K3V 系列液压泵的结构与控制原理

挖掘机技术K3V系列液压泵的结构与控制原理摘要以K3V63DT-1QOR-HNOV液压泵为例介绍K3V系列液压泵的结构及控制变量原理，该液压泵由主泵、先导泵、泵调节器和转矩控制电磁阀组成，可实现总功率控制、负流量控制和功率转换控制的功能。总功率控制可实现执行机构的轻载高速、重载低速动作，既能保证液压泵充分利用发动机功率又能防止发动机过载；负流量控制可最大限度地减小溢流功率损失和系统发热；功率转换控制功能，可根据负载情况改变输入电流大小，调整液压泵的输出功率，提高工作效率，节省发动机功率。K3V系列液压泵以其高功率密度、高效率以及多样的变量方式广泛用于液压挖掘机上，它的变量方式包括恒功率控制、总功率控制、正负流量控制、功率转换控制和负荷传感控制等。现以柳工液压挖掘机所采用的K3V63DT-1QOR-HNOV型液压泵为例来介绍其结构及控制变量的形式，该液压泵可实现总功率控制、负流量控制及功率转换控制，可以很好地利用发动机功率，满足用户的需求，其液压原理如图1所示。一、K3V63DT-1QOR-HNOV型液压泵结构如图1所示，该液压泵由主泵（斜盘式双泵串列柱塞泵）、先导泵（齿轮泵）、泵1调节器、泵2调节器和转矩控制电磁阀等组成。主泵用于向各工作装置执行机构供油，先导泵用于先导控制油路，泵调节器根据各种指令信号控制主泵排量，以适应发动机功率和操作者的要求，其中转矩控制电磁阀位于泵2调节器上。泵调节器原理以泵1调节器为例，如图2所示。泵调节器主要由补偿柱塞、功率弹簧、功率设定柱塞、伺服阀、反馈杆、伺服柱塞、先导弹簧及先导柱塞组成。K3V63DT-1QOR-HNOV型液压泵中两个串联的柱塞泵是完全相同的，调节器中补偿柱塞被设计成3段直径不同的台阶，3个台阶分别与两柱塞泵和转矩控制电磁阀连接，这样当任何一个台阶上所承受的压力变化时，都会引起柱塞泵排量的变化。伺服阀同时受到负流量控制中先导压力的控制，先导压力pi1（pi2）的变化通过先导柱塞、先导弹簧作用于伺服阀上，伺服阀与伺服柱塞相连，伺服柱塞带动柱塞泵斜盘的倾斜角度来改变柱塞泵的排量。泵调节器的反馈杆与伺服柱塞连接并可绕其连接点转动。柱塞泵的液压油经以下3路进入泵调节器：一路液压油通过AB进入伺服柱塞小腔，使伺服柱塞小腔常通高压，推动斜盘使柱塞泵保持在大排量；一路液压油通过CD进入伺服阀，通过伺服阀的工作位置来改变柱塞泵的排量；一路柱塞泵1和柱塞泵2的液压油分别作用在补偿柱塞的台阶E、F上，对液压泵进行功率控制。二、泵调节器的控制功能泵调节器具有总功率控制、负流量控制和功率转换控制功能，下面以泵1调节器为例分别介绍。2.1总功率控制当发动机转速一定时，液压泵的功率也是恒定的。当自身泵的输出压力p1或对偶泵的输出压力p2升高时，泵调节器自动调节使斜盘倾角减小，即减小泵的排量，使液压泵的功率保持在一定的范围之内。当挖掘机的工作负荷较小，液压泵的功率不超过发动机的输出功率时，柱塞泵以最大排量工作，保证小负荷快速作业；当液压泵的功率欲超过发动机的输出功率时，为了不使发动机过载，一定要调节柱塞泵的排量使之减小，其调节原理如图3所示。功率控制是由补偿柱塞完成的，在补偿柱塞E/F台阶圆环面积上，作用着柱塞泵的压力p1和p2。随着两泵出口负载的增大，作用在补偿柱塞上的压力之和（p1+p2）达到设定变量压力后，克服功率弹簧的弹簧力使伺服阀芯向右移动，伺服阀左位工作，连接至伺服阀的压力油CD进入伺服柱塞大端，因为伺服柱塞大、小端直径不同，存在一个面积差，从而产生压力差推动伺服柱塞向右移动，伺服柱塞带动柱塞泵的斜盘倾角减小，使柱塞泵向小排量变化，液压泵功率也随之减小，从而防止发动机过载。在排量减小的同时，伺服柱塞同时带动反馈杆逆时针转动，反馈杆带动伺服阀芯向左移动令伺服阀关闭，伺服柱塞大腔进油的通道关闭，调节完成，柱塞泵停止变量。当柱塞泵压力p1或p2下降时，即工作负载减小时，功率弹簧的弹簧力推动补偿柱塞向左移动，同时带动伺服阀芯向左移动，伺服阀右位工作，伺服柱塞大端通油箱，压力减小，伺服柱塞向左移动，带动柱塞泵的斜盘倾角增大，使柱塞泵排量增大，加快作业速度。伺服柱塞同时带动反馈杆顺时针转动，反馈杆带动伺服阀芯向右移动令伺服阀关闭，调节完成，柱塞泵停止变量。在双泵串联系统中，泵调节器是根据两泵负载压力之和（p1+p2），控制斜盘倾角使两泵的排量q保持一致，总功率控制表达式如下：所以不论两泵的负载压力p1、p2如何变化，都能使两泵的总功率保持恒定。通过总功率控制，可实现执行机构的轻载高速、重载低速动作，既能保证液压泵充分利用发动机输出功率又能防止发动机过载。但由于泵调节器同时调节两泵排量，使两泵输出流量相同，当液压挖掘机做单一动作时，其中一个泵就会输出多余的流量，因此将总功率控制与负流量控制联合起来可以减小总功率控制的弊端。K3V63DT-1QOR-HNOV型液压泵带有负流量控制功能。如图4所示，当挖掘机处于非工作状态时，多路阀中位卸荷回油，液压泵输出的液压油全部通过多路阀底部的负流量控制阀中节流阀回油箱，故在节流阀前端会产生一个先导压力pi1（pi2）反馈到泵调节器上。先导压力作用于先导柱塞上，先导柱塞克服先导弹簧的弹力推动伺服阀芯向右移动，伺服阀左位工作，伺服柱塞大腔进油，伺服柱塞向右移动，带动柱塞泵的斜盘倾角减小，柱塞泵的排量也随之减小，实现液压泵卸荷。2.2负流量控制一旦操纵液压挖掘机控制手柄使其处于作业状态，多路阀中至少有一组阀换向处于工作状态，此时多路阀中位卸荷油路被切断，负流量控制阀中节流阀前的先导压力直降为零，先导柱塞在先导弹簧力的作用下向左移动，带动伺服阀芯也向左移动，伺服阀右位工作，伺服柱塞大腔通油箱，这时伺服柱塞在小腔液压油的作用下向左移动，带动柱塞泵的斜盘倾角增大，使柱塞泵的排量增大以满足工作要求。随着先导压力的变化，液压泵的流量也随之变化，液压泵的流量随先导压力的增大而减小，实现了负流量控制，其控制原理如图5所示。这样液压泵只需供给执行机构工作所需要的液压油，避免了传统液压挖掘机靠溢流阀控制溢流，最大限度地减小溢流功率损失和系统发热。2.3功率转换控制功率转换控制主要是靠转矩控制电磁阀来完成的，其内部是电磁比例减压阀。液压泵输出功率的大小是通过改变进入电磁比例减压阀的电流大小来完成的，经过电磁比例减压阀的功率转换压力pf作用于补偿柱塞的台阶G和功率设定柱塞上，如图6所示。在此说明，功率转换压力pf从转矩控制电磁阀pz3口经pz1与pz2的连接油路作用于功率设定柱塞上，而作用于补偿柱塞台阶G上的功率转换压力pf是经泵调节器内部油路而来的，可参考图1。补偿柱塞所受的向右方向的力是作用于补偿柱塞3个台阶面积A1、A2、A3的液压力之和，向左方向的力是功率弹簧力和功率设定柱塞面积A4的液压力之和，则补偿柱塞的受力平衡方程为：式中：k———弹簧刚度系数；x0———弹簧的预压缩量。如果改变电磁比例减压阀的功率转换压力pf，就可改变平衡方程的平衡点，使补偿柱塞开始移动时的柱塞泵压力p1、p2发生变化，即液压泵输出功率的设定值发生改变。在正常工作情况下，转矩控制电磁阀输出压力为零，在补偿柱塞的右端仅有功率弹簧的弹力，左端仅有柱塞泵的压力p1和p2，防止发动机过载的功率控制如2.1节所述。为实现更高作业速度的要求，使液压泵的吸收功率接近发动机的额定输出功率，此时电磁比例减压阀输出一定的功率转换压力pf，如图6所示。由于A4＞A3，所以随着功率转换压力pf的升高，补偿柱塞所受向左方向的力增加，补偿柱塞左移，这将会使柱塞泵的排量增大，加快工作速度。同时在防止发动机过载的功率控制时，柱塞泵的压力之和（p1+p2）必须大于正常情况下的压力才能实现泵排量减小的调节，泵排量调节原理不变。功率转换控制原理如图7所示。因此，在实际工作中可根据负载情况改变输入电流大小，从而改变功率转换压力pf，调整液压泵输出功率的大小，可以提高工作效率，节约发动机功率。本文主要针对K3V63DT-1QOR-HNOV型液压泵的结构及控制原理对K3V系列液压泵的控制方式进行了分析与研究。此外K3V系列液压泵还具有最大流量切断控制、高压切断控制、变功率控制等功能，正因为其多样的控制变量方式，K3V系列液压泵广泛地用于液压挖掘机上，同时它所具有的功能为以后液压挖掘机的设计研究提供了一定的依据。三、总结