拖泵液压系统设计及研究.pdf

溺蔫 期 吉盂 福 山东临工工程机械有限公司 摘要 介绍 目前最 常见 的拖泵液压系统 的几种形式 ， 分析拖泵液压 系统中液压 回路 的特点及 适用范围， 详细说明不同换向控制方式的特点， 特别指出拖泵液压系统设计中有关高低压切换、 冷却 器、 液压油箱等方面的设计要点和注意事项。 关键词 液压回路； 换向顺序控制； 终点信号检测 ； 高低压切换 拖式混凝土输送泵简称拖泵，是通过混凝土料 缸中的活塞做往复运动及分配阀的协调动作来完成 混凝土的连续输送工作 的，而这些动作是在液压系 统和电气系统控制下完成的， 料缸 、 活塞和分配阀等 零部件的技术水平 已经 比较成熟 ， 因此 ， 如何设计 出 适用的液压系统是拖泵开发 的重要环节。 1 拖泵液压系统的形式 拖泵所采用的液压系统通常有闭式 系统和开式 系统两种形式。 1 ． 1 闭式 系统 由一个恒压泵和蓄能器组成的驱动回路完成 ，正常 工作 时， 液压油是不 回油箱的。 闭式液压系统 的优点 是 液压泵输出的液压油直接进入液压缸 ， 整个液压 系统所需液压油箱容量可以较小 ，因此油箱不需设 计成太大 ， 能够留出更多的维修空 间； 缺 点是 过滤 和冷却液压油不方便。 1 ． 2 开式系统 在开式系统中， 根据供油方式的不同 ， 一般又分 为开式双泵双系统和开式单泵双系统两种 ，开式系 统中液压泵从油箱吸油， 回油返回油箱。 1 ． 2 ． 1 开式单泵双系统 图 1 闭式系统由双向变量泵和主液压缸组成 ，换向 图 1中主泵送液压缸 l 4 、 1 5所需 的液压油和分 1 ． 吸油滤网2 ． 变量泵3 ． 回油滤网4 ． 压力表5 ． 单向阀6 ． 单向节流阀7 ． 蓄能器 8 ． 油冷却器9 ． 顺序阀 1 0 、 1 6 ． 分 配阀液压缸 1 1 ． 电液换向阀 l 2 、 1 7 ． 溢 流阀 l 3 ． 主电液换 向阀 l 4 、 1 5 ． 主泵送液压缸 图 1 开式 单泵双 系统液压 回路 配 阀液压缸 1 0 、 1 6所需 的液压油都 是 由变 量泵 2 提供的， 开始工作时系统先给蓄能器 7 充压， 当蓄 能器的压力达到一定 的数值后 ， 打开顺序 阀 9 ， 液压 泵才 能经主 电液换 向阀 1 3向主泵送 液压缸 1 4 、 1 5 供油。这种系统的优点是只需一个液压泵， 系统简 单 ；缺点则是液压泵总是带有负荷 ，当液压缸 1 0 、 1 6 、 1 4 、 1 5不动作及蓄能器 7充到一定压力之后要 经溢流阀 1 7 卸荷。目前市场上的拖泵由于排量逐 渐加大 ， 所需液压泵的排量也大 ， 给液压泵提供动 力 的电机功率也就 比较大 ， 功率大且带负荷启动时 对 电网的影响就大 ， 限制了开式单泵双系统的使用 范围。 1 ． 2 ． 2 开式双泵双系统 图 2 图 2中 ， 主泵送液压缸 1 4 、 1 5所需 的液压油 由 主泵 l 变量泵 提供 ， 分 配阀液压缸 l 0 、 1 6所需 的 液压油由定量泵 2提供。这种液压系统主泵 1排量 较大 ， 主泵送 液压缸 1 4 、 1 5不动作 时 ， 主泵 经主 电 液换向阀 1 3 的中位卸荷， 这样主电机启动时， 不用 作者简介 吉孟福 1 9 6 2 一 ， 男 ， 山东青州人， 高级工程师， 研究方向 混凝土拖泵设计， 装载机及其变型装置设计。 一 5 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 ． 主泵2 ． 定量泵3 ． 回油滤网4 ． 压力表5 ． 单 向阀6 ． 单 向节流 阀7 ． 蓄能器 8 、 9 ． 吸油滤 网l 0 、 1 6 ． 分 配阀液压缸1 1 ． 电液换向阀1 2 、 1 7 ． 溢流阀l 3 ． 主电液换向阀1 4 、 1 5 ． 主泵送液压缸1 8 ． 油冷却器 图 2 双泵双 系统液压回路 承载负荷， 可以减小主电机所耗功率 ； 分配阀系统 钮， 让分配阀空摆几次， 使蓄能器卸荷； 还可以在溢 由于设有蓄能器 7因而定量泵 2 排量较小。定量泵 流阀 1 7 上并联一个两位两通电磁换向阀，此电磁 2是一个恒压泵 ， 开始工作时 ， 先 向蓄能器 7充油 ， 阀只要有 电就是闭合状态 ，在整机关闭电源时 ， 电 充满后， 经溢流阀 1 7 卸荷， 分配阀工作时， 定量泵 2 磁阀正好回位导通， 蓄能器卸荷。 同蓄能器一起为液压缸 1 0 、 1 6 供油 ，主泵 1 卸荷 时 ， 主泵送 系统的压力是零 ， 主电液换向阀 1 3的控 制压力来 自分配阀系统 。 双泵双系统是一种 比较理想的系统 ， 其中的两 个液压泵 ， 可以相互 独立也 可以串联在一起 ， 独立 时采用两个 电机分别驱动 ，串联时 由一个 电机驱 动。由一个电机驱动时， 整个泵内显得整洁， 维修空 间大 ， 但 由于电机大 ， 若不采用变频启 动 ， 启动时对 电网的影响较大 变频启动 ， 成本增加 。两个 电机 分别驱动时， 由于主电机功率减小 ， 启动时 P L C控 制两个 电机顺 序启动 ， 对 电网影 响较小 ， 对 电路各 器件的规格要求也相应减小。 1 ． 2 ． 3 设计关键点 对图 1 、图 2所示 的分配 阀回路进行设计 时应 注意 主泵送液压缸 1 4 或 1 5 带动混凝土料缸 的 活塞完成一次推送时， 分配阀液压缸必须推动分配 阀与另一输送缸 出 口相接 ，以完成下一次的输送 ， 这要求 液压泵 2的输 出流量 与蓄能器 7的放油 流 量之和大于分配阀液压缸 1 0 或 1 6 在 0 ． 2 S内完成 一 个工作行程所需要 的液压油流量 ； 同时电液换 向 阀 1 1的通径与 回油滤 网 3的流量也必须保证另一 分配阀液压缸 1 6 或 l o 在 0 ． 2 S内将油排尽 ； 与此 有关 的液压油管内径也必须满足在选定压力下 ， 高 压油流速 ≤3 ～ 5 m ／ s ， 回油流速 ≤1 ． 5 2 ． 5 m ／ s ， 以减 少压力损失； 溢流阀 l 7 要采用先导式溢流阀， 且导 阀应带阻尼，这样可以减小卸荷对定量泵 2的冲 击。 图 1 、 图 2中， 由于有溢流阀 1 7的存在 ， 使得蓄 能器在电机停止工作后仍带有负荷。通常的办法是 将控制盘上的旋转旋钮转到手控状态， 操纵摆动旋 一 5 8 2 液压缸换向顺序的控制方式 2 ． 1 压力顺序控制方式 图 1中电液换向阀 1 3的控制油液是通过顺序 阀 9提供的 ， 当主泵送液压缸运 动到位后 ， 由于蓄 能器 7的作用 ，分配阀液压缸 1 O 、 1 6迅速换向 ， 此 时顺序阀 9是关闭的， 当蓄能器 7的压力达到一定 的数值后 ， 才能打开顺序 阀 9 ， 通过液控换 向阀 1 3 的导 阀控制主阀芯换 向， 以达到主泵送液压缸滞后 动作 的目的。这里蓄能器既能控制顺序阀开启 ， 又 能使分配阀液压缸动作更为快速有力。 2 ． 2 液压缸到位信号检测的顺序控制方式 图 3中， 在两个主泵送液压缸 1 4 、 1 5的活塞杆 全伸出位置设置了信号检测装置 K1 、 K 2 。图 1 中主 泵送液压缸 的换 向靠顺序 阀 9控制 ， 而分配阀液压 缸换向则是靠 K 1 、 K 2 检测到信号后通过电气系统 的控制 ， 使 电磁 阀 1 1 导通 而实现的 ， 这种 电液换 向 控制系统还可以在 K 1 、 K 2 检测到信号后通过电器 系统 的可编程序控制器 ， 实现分配 阀的电磁 阀优先 带电 ， 主泵送液压缸的电磁 阀延时 0 ． 2 s 后带电的功 能实现顺序控制。此外电气系统也可以通过普通延 时继电器来 实现延 时功能 ， 但可靠性较差 ， 当料 斗 里的混凝土质量较差时， 分配阀在 0 ． 2 s 内没有转换 K1 K2 1 4 、 1 5 ． 主泵送液压缸Kl 、 K 2 ． 信号检测装置 图 3 主泵送液压缸信号检测装置 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 到位而主 电液换 向阀已得到指令 ， 则会接通 主泵送 液压缸油路 ， 这样会 加剧 分配阀的偏磨 ， 影响其寿 命。 图 4是在 主泵送 液压缸 1 4 、 1 5的活塞杆全 伸 出位置设置 K1 、 K 2的同时 ， 在分配阀液压缸 1 0 、 1 6 摆动的极 限位置设 置检测装 置 K 3 、 K 4来检测换 向 信号 。 1 0 、 1 6 ． 分 配阀液压缸K 3 、 K 4 ． 信号检测装置 图 4 分配阀液压缸信号检测装置 图 3 、图 4中， K1 、 K 2 、 K 3和 K 4可以是相接触 的行程开关 ， 也可以是不相接触 的接近开关 。虽然 不相接触 的接近开关若界面污垢 多了， 或是距离调 整不 当， 会发生检 测不 到信号的情况 ， 但 是接近开 关 由于有工作范围宽 、频率响 应高 、 防护等级高 ， 还有发光二 极管指示功能，寿命又长等特 点，是目前最好的终点信号检 测装置。 4个液压缸上的行程开关 K 1 、 K 2 、 K 3和 K 4组成 顺序 控 制的方式 ，再加上电气系统的 P L C 可编程序控制器 可方便 地实现拖泵的一切 逻辑控制 ， 高层建筑时， 又会遇到需要高压力的情况， 这就要 求在进行液压系统设计时 ， 要解决是给主泵送液压 缸 的大腔供油还是给小腔供油的问题。小腔活塞面 积小 ， 容积小 ， 因此液压缸产生的推力小 ， 活塞运动 快 ， 拖泵输 送量大 ； 大腔活塞面积大 ， 容积大 ， 因此 液压缸产生 的推力大 ， 活塞运动慢 ， 拖泵输送量小 。 现有混凝土输送泵 的高低 压切换主要有下 面几种 形式 。 3 ． 1 改接管路实现高低压切换 如图 5 所示 ， 当 A ～ A1 、 B B 1 、 A 2 一 B 2相连时 ， 是 将两缸大腔短接 ， 小腔供油 ， 能实现低压大排量功 能 ； 当 A A 2 、 B B 2 、 A1 一 B 1 相连时 ， 是将两缸小腔短 接， 大腔供油， 能实现高压小排量功能。这种方式的 优点是结构 简单 ， 成本低 ； 缺点则是操作较麻烦 ， 并 且换 接管路时 ， 油 口裸露 ， 容易造成液压系统油液 污染 ， 外泄的油若收集不好会污染环境， 拆卸次数 多了还损坏螺栓 和密封件。这种方式在对产品性能 也能实现主泵送液压缸及分配 阀受 阻时的 自动反 泵操作。 如在程序 中设置 电液阀 1 1 得电超过 2 s ， 而 K 3 或者 K 4 没有监测到信号 ， P L C就会 自动发出反 泵 1 ～ 2次的指令 ， 直到分配阀液压缸 到位 。但 同样 的情况 ， 如发生在全液压控制系统上 ， 主泵送缸不 到位 时可 以通过 主油路 上设 置的压力继 电器发 出 反泵信号， 但要求分配阀液压缸必须到位。无论是 全液压控制还是 电液控制 ， 采用 4个液压缸到位后 检测信号的方式都较可靠， 它能有效避免由于混凝 土的质量低而造成的分配 阀液压缸不到位 的情况 ， 是一套较完善的方案。 3 主泵送的高低压切换 拖泵在工 作 中经常遇到压力不 高但需要排 量 大的场合 ， 如灌注基础和低层建筑 ， 但在用于输送 A B B2 Al A2 B 1 1 ． 电液换 向阀2 ． 回油滤 网3 、 4 ． 主泵送液压缸 图5 改接管路的高低压切换回路 要求较低的拖泵中应用不失为一种好的方案 。 另一种 是在混凝 土输送 泵的主液压缸 尾部连 接的后端盖上安装阀块， 改接油路来实现高低压切 换 ， 这实际上是第一种形式 的改版 ， 同样也有第一 种方法所具有的优缺点。 3 ． 2 利用普通的电液换 向阀实现高低压切换 图 6中用 了两个 二位 四通 电液 换 向阀 4 、 5作 为高低压切换 阀，当电液 阀 4 、 5同时处于右位时 ， 实现低压大排量泵送工作 ； 当电液 阀 4 、 5同时处于 左位时， 实现高压小排量泵送工作。这种结构 ， 操作 非常简单 ， 只需要将电控箱上的一个旋钮转动一下 就可以实现高低压切换，但存在压力损失大的缺 点。 3 ． 3 采用高低压切换 阀实现高低压切换 图7中， 整体高低压切换阀2 ， 是用一个整体阀 一 5 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 ． 回油滤网2 ． 冷却器3 ． 4 、 5 ． 电液换向阀6 、 7 ． 主泵送液压缸 图6 采用电液换向阀的高低压切换回路 1 ． 回油滤网2 ． 高低压切换 阀3 、 4 ． 主泵送 液压缸 图 7 采用高低压切换阀的高低压切换回路 的形式接在液压 回路 中， 阀芯每转动 6 0 。 ， 即可实现 一 次高低压切换， 这种方法操作简单， 性能可靠， 但 手动操纵 ， 不如 图 6所示的方式操纵简单 。由于这 种阀通径做大比较容易， 而体积却变化不大， 可以 用于排量在 5 0 0 8 0 0 L ／ mi n的大规格拖泵中。 3 ． 4 采用插装阀来实现高低压 自动切换 图 8中，高低压切换 阀 4是 由 f l ～ f 6共 6个二 通插装阀组成的 ， 当电磁换向阀 2中电磁铁线圈 Y1 得电时 ， 插件 f 1 、 f 3和 f 5的控制腔为高压 ， 插件 f 2 、 f 4和 f 6的控制腔为低压 ， 此时泵送液压缸 5 、 6的大 腔连通 ， 即为实现低压大排量泵送工作 ； 当电磁铁 线圈 Y2得电时 ，插件 f 2 、 f 4和 f 6的控制腔为高压， 插件 f 1 、 f 3和 f 5的控制腔为低压 ，此时泵送液压缸 5 ． 6的小腔连通 ， 即可实现高压小排量泵送工作 ， 这 种高低压切换 阀可应用于大排量泵 中。 4 其他设计注意事项 4 ． 1 油冷却器 油冷却器一般设置在主泵的 回油路上 参见图 1中的件 8和图 2中的件 1 8 ，当液压系统油温高 于 5 5 c 二 时 ， 在温控开关的控制下油冷却器启动。但 一 般泵在工作两小时后油温会升到 9 0℃以上 ， 因此 还应该将搅拌系统和分配阀系统的 回油路 中增 加 水冷却器 ， 一旦油箱温度表 的数值大于 8 0℃， 水冷 却器就开始工作。 4 ． 2 液压油箱设计 油箱设计要求 体积足够 大 ， 回油 口要对 着箱 壁 ， 以利于散热 ； 进油和出油 口位置尽量隔远 ， 并用 隔板 隔开 ， 防止刚进入的油又被 吸走 ； 吸油滤网精 度 1 0 0 I x m， 回油滤网精度 1 0 1 5 m； 油箱底部设置 清洗法兰盖 ， 盖的位置要低于油箱底面。 为确保液压 系统 的清洁度 ，在 出厂试验完成 后 ， 用清洗机过滤液压油 ， 并清洗滤网。 5 结束语 在进行拖泵液压系统 的设计 时， 具体采用哪种 方式 ， 可根据以上所介绍的各种结构的优缺点和所 1 ． 回油滤网2 ． 电磁换向阀3 ． 电液换向阀4 ． 高低压切换 阀 5 、 6 ． 主泵送液压缸 图 8 采用插装 阀的高低压切换回路 一 6 0一 的产品的定位来确定。 参考文献 ⋯ 1 胡军， 王华兵． 混凝土输送泵高低压泵送转换 的自动实现[ J ] ． 液压与气动， 2 o 0 2 6 3 3 3 8 ． 【 2 】 支开印混 凝土输送泵高低压切换阀 中国， 2 0 0 6 2 0 0 8 0 0 3 5 ． 1 旧． 2 0 0 7 - 0 8 - 2 9 ． 通信地址山东省临沂市经济开发区临工工业园 研发中心【 2 7 6 0 2 3 收稿 日期 2 0 0 9 0 6 2 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m