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挖掘机正流量控制液压 系统浅析 李合永， 郇庆祥 山东中7 i I 液压有限公司 摘要 针对 目前公司开发投产的挖掘机正流量液压系统产品 ●液压元件结构特点， 阐述正、 负流量液压系统控制原理与优缺点， 分 以及功率、 流量、 压力变量特性， 指出了正流量液压系统的推广应用 、．◆ ．．◆．．◆． ．◆．◆． ．◆．◆．．◆．◆． ◆．◆‘◆． ◆‘◆．◆。◆．◆．◆．． 关键词 挖掘机； 液压系统； 正流量； 负流量 ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ 、 ，概述正、 负流量液压系统中核心 ； 析了正流量液压系统的性能优势 ● 前景。 ．．．．◆．◆．◆．◆．．．◆．．．◆． ， 目前 国内中高档挖掘机液压元件被 国外全面 垄断控制 ， 国外进口液压件价格昂贵， 因受消费能 力的影响进入 国内市场 的主流液压件技术相对落 后，致使国内挖掘机液压系统的发展也相对落后。 为打破这种技术垄断 ，激活国内高端液压件市场 ， 促进重大装备技术领域如军工、 航空航 天等领域 的 发展 ， 这就需要开发出价格便宜 、 技术先进 、 拥有 自 主知识产权的高端液压件。 液压系统的流量实时匹配方式是液压挖掘机 的核心技术之一。 目前 ， 国内主流挖掘机普遍采用 负流量液压系统 。负流量系统能够实现液压系统流 量的动态 匹配 ， 但同时存在 响应时间长 、 流量波动 大 、 可操作性差等缺点 。 山东中川液压有限公司经过 技术攻关 ， 在国内率先研制成功液压挖掘机正流量 控制系统。本文在与负流量系统对 比的基础上 ， 对 正流量液压系统作介绍。 1 正、 负流量液压系统组成及工作原理 在挖掘机上 ， 各执行元件的速度会随操作手柄 行程的变化而变化， 液压系统会根据这种变化对液 压泵排量进行控制。 负流量液压系统 手柄行程越小 ， 对应 的二次 先导压力也会越小 ， 由二次先导压力控制的主阀芯 的开启度也会越小， 与之对应多路阀分向执行元件 的油液越少 ， 执行元件 的速度就会越慢 ， 通过换 向 阀中位流经负压信号发生装置的油液就越多， 负压 信号的压力值就会越大。液压泵根据负压信号的压 力值的大小来对其排量进行控制 ， 其系统结构框 图 如 图 1所示 图 1 负流量液压 系统结构框图 作者简介 李合永 1 9 8 2 一 ， 男， 山东沂南人， 工程师， 研究方向 挖掘机液压系统元件的开发与研究。 一 3 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 正流量液压系统在正流量 的主控制阀上没有 负压信号发生装置，它的信号采集于先导压力， 主 泵的排量与先导操作手柄输出的信号压力成正比。 主控制器根据先导压力信号及其变化趋势判断执 行器的流量需求及其变化趋势， 并据此对主泵排量 实施调节， 以使系统的流量供应能够动态跟随执行 元件 的流量需求 ， 实现 系统 流量 的实时匹配 ， 达 到 “ 所得即所需” ， 其系统结构框 图如 图 2所示 。 图 2 正流量液压系统结构框图 正流量液压系统 的工作原理如图 3所示 ， 对于 正流量液压控制系统， 在每个执行动作的先导油路 上安装了压力传感器。控制器根据先导压力信号的 叠加值及其变化趋势判断执行器的流量需求及其 铲 斗液压 缸 动臂 液压缸 变化趋势， 并据此精确控制泵的排量； 同时， 通过检 测主泵 出口表征负载的压力 ， 根据泵的p - Q曲线得 到液压泵的另一排量值 ， 根据此两排量值来实施调 节油泵的排 ， 以使 系统的流量供应能够动态跟随 斗杆液压缸 图3 正流量液压系统的工作原理 一 3 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 执行元件的流量需求 ， 实现系统流量的实时匹配。 手柄及踏板的先导压力信号同时发送到液压 泵和主控阀， 主控 阀的动作和液压泵的动作可以同 步进行 ， 因而具有良好的操作性。 对串联双泵来说， 在总功率不超过发动机输出 功率的前提下， 根据典型工况， 合理分配两泵功率。 根据需要独立调节供给各工作机构的流量 ， 避免双 泵同步调节的流量浪费。例如平整土方时斗杆动作 较快 ， 动臂较慢的工况 ， 则相应增大斗杆泵 的排量 而减小动臂泵的排量 。 在满足流量需求的前提下 ， 当系统不需要高功 率时， 柴油机能 自 动降低转速， 节省燃油消耗。同时 系统具有压力切 断功能 ， 通过控制器设 置两个泵 的 可变压力切断值 ， 使系统压力控制在设定 的切断压 力值 以下 ， 减少溢流阀的泄油损失。 功率极限载荷控制， 控制器实时计算外负载的 功率需求，在线识别当前作业模式和工作参数， 根 据用户 的速度要求和工作状况 ， 实现动力系统功率 自适应 控制 ， 有效地利用发动机 的输 出， 以提高燃 油使用率 ， 控制原理流程如图 4 。 j 一 弓 了 攥 柴油机 图 4 控制原理流程图 同时正流量控制系统 中， 不存在负流量 中的负 压信号， 它的回油压力仅仅是背压 一般在 0 ．5 M P a 左右 ， 这就减少了一个不必要的功率损失 。由于以 上原因， 从而使得正流量挖掘机在完成同样工作量 的情况下， 比负流量控制的挖掘机省油。 同时泵调节器上附有应急电液控转换阀 ， 当电 控系统发生故 障时 ，将转换阀转换到液控状态 ， 即 可改变功率的设定值 。 此时压力 p ， 动力换档压力 等 于3 ．9 M P a ，经过内部通路传递到各液压泵调节器的 功率调节机构， 各 自的功率设定值将发生变化。同 时泵排量将放置最大。当有动作时 ， 泵可以进行交 叉恒功率控制 ， 挖掘机可正常工作 ， 泵控制 曲线见 图 5 。 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 k g g c m 输出压力 ／ MP a 2 0 0 1 0 0 6 0 0 8 0 0电流值 m A 1 ． 正流量 曲线2 ． 交叉恒功率 曲线 电控状态下 3 ． 交叉恒功率 曲线 液控状态下 图 5 泵控制曲线 正流量控制系统采用 自主研 发的新 型控制器 对整机进行电气 一液压控制 ， 通过发动机油门位置 反馈、 发动机转速监控、 功率极限调节等电控手段 和主泵正流量控制 、 直线行走比例控制、 回转优先 一 3 8一 比例控制 、 铲斗合流 比例控制等液控手段 ， 使发动 机功率与液压泵功率实时匹配 ， 实现主机输出功率 与外负载的计算机动态跟随控制 ， 达到挖掘机与外 负载作业系统的最优控制， 实现挖掘机动力性和经 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 济性的完美结合。 2 正 、 负流量液压系统中核心液压元件性能 特点 开发 出适用于智能化控制系统 的液压 主件 ， 先 进、 优质、 可靠的液压主件是实现电子 一 液压技术 相结合 的关键。在原有负流量系统基础上对正流量 挖掘机液压系统的配套液压件进行二次开发 。 图 6所示为正流量液压系统 中核心元件 电 比 例泵 ， 该泵可实现交叉恒功率控制和电比例控制两 大功能， 具有结构简单、 响应速度快、 可靠性高的特 点。通过电比例控制可实现单泵自由控制， 合理地 分配发动机的功率 ， 降低油耗。该泵还可实现系统 图 6 电比例泵外形 图 电子压力切断功能 ， 有效降低 能量消耗 。同时该泵 带有电液转换阀， 可转换到液控位， 实现液压控制， 进一步提高了正流量系统的可靠性 ， 其工作原理如 图 7所示。 图 7 电比例 泵工作原理图 电比例泵与负流量泵相 比， 优化了液压泵 的调 节机构、 取消了转矩阀、 负流量控制机构等。 正流量多路阀 图 8 是针对正流量控制液压系 统设计的阀。主控阀的不断改进 ， 使主控阀对液压 油的分配更加合理。主要性能特点 合流 动臂提 升、 斗杆展 、 再生 动臂下降、 斗杆收 、 回转优先、 直线行走； 留有备用阀， 可选择安装破碎锤、 液压剪 等附件 ， 实现一机多能 ； 二位三通电磁换向阀能实 图8正流 量多 路阀外形图 一 3 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 正、 负流量液压系统性能测试 比较 测试是液压技术的灵魂 ， 测试是最重要 的研发 手段 ， 是改进的开始和终结。要创新 ， 离不开测试 ， 要想制造出高水平的液压系统， 就必须进行大量的 性能测试 。液压元件是系统的基础， 为此 ， 对液压元 件进行了型式测试 超速性能、 超载性能、 噪声、 高 低温性能、 抗冲击性能、 密封性能、 响应特性、 优先 特性、 合流与再生特性等 ， 出厂试验 效率试验、 变 量特性试验、 渗漏试验与补油性能等 。图 1 O 所示 - - - 4 0-- 为在试验 台上进行出厂试验时泵功率曲线的调试 结果 。同时对正 、 负流量液压系统也进行了多次的 搭机试验 以及长时间的工业性考核 ，图 1 1 所示为 挖掘机液压系统性能考核现场。 通过对表 1的测试结果进行分析 ， 在相同的工 况下 ， 对 比负流量控制 系统 ， 正流量 电控液压系统 综合生产效率提高6 ％， 平均油耗降低 8 ％。 图 1 2 ～ 图 1 4为搭机测试中各执行机构动作时 执行液压元件以及前 、后泵压力流量变化曲线图。 通过测试 曲线进行正流量液压系统 的性能调试 ， 使 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 正、 负流量液压系统搭机测试对比数据表 液压系统 时间 ／ mi n 油耗 信 土方量 ／ 斗 平均油耗 ／ d斗 生产率 ／ 斗 ／ } 1 负流量系统 l 9 ． 6 8 6 4 2 0 6 7 9 5 ． 8 2 2 0 1 正流量系统 2 0 ． 0 6 6 2 6 0 7 1 8 8 ． 1 7 2 l 3 数据对 比 一 8 ％ 6 ％ j 删 皿 吲 媛 乒暴 星 l _二 I 吖l _ ⋯ ⋯ _ ‘ 呐Iu 枣 泵 流 量 t I 嘛 前 泵 压 力 { ■ 。一 { 1 』 { f V ～ 厂 、 ， 、 后 泵 压 力 一 l 臣 绡 什 胜 臆 刃 l _ O 时间， s 图 1 2动臂上升下降压力流量 曲线 后泵 流量 泵 样睦压力 { 腔压力 1 O 1 5 时 间／ s 图 1 3 铲斗挖掘打开压力流量 曲线 前泵流量 前泵压力 后泵流量 -． 马达进油口压力 话泵 压力 马 达 _出 油口 压 1 0 1 5 2 O 时 间， s 图 1 4 回转压力流量曲线 各种工况下挖掘机复合动作更加协调合理。经过多 次试验调试 ， 无论从试验测试数据上 ， 还是从操作 经验丰富的挖掘机操作人员的感觉上 ， 正流量液压 一 42一 系统 的操作舒适性和动作平稳性都明显 比负流量 系统要高。 历经十个月 的研发改进， 多次的搭机性能试 舳 ∞ ∞ 加 ∞ ∞ ∞ 们 加 i ● ● ● t ■ ● ● t ● T ‘ l ● ● ● ● T ■ ● ● ● ， ， t ● I l ● ● ● t T ■ ， ● ● t l ∞ ∞ ∞ 0 ∞ 3 2 l l n 【／ R 一 谜 ∞ 舳 ∞ ∞ 2 l 1 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ O J 2 2 1 1 趟 ● ● 讧 0 ● 眦 2 1 1 一 Ⅲ ／ 一＼ 删 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 验 ，正 流量液压 系统实现 了电控液压 系统与发动 机、 工作装置一体化的有机结合， 取得了突破性的 成果。 4 结论 经过搭机测试 ， 正流量系统挖掘机 比负流量系 统挖掘机综合性能指标显著提高， 操作舒适性和动 作平稳性也有较大提高。而其成本与负流量挖掘机 基本持平， 具有较高的性价比。挖掘机液压系统采 用其配套， 将具有显著地经济效益和社会效益。 高效、 节能、 环保 、 操作舒适性、 高可靠性是产 品开发 的 目标 ， 也是客户的基本要求 。正流量控制 液压系统的研发成功 ， 将推动 国内挖掘机液压技术 的快速发展， 逐渐打破国外对我国高端液压元件的 垄断， 从而打破依赖进 口的被动局面 ， 使我国的液 压技术尽快与 国际先进技术相接轨。 参考文献 【 1 ]1 伏志和． 当代液压挖掘机功率控制技术的分析【 J 】 ． 工程 机械， 2 0 0 3 ， 3 4 l 一 4 5 ． [ 2 】高峰． 液压挖掘机节能控制[ D ] ． 杭州 浙江大学， 2 0 0 1 ． 【 3 】彭天好， 杨华勇， 傅新． 液压挖掘机全局功率匹配与协调 控制【 J 】 ． 机械工程学报， 2 0 0 1 ， 1 1 5 0 5 3 ． 『 4 ]贾文华， 殷晨波 ， 曹东辉， 等． 挖掘机正流量泵控液压系 统的特性分析 【 J 1 ． 南京工业大学学报 ， 2 0 1 1 ， 1 1 98 -1 01 ． [ 5 1李武， 崔毅 ， 潘国远． 液压挖掘机分工况控制中泵一 发动 机的匹配[ J ] ．装备制造技术， 2 0 0 8 ， 8 9 - 1 2 ． 通信地址山东省青岛经济技术开发区前湾港路 5 7 9号山海 花园实验研发楼 3 - 3 0 2 山东中川液压有限公司青岛研发中 心 2 6 6 5 1 0 收稿 日期 2 0 1 2 1 0 1 5 负载反馈型比例 多路 阀阀芯改进措施 邓江涛， 杨发虎 ， 石迁 重庆迪马工业有限责任公司研究院 摘要 负载反馈型比例多路阀在工程机械上得到大量应用， 但其品牌繁多， 良 莠不齐， 致使 l 液压系统发热和影响机械结构运行平稳性等故障现象发生。探其原因， 发现是阀芯按普通的比 ； 例阀阀芯四通对称阀芯设计所致。提出阀芯改进的措施 细分阀芯类型， 供不同的液压系统 选型。改进措施在压缩式垃圾车产品上得到了很好的验证。 关键词 对称阀芯 ； 非对称 阀芯 ； 节流 ； 压力损失 负载反馈 型 比例 多路 阀具有便 于调节机械结 构 的运动速度 、 有大量插件可供选用 、 应用简单等 优点 ， 在工程机械上得到大量应用 。负载反馈型 比 例多路阀品牌繁多 ， 选择余地大 ， 但也会 由此增加 液压系统的不确定性。液压设计者须深入分析此比 例多路 阀阀芯结构 ，不能按单一的阀芯进行设计 ， 需根据不同的液压系统选择不同的阀芯， 提出相应 的阀芯改进要求， 从而避免比例多路阀给液压系统 带来 的不确定性 。 1 问题分析 某品牌的负载反馈 型 比例多路 阀曾导致我公 司的压缩式垃圾车出现液压油路发热[ 1 ] 与高空作业 车中臂、 下臂非平稳下行翻 等问题出现， 分析原因后 认 为是 比例 多 路 阀应用 了普 通 比例 阀 的阀芯 结 构四通对称阀芯所致。而负载反馈型比例多路 阀的阀芯应在四通对称阀芯的基础上改进， 才能更 大限度地降低 A腔 ／ B腔到 T腔油路的压力损失 作者简介 邓江涛 1 9 7 5 一 ， 男， 四川邻水人 ， 工程师， 研究方向 工程车辆液压系统设计。 - 43--- 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m