挖掘机液压系统总结

iHydrostaticsiHydrostatics,PowerfulEngineinYourHydrostatics目录1.挖掘机液压系统形式....................................................................................22.挖掘机液压系统发展历程............................................................................62.1定/变量泵简单节流控制系统.................................................................72.2四通开中心式负载敏感控制系统..........................................................82.3四通闭中心式负载敏感控制系统........................................................122.4抗流量饱和的同步操作系统(分流比负载敏感系统)..........................152.5双泵负流量系统...................................................................................252.6双泵正流量系统...................................................................................283.挖掘机液压系统功率控制..........................................................................323.1分功率控制...........................................................................................323.2全功率控制...........................................................................................333.3交叉功率控制.......................................................................................34挖掘机液压系统总结iHydrostaticsiHydrostatics,PowerfulEngineinYourHydrostatics1.挖掘机液压系统形式在液压挖掘机的发展过程中，液压系统的形式和种类很多，可以从不同的角度进行分类。按油液的循环情况可分为开式系统和闭式系统；从多路阀的形式可分开中心系统和闭中心系统；从泵的形式来看有定量泵系统和变量泵系统。开式系统是指液压泵从油箱吸油，油经各种控制阀后，驱动液压执行元件，回油再经过换向阀回油箱。开式系统优点：1)液压系统结构较为简单；2)可以发挥油箱的散热、沉淀杂质作用。开式系统缺点：1)油液常与空气接触，使空气易于渗入系统，导致机构运动不平稳；2)吸油管路管径大而短；3)转速受吸油压力限制；4)方向阀通径的大小由系统流量决定；5)过滤器/冷却器的尺寸大小由系统流量决定(对于较大功率的系统采用单独旁路节流过滤/冷却的形式)；6)系统油箱大；7)泵的安装位置需要考虑其对吸油压力的影响；8)负载的平衡靠回油路上的背压或平衡阀来实现。但是开式系统由于能够满足挖掘机多负载驱动的要求而得到广泛的应用。闭式系统是指液压泵的进油管直接与执行元件的回油管相连，工作液体在系统的管路中进行封闭循环。闭式系统优点：1)结构紧凑，油箱小；2)与空气接触机会少，空气不易渗入系统，传动较平稳；3)可采用高转速泵，故可相对减小泵体积；4)没有控制阀，由泵确定流量和流向；5)没有制动阀；6)工作机构的变速和换向靠调节泵或马达的变量机构实现，避免了开式系统换向过程中所出现的液压冲击和能量损失。闭式系统缺点：1)较开式系统复杂，因无油箱，油液的散热和过滤条件较差；2)为补偿系统中的泄漏，通常需要一个小流量的补油泵和油箱；3)只能同时实现与安装油泵数量一样多的动作；4)空行程速度只能通过使用较大排量的油泵或变量马达来提高。开中心系统是指当换向阀阀杆在中位时，液压泵排出的液压油通过换向阀的中位油道直接流回油箱。当阀杆换向时，中位油道开始关闭，工作油道的压力逐渐升高，直到克服负载压力，驱动执行器动作，工作原理如图1所示。开中心系统通常采用三位六通多路阀，采用回油节流和进油节流的组合，通过控制多路阀的开口量，来分配流向执行机构和油箱的流量。闭中心系统是指当换向阀阀杆在中位时，液压泵只提供系统最大压力下的内部泄漏所需的流量。当阀杆换向时，液压泵只提供系统所需的流量，消除了开中心系统所固有的旁路回油损失，工作原理如图2所示。闭中心系统通常采用三位四通多路阀，通过一个液压泵同时供给所有的执行器，每一个执行器的动作速度只与换向阀的阀杆行程有关，与iHydrostaticsiHydrostatics,PowerfulEngineinYourHydrostatics负载和液压泵的流量无关，多个执行器同时动作时，动作相互无干扰。图1开中心系统工作原理图2闭中心系统工作原理开中心系统与闭中心系统的对比分析：1)调速性能开中心执行器起动点（阀的死区）随负载和泵流量而变；调速区域随负载和泵流量而变，重负载调速区域小，流量调整行程小；有负载漂移现象，即操纵杆位置不变，随负载改变，执行器速度发生变化；微调和精细作业困难，调速性能差。闭中心执行器的速度只与该操纵阀杆的行程有关，与负载压力和油泵流量无关，无负载漂移现象。还可以采用改变补偿压差的方法获得很好的微调功能，调速性能很好。2)执行器同时动作的复合操作性能开中心由于负载干涉，司机难以恰当地控制去各执行器的流量，很难相互配合实现所要求的复合动作。为了运动上独立，需要单独一个泵供一个执行器。闭中心无负载干涉现象，同时动作时各执行器的运动速度只与其阀杆行程有关，司机易按自己的愿望来控制其复合动作，单泵供多个执行器仍能保持各执行器运动的独立性，当流量饱和时，各执行器的速度按其行程等比例地下降，这样仍保持原来的运动关系。3)各阀杆供油流量选择自由度开中心各阀杆最大流量由泵流量所确定不能选择，但各执行器需要的流量往往是不同的，油缸伸出和缩回所需流量往往也是不同的。在作业过程不同工况，执行器对油泵流量需要不同时，只能采用泵分流或合流有级设定。还要用通断型阀来改变供油关系，采用节流孔和节流阀来改变各路的供油量，但仍不能满足挖掘机各工况对执行器的流量要求。iHydrostaticsiHydrostatics,PowerfulEngineinYourHydrostatics闭中心对任一执行器均能通过阀杆行程按需限制最大流量，设定适宜的最高速度，可以通过操纵阀杆行程获得低于最高速度的任意速度。另外，挖掘机是多功能的机械，可安装不同的附属装置，但多种多样的附属装置要求不同的流量。对开中心来说，阀系统无法设定其流量；对闭中心来说，同一阀杆只需调整其行程，就能改变流量来适合各种附属装置的流量需要。4)节能和生产率节能不仅涉及使用成本、经济性，还涉及能耗和排放的环境问题，反映作业效率的生产率也非常重要。有人认为采用负载敏感压力补偿系统进行流量控制，需要一定补偿压差，会造成能量损失，因此认为闭中心能量损失大，实际上这观点是不对的。因为开中心旁通回油形式通过阀体节流必然有液阻和能量损失，两者从阀的角度来看是差不多的。通过阀的损失主要由阀的尺寸选择和设计技术所决定。必须指出分析阀和液压系统的能耗不能单纯从阀和液压系统来看，要从人机系统组合总的效果来看。闭中心由于操纵性好，容易实现理想的操作动作，工作效率高，能耗也低。5)动态性能挖掘机工作装置是大质量惯性系统，大容积的执行器要考虑油的体积弹性系数，因此存在动态特性问题。开中心采用旁通节流，响应快，起动平稳，而且系统稳定不易振动，从这一点来说，其操作感觉好，而闭中心系统靠压力补偿改变流量，使执行器速度变化。当遇到大惯性负载时会产生压力变化快流量跟不上现象，使压力补偿阀不能按正确补偿压力调整，产生过度和不足调整。泵和多路操纵阀之间连接管道较长时，会引起压力传递滞后，因此闭中心易产生响应慢、操纵控制不稳定等问题。这是初期闭中心存在的缺点，但经过实际使用和不断改进，这些问题基本上得到解决，通过适当调整压力补偿程度可以得到完全补偿特性，接近开中心的特性或介于两者之间的中间特性。综上所述，可得出以下结论：闭中心负载敏感压力补偿是为了使液压系统能更好地符合挖掘机复杂工况而开发出来的新型的液压系统，从工作原理上来看，其供油和调速方式理想合理，能更好地符合挖掘机作业要求。作为多路阀液压系统，主要性能是操纵性，所谓操纵性就是能否按司机的愿望，很自在地控制作业装置的运动。开中心不能实现理想的iHydrostaticsiHydrostatics,PowerfulEngineinYourHydrostatics操作动作，必然产生不正确和无谓的浪费动作，必然加重司机的生理和心理负担。装有开中心系统的挖掘机只能看成是一台粗糙的机械，不要说生手，就是熟练司机也很难驾驭。必然作业效率低和油耗高，这就是为什么很多挖掘机厂家过去采用开中心现改为闭中心的原因。定量泵系统仍在小型液压挖掘机上应用。机重13吨左右的挖掘机，采用定量系统约为50%，此系统多用外啮合齿轮泵，系统工作压力为16Mpa左右，国外也有的采用双作用叶片泵作为动力元件。定量系统在中小型挖掘机上应用的主要原因是:1)定量泵结构简单，价格低廉，工作可靠;2)由于液压泵经常在非满载荷下工作，泵的寿命比变量泵长;3)由于流量固定，执行元件的速度也稳定，工作装置的轨迹比较容易控制，因此开挖面较好。在定量系统中，由于流量固定，不能在负荷发生变化时使流量作相应的变化，负荷较小时不能提高作业速度，功率得不到充分利用。为了满足作业需求，定量系统的发动机要根据最大外负荷和作用速度来确定。一般情况下，单泵定量系统的平均负荷为最大负荷的60%左右，所以该系统的发动机功率平均只利用了约60%左右。单斗液压挖掘机各个机构的运动因作业要求需要变速，为了获得不同的速度，经常依靠阀来进行调速，结果发热量高，浪费严重。变量泵系统于20世纪60年代出现并在欧洲生产的液压挖掘机上开始应用。变量系统保留了传统的系统回路和换向阀，具有随负载的变化而自动改变液压泵排量的特点，自从应用后便迅速取代定量泵，目前大、中型挖掘机液压系统的主油路基本上都采用变量泵供油。为了充分利用柴油机功率而又不会使柴油机过载，大、中型液压挖掘机通常采用恒功率变量泵与定量马达等组成的变量系统，它能随负载变化而自动改变液压泵的排量，使柴油机经常接近于其设计功率工作。随着液压技术的发展，针对挖掘机作业循环中的各种动作，以提高复合动作的准确性为目的，后来的中型吨位挖掘机普遍采用了双泵双回路变量系统。iHydrostaticsiHydrostatics,PowerfulEngineinYourHydrostatics2.挖掘机液压系统发展历程自从第一台液压挖掘机于1950年诞生于意大利北部以来，挖掘机液压系统的发展经历了定量泵开中心式节流控制系统、变量泵开中心式节流控制系统、开中心式负载敏感系统、闭中心式负载敏感系统、抗流量饱和的同步操作系统、负流量系统以及正流量系统这七个阶段，现阶段负载口独立控制系统也开始逐步应用于挖掘机液压系统中。同时应用于挖掘机液压系统的主泵的功率控制方式经历了单泵恒功率控制、双泵分功率控制、双泵总功率控制、交叉传感功率控制以及负反馈交叉传感功率控制这几个阶段。图3归纳了挖掘机液压系统的发展历程及各种控制