挖掘机液压系统开发设计(编辑修改稿)

挖掘机液压系统开发设计(编辑修改稿)内容摘要：

B 的压力油经缓冲阀 3 泄回油箱，低压油路 A 则由补油回路经单向阀 4 进行补油，从而消除了液压冲击。 缓冲阀的调定压力取决于所需要的制动力矩，通常低于系统最高工作压力。 该缓冲回路的特点是溢油和补油分别进行，保持了较低的液压油温度，工作可靠， 但补油量较大。 图 2． 5(b)是高、低压油路之间并联有缓冲阀，每一缓冲阀的高压油口与另一缓冲阀的低压油口相通。 当转向机构制动、停止或反转青岛大学毕业论文 9 时，高压腔的油经过缓冲阀直接进入低压腔，减小液压冲击。 这种缓冲回路的补油量很少，背压低，工作效率高。 图 2． 5(c)是回转马达油路之间并联有成对的单向阀 5 和 7，回转马达制动或换向时高压腔的油经过单向阀 缓冲阀2 流回油箱，低压腔从油箱经单向阀 6 获得补油。 由此可见，图 b 的缓冲补油效果较好，能较好的起到缓冲的效果，减轻液压冲击，现采取这种回路作为回转回路的缓 冲回路。 1换向阀 3缓冲阀 7单向阀 图 缓冲回路 （ 2） 制动回路 采用机械制动和液压制动结合的方式对回转马达进行制动。 挖掘机回转液压制动由回转操纵阀控制，回转操纵阀回中位回转马达开始制动 ,回转制动力矩由缓冲阀调定。 但马达液压制动不能长久保持 ,为了在倾斜地防止重力回转和因风力等其它原因自行回转 ,使制动长久保持、可靠 ,还需设机械式制动器。 机械式制动器一般是弹簧力上闸 ,液压松闸 ， 制动型式采用常闭式制动器。 当回转马达停止供油时，制动油缸的先导压力油回油箱，回转制动器在弹簧的作用下制动。 一旦油泵向马达供油， 从 梭阀引入 的压力油使得制动阀动作， 先导压力油进入制动油缸，压缩弹簧，制动解除。 为了防止机械制动器弹簧上闸制动过猛 ,减轻制动时齿圈、齿轮之间的冲击 ,要求液压马达制动以后机械制动器才开始起作用。 因此 ,要求弹簧上闸时制动器油缸延迟回油 ,使机械制动器延时结合。 制动器油缸延迟回油控制有 三 种方式 ： 1） 液压控制 回转操纵杆回到中位 ,通过液压延时器约经过 4s 后 ,制动油 缸才 在 弹簧 力作用下 上闸制动。 回转操纵阀一般采用先导油压力控 制 ， 回转操纵阀回中位 ,先导压力 Pp 消失 ,制动阀在弹簧作用下 回位 ,制动油缸回油， 制动器在弹簧力作用下制动。 制动器油缸延迟回油有两种形式①通过节流孔回油 ,起阻尼作用 ,如图 （ a） 所示②通过流量阀回油 ,使制动器回油流量基本保持一恒定值 ,如图（ b） 所示 （ ACT 采用 ）。 青岛大学毕业论文 10 图 制动器油缸延迟回油的形式 2） 电控制 回转制动一般由电磁阀控制 ,通过电磁阀的转换使制动器上闸和松闸。 图 是小松 PC200 型挖掘机回转制动定时原理图。 操纵回转操纵阀，回转先导压力油作用于液压开关，开关处于关闭状态。 此时电流流入回转制动电磁阀，电磁阀左位工作，来自 控制泵的压力油通过电磁 阀流入回转制动器的压力腔，制动解除。 回转操纵阀回中位时，作用于液压开关上的先导压力消失，开关处于断开位置。 这样，流入定时器内的电流被切断， 由于定时器的存在回路中仍有电流存在，经 5s 后定时器内的开关断开，流入电磁阀的电流消失，制动油缸在弹簧力作用下动作，对回转马达制动。 1回转操纵阀 2回转制动电磁阀 3定时器 4液压开关 图 回转制动定时系统 3） 微机控制 小松系列挖掘机回转油路制动定时采用微机控制 ,使控制更加精确。 液压挖掘机回转停止时冲击的大小 ,取决于回 转制动力矩和回转体转动惯量的相 对关系，而制动力矩由缓冲阀的调定压力决定。 若回转转动惯量变化大而缓冲阀调定压力不变，则难以满足制动要求。 因此，可使缓冲阀的调定压力随工作装置姿态的变化来调整制动力矩，使制动平稳。 青岛大学毕业论文 11 图 （ a） 是 小松 PC128UU型挖掘机采用电控制器来控制缓冲阀的调定压力的系统图。 工作装置姿态变化信号输人控制器 ,控制器输出电信号来控制电液比例阀 ,从而调定缓冲阀的 调 定压力。 图 （ b） 表示回转制动力矩随着回转半径变化的曲 线。 图 回转制动力可变系统 当回转操纵阀回中位产生液压制动作用 ,挖掘机上部回转体的惯性动能 将转换液压位能 ,接着位能又转换为动能 ,使上部回转体产生反弹运动来回振动 ,使回转齿圈和油马达小齿轮之间产生冲击振动和噪声 ,同时铲斗来回晃动 ,将使铲斗中的土洒落 ,为此在挖掘机回转油路要装设防反弹阀。 防反弹阀系统符号图如图 所示。 防反弹阀由电磁阀和控制滑阀来控制实现其是否起作用。 当回转操纵杆处于中位时 ,电磁阀断电 ,滑阀处于左位接通位置 ,防反弹阀起作用。 当回转操纵杆处于工作位置时 ,电磁阀接通 ,在操纵压力油作用下 ,滑阀处于右位断开位置 ,防反弹阀不起作用。 图 防反弹阀系统原理 （ 3）回转装置的节能 回转装置 动作过程中会有很大的能量损失， 挖掘机回转质量大，工作频繁，用于回转的能量最后几乎全部变成热能，使油压系统温度升高，为了降低油温进行散热，又将引起附加能量的消耗。 因此回转装置 的节能具有相当重要 的 意义。 液压挖掘机回转过程中的能量损失有两个方面的原因 ， 其青岛大学毕业论文 12 一 ,回转马达起动时 ,由于液压泵输出的流量大于马达所需流量而产生的溢流损失 ； 其二 ,制动过程中 ,回转的动能由于未被吸收转换成热能而引起的能量损失。 解决回转能量损失 主要 有以下 两 种途径 ： ①在回转油路中加一蓄能器 ,起动时液压泵提供的多余流量可在蓄能器中储存起来 ,制动 时回转马达变为泵工作状态 ,排出的油进人蓄能器 ,从而实现能量回收。 ②回转单泵系统和次级调节技术 ,这种系统为定量泵和变量马达组成的闭式回路 , 液压泵作为液压系统的初级，液压马达则为次级。 所谓“ 次级调节系统”即为液压马达变量系统。 回转马达起动时 ,为无溢流损失的无级加速过程 ,制动时为动力回收的无级减速过程 ,这就进一步改善了回转特性，减少了起、制动时的能量损失。 次级调节用于机械的回转，除节省能量．减少系统发热以外．操作过程中系统压力变化平稳，没有冲击现象 ，且停位比较准确，便于操作。 小松公司的回转节能液压系统 KHER 为次级调节 ,其结构 如图 所示。 功能是将上体回转的动能制动时储存于蓄能器中 ,在下次回转时利用以达到节能目的。 回转马达 入 口处通过充油阀与蓄能器相连 ,充油阀由压力阀和液控单向阀组成。 1回转油泵 2作用油泵 3支持阀 4操纵阀 5蓄能器 6充油阀 7回转马达、泵 8控制阀 9操纵杆 图 小松 节能液压系统 由于这些 节能 系统过高的成本而使其应用受到限制 ，目前在挖掘机上很少用。 最后得到 回转液压系统如图 所示。 其中梭阀 4 分别接换向阀的两端，当回转液压回路的操纵阀处在中位时，制动 阀在弹簧力作用下处于上位，回转油缸对马达进行制动； 当控制转台回转时，压力油同时作用在梭阀上，进而 使制动阀换向，解除制动。 青岛大学毕业论文 13 1单向阀 2制动阀 3缓冲阀 4梭阀 图 回转 液压 回路 行走液压回路分析 在行走装置液压系统设计中，除与回转机构一样应考虑缓冲、补油外，还应具有限速装置，以控制挖掘机下坡行走时超速发生溜波危险。 图 为博世力士乐挖掘机行走液压系统图。 行走回路中设置了制动油路，制动油缸为常闭式制动器。 当通过脚踏阀控制换向并使 A 口通压力油，此时，压力油一部分通过单向阀进 入行走马达，另一支路油压作用于三位三通的液控换向阀 2 的左端，使阀芯右移，压力油通过阀 2 后作用于制动阀的右端使阀芯左移，通过制动阀，将压力油引入制动液压缸的上腔，从而解除制动。 在此两支路压力油的作用下，行走马达动作。 另外，压力油作用于梭阀 5，将压力油通向调速阀 8，为液压马达的变速作好准备。 变速阀 8 由先导压力控制，先导压力作用于 X 端，当要求变速时，通过控制先导油源的电磁换向阀接通先导压力，从而使变速阀换向，将通过梭阀的 5 的压力油引入变量缸的大腔，调节行走马达的排量，使行走马达高速运转；当变速阀上没有先导压力作用 时，行走马达以较低速度运转。 当行走马达超速运转时，进油供应不足，控制油路压力降低， 平衡阀左移， 回油通道关小或关闭，行走马达减速或制动，这样便保证了挖掘机下坡运行时的安全。 当要求转向时， 单独操作左行走操纵杆，右行走压力补偿阀被关闭；单独操作右行走操纵杆，左行走压力补偿阀 被关闭。 因此，可实现挖掘机的转向操纵。 前面提到挖掘机的直线行走问题很重要，当 挖掘机需要直线行走时，把左行走压力补偿阀与右行走压力补偿阀连通，使左右压力补偿阀受力相等，如果左右滑阀的操作量相等，则通过左右行走滑阀的流量相等，保证挖掘机实现直线行走。 因用于行走马达的换向阀中位机能为 Y 型，所以在中位时， A、 B 两口相通，当因外界原因突然制动时，此时 A、 B 两口均约为回油的低压，那么作用于阀 3 与阀 2 两端的压差为零，制动活塞在弹簧力的作用下动作制动，马达的高、低压油路通过阀 4 的缓冲作用，青岛大学毕业论文 14 从而减轻对行走装置的冲击，保护元件。 1制动阀 2换向阀 3平衡阀 4限压阀 5梭阀 6制动油缸 7马达自动变速先导控制阀 8调速阀 图 力士乐 行走液压回路 小松 PC200 型液压挖掘机的行走控制回路如图 所示。 它的 控制 原理跟上图 基本相同。 青岛大学毕业论文 15 图 小松 PC200 型挖掘机 行走液压回路图 青岛大学毕业论文 16 第三章 挖掘机 节能 控制系统分析 挖掘机功率损失分析 挖掘机工作时，若多路阀开度较大，系统没有过载，在不计沿程阻力的条件下，挖掘机液压系统的最高效率可达 95％以上。 但由于挖掘机负载变化较大，操作状况也千差万别，因此，液压系统的效率变化也非常大。 挖掘机的功率损失主要有以下几种： 1．节流损失。 液压挖掘机多采用六通型多路阀作为换向和流量控制元件，在对流量进行调节的过程中，大量的液压油以旁路节流的形式回油箱，从而造成液压系统的功率损失。 如图 所示 ， 阀口上的功率损失主要包括旁路空流损失和旁路节流损失。 当阀心处于中位时 , A、 B 口关闭 , O 口全开 ,全部液压油通过O 口卸荷回油箱。 由于存在回油背压 (约为 2~3MPa),因此造成旁路空流损失。 对工作装置进行操纵时 ,多路阀 A、 B 口逐渐打开 , O 口逐渐关闭 ,需要利用 O 口的旁路节流作用使系统压力升高 ,以克服负载压力 ,从而造成功率损失。 当系统压力超过负载压力后 ,单向阀打开 ,液压油开始流入工作油缸 ,通过改变 A、 O 口的通流面积比来实现液压缸的速度调节。 直到 O 口全部关闭 ,旁路节流损失才会消失 ,在无溢流的情况下液压系统保 持较高的效率。 图 六通阀变量液压系统等效图 2．溢流损失。 随着负载压力的增加 ,泵输出压力也逐渐增加 ,当超出安全阀设定压力时 ,系统开始溢流。 当工作装置因负载过大而停止动作时 ,如果不采取措施 ,液压泵输出的全部流量都通过溢流阀回油箱 ,此时发动机的输出功率都消耗在溢流阀上变成热能 ,导致油温升高。 除过载产生的溢流损失外 ,系统中还存在其他形式的溢流损失。 例如在挖掘机回转马达中 ,通常都设置 缓冲阀 ,一方面在启动时限制回转压力 ,另一方面在制动时起耗能作用并对马达起到补油作用 ； 回转启动时 ,由于挖掘机上车巨大的转动 惯量 ,回转马达不能完全吸收泵输出的流量 ,多余流量只能通过 缓冲 阀溢流回油箱 ,造成功率损失。 制动时 ,回转多路阀关闭 ,但因上车巨大的的转动惯量 ,使回转马达继续转动 (相当于液压泵 ),排出的液压油经 缓冲 阀到回转马达的另一边 ,因此平衡阀起到溢流阀的作用 , 将上车的动能转化为液压系统的热量而耗散。 3． 沿程功率损失。 液压系统的沿程压力损失所造成的功率损失也是不可小视的。 在泵出口处测得的空流压力 (大约有 2~3MPa)中有很大一部分是沿程压力青岛大学毕业论文 17 损失。 解决的办法是尽量采用大通径液压管路 ,同时合理布置液压管 ,采用阻力小的管接头。 4．动臂下降过程中的势能损失和节流损失。 动臂在举升过程中将液压能转换为势能，在下降时为防止动臂下降过快，通常在动臂油路上装有单向节流阀， ,在动臂下降时起阻尼作用 ,从而将势能转化为热能。 同样 ,斗杆在作类似的操作时 ,也有势能损失的问题。 5．发动机和液压系统功率匹配不好而引起的损失。 由于挖掘机工作负载的多变性，发动机工作点 经常偏离经济工作点 ， 处在 耗油率较高的区域，未充分利用燃油能量，造成浪费。 液压系统节能控制技术 日本日立公司生产的挖掘机 是 电控模式 的 典型代表。 它采用泵阀控制 (PVC)和发动机控制 (EC)2 个微处理控制器。 采用高速开关电磁阀、负载传感控制阀、可变压力补偿阀、比例电磁阀、压差传感器等技术，将负载、速度及工况等信号传递到微处理器，处理后的指令通过控制器输给各控制电机、电磁阀等，对发动机、液压泵和阀进行精确控制，使挖掘机的动作、速度等与工况、负载相适应，实现了挖掘机全部动 作的精确控制及发动机输出功率与负载需求的匹配，能量损失大为减 由于采。