m． 农业 机械学报 ， 2 0 0 5 7 1 1 1 -1 1 3 ． 通信地址 江苏省常州市新北区黄河西路 8 9 8号国机重工 常州 挖掘机有限公司常州研究所 2 1 3 1 3 6 收稿日期 2 0 1 5 - 0 2 0 9 上接第 4 7页 处的裂纹问题 ，并得到了砧铁等效应力与孔洞尺寸间的 敏感度关系 孔洞距砧铁底面 的高度对砧铁等效应力影 响较大 ， 孔洞直径对砧铁等效应力影响较小 ， 可为今后 类似问题的解决提供参考。因砧铁孔洞的主要作用是注 水， 从实际应用反馈的信息来看， 改变孔洞位置 距底面 高度 以及减小孔洞的直径， 对砧铁孔洞的注水效果都没 有太大影响， 但考虑到实际应用情况 ， 不能无限制地减小 孔洞直径。 3 由于 目前项 目组不具备获取打桩锤运动载荷谱 和材料 s 一 Ⅳ 应力一 寿命 曲线的相应条件， 加之进行相应 疲劳试验的费用比较高昂，所以项目组并未对砧铁进行 疲劳分析，但是考虑裂纹的产生在一定程度上是由疲劳 因素引起的 ，在条件具备的情况下应进行进一步 的砧铁 疲劳分析 。 5 2 l 稚杠械 l 2 。 ．，5 6 参考文青 c f 1 7胡均乎， 刘坤， 郭勇， 等． 液压打桩锤大流量缓冲装置的建 模与分析m．振动与冲击． 2 0 1 3 1 0 7 - i 1 ， 2 1 ． f 2 7 姚瑶． 基于灵敏度分析的串杆结构优化设计明． 工程机械， 2 0 1 2 5 3 7 - 4 0 ． 【3 1浦广益．A N S Y SWo r k b e n c h1 2基础教程与实铡讲解 t M】 ． 北京 中国水翻水电出皈社． 2 0 1 0 ． [ 4 1 鄙宣怀． 机械设计 1 ． 北京 高等教育出版社． 1 9 9 7 ． [ 5 1许京荆． A N S Y s 1 3 ． O Wo r k b e n c h 数值模拟技术【 M1 ． 北京 中 国水利水电出皈社． 2 0 1 0 ． 通信地址 天津北辰科技园区华实道 9 1 号天津工程机械研 究院 3 0 0 4 0 9 收稿日期 2 0 1 5 - 0 3 - 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m