挖掘机液压系统分析

全液压挖掘机液压系统分析冀宏兰州理工大学2013年8月主要内容•液压系统特点•双泵双回路定量泵系统•双泵双回路全功率调节变量泵系统•负载敏感系统•负流量系统•正流量系统•节流控制系统一、液压系统特点（一）液压系统的类型•多采用开式系统。有些回转机构专用一个液压泵单独供油与回转液压马达组成闭式回路。•挖掘机液压系统常按液压泵和回路的数量、变量和功率调节方式来分类。•双泵双回路：要求铲斗缸与斗杆杠同时动作；动臂缸与回转马达同时动作；一个泵供铲斗缸、动臂缸和左行走马达；另一个泵供斗杆杠、回转马达和右行走马达。双泵合流：动臂或斗杆单独动作（二）变量和功率调节方式液压挖掘机常采用恒功率变量泵、负载敏感变量泵等。（三）回路组合和合流方式1.串联油路多路阀内第一联阀的回油为第二联阀的进油，依次直到最后一联。可以实现多个执行机构的复合动作；系统压力高。2.并联油路多路阀内各换向阀进油口与总的压力油相连，各回油口与总回油路相连。几个执行机构可以同时动作；同时换向时，负载小的先动作。3.顺序单动油路进油路串联，回油路并联。只能按顺序动作。4.复合油路合流方式：1）设置专用的合流阀2）换向阀同步动作二、双泵双回路定量泵系统1m3的WY-100型液压挖掘机液压系统。双泵双回路定量泵系统串联油路手控合流。boomarmbucket大臂油缸斗杆油缸铲斗油缸动作特点：复合动作：铲斗缸与斗杆杠同时动作；动臂缸与回转马达同时动作优先动作：回转优先、铲斗优先双泵合流（实现快速运动）：斗杆、动臂缸上行、铲斗缸外伸两泵分别向各自的多路阀供油行走马达可双速调节单向节流阀调节动臂等下落速度，防止超速下落串联式手动多路阀：四联，前联动作优先电磁合流阀:可加快动臂缸、斗杆缸等速度铲斗缸调幅辅助缸动臂缸斗杆杠推土板升降缸右行走马达左行走马达回转马达限速阀：挖掘机下坡时可自动控制行走速度，防止超速溜坡梭阀：当回路压力高于0.8~1.5MPa时，限速阀不起作用，即挖掘作业时不起节流限速作用•多路阀进口有主安全阀；每个连接执行元件的油口均设置安全阀；三、双泵双回路全功率调节变量系统双泵双回路全功率调节变量系统。双联轴向柱塞泵；双向对流油路的三位六通液控多路阀；注：液动换向阀中对中弹簧未画出主泵为恒功率变量控制，带有压力切断功能（恒压控制）。当两泵工作压力之和低于设定压力时，变量泵按全功率调节；当任一泵超载时，高压油打开顺序阀，进入恒压控制调节缸，使液压泵按恒压调节。辅助泵：1.4~3MPa用于先导控制、冷却回路的风扇马达p1p2q1,q2过载补油阀多路阀液动换向，串并联复合油路；中位机能有O型、Y型。多路阀中位：双泵合流回油，泵卸荷挖掘机液压系统执行元件复合动作控制原理简图过载补油压力补偿器（定差减压阀）梭阀组将各执行元件中最高负载压力选出，送入定差减压阀，使得各主阀进油阀口的压差相等。实现单泵、多执行器复合动作。挖掘机复合动作控制系统：负载敏感泵、带压力补偿阀的多路阀构成。可使操作者用最短时间完成挖掘机各种复杂的动作组合，提高作业效率。LINDE负载敏感，阀后补偿，单泵多执行器复合动作。行走马达液压回路常闭式马达制动器斗杆缸油路：两联同时换向，实现双泵合流1）回转马达油路：优先动作2）回转马达：缓冲阀，防止启动和制动开始时的液压冲击动臂缸油路：动臂提升时，两联同时换向、上位工作，实现双泵合流动臂下落时，单独回油，平衡回路平衡阀铲斗缸油路：通过合流导阀，实现大腔合流合流导阀四、负载敏感液压系统具体系统：FR65型液压挖掘机液压系统。•单个负载敏感泵：A10VO轴向柱塞泵（恒定驱动力矩）•负载敏感多路阀（LUDV）注：先导控制回路未画出负载敏感系统原理图流量控制阀压力控制阀功率控制阀单向节流阀调节动态响应速度。A10VO轴向柱塞泵：A10VO63LA8DS/53RInordertoachieveaconstantdrivetorquewithvaryingoperatingpressures,theswivelangleandwithittheoutputflowfromtheaxialpistonpumpisvariedsothattheproductofflowandpressureremainsconstant.sin1FF设活塞到斜盘转动中心的距离为L则斜盘绕其中心转动时的力矩LFT1当流量达到一定值时，斜盘转矩几乎不变。222014/11/17222014/11/17222014/11/17LUDV系统控制原理compensator•LS腔仅由此联阀的压力补偿器供油，低负载对应的换向阀中补偿器阀口开度较小，不向LS供油。•各压力补偿器的进口压力相等且取决于执行元件中的最高负载压力（仅比变量泵出口压力低一个进油测量阀口的压差）。•各执行元件速度仅取决于各联换向阀的进油测量阀口面积。独立操纵或最高负载执行机构以动臂下降为例在饱和系统的操作中，经由测流节流口需求的流量小于或等于泵的流量，p基本上与泵的流量控制器上设定值相一致带有更高负载压力执行机构的同步动作以动臂上升和铲斗卸料为例,动臂上升负载压力相对铲斗卸料负载压力较大时当系统是非饱和状态时,负载压力最高的执行机构的压力补偿阀完全打开，并且LS的压力为此压力，因此系统压力、p和流量也随着非饱和状态程度的增加而下降。回转马达回路•过载补油阀——溢流阀防止油路压力在开始回转和停止回转时超过设定压力。•延迟阀——由一个两位三通的控制阀和节流口组成；当马达制动时，油液通过节流口，使得制动器需要一段时间才开始制动；当马达解除制动时，压力油通过PG向制动器进油，克服弹簧力而制动解除。回转马达工作原理图1——回转停车制动器2——延迟阀3——缓冲阀4——补油阀LUDV系统（fromWDH）五、负流量系统FR200型挖掘机液压系统•双泵双回路恒功率变量泵系统•具有负流量控制功能•多路阀：开式中位（NegativeFlowControl）•负流量控制系统起源于日本，20世纪80年代出现在挖掘机上，其目的是为了消除开式中位六通多路阀工作时产生的旁路节流损失。与传统的恒功率变量控制相比，负流量控制克服了泵总在最大流量、最大功率、最大压力下工作的极端状态，节能效果明显。工作原理•按主操纵阀回油量的大小即主操纵阀阀后节流孔前建立相应的控制压力调节主油泵的排量。主油泵的排量与该控制压力成反比。图1负流量控制原理图图2主控制阀处于中位当主控制阀处于中位时，泵输出的液压油直接通油箱，通过节流阀口R的流量最大。则R前的压力升高，即FR口的压力升高，此时活塞1将阀4的阀芯推向左边，阀4的工作口换到右端，此时泵出口的一部分油液通过阀4的右端进入变量活塞2的右腔内，推动活塞向左移动使泵的排量减小，即泵的输出流量减小。即FR口压力升高，泵的排量减小。RFRR1234Pii11图3主控制阀动作当主控制阀工作时，通向负载的流量增大，使得FR口压力降低，泵的排量增大，即泵的输出流量增大。即FR口的压力减小时，泵的排量变大。由于FR口的压力信号位于主阀旁路出口，只有在主控制阀有动作时该压力信号才会发生变化，从而使泵的排量发生。FRRR421Pii113QpQaQr图4Qp、Qa、Qr与先导压力Pi的关系•变量泵输出的流量通过主阀去工作，主阀中位的剩余流量回来对液压泵的排量进行调节，这种结构对系统流量构成了闭环控制，其控制系统结构如图4。操作手柄液压阀执行元件液压泵液阻变量机构图5负流量系统的控制结构图优点•集中体现在流量损失控制上，由于旁路流量引起的压力对主泵排量的调节,使负流量系统成为闭环控制系统,当下游的流量需求发生变化时,流量变化信息及时反馈到流量供给元件,并使系统的流量重新达到平衡。缺点1.负流量系统的响应速度较低。•负流量系统对流量的控制是闭环的流量偏差控制，只有当液压泵和液压阀的流量供需之间出现不匹配时，对流量才有纠正作用，这在本质上是一种事后补偿机制。由于反馈通道和前向通道都存在延时，当操作人员对液压阀进行操作时，流量需求信息要经过反馈通道控制液压泵排量，执行机构的速度并不能及时跟随液压阀开度的变化，使得操作人员感觉到系统的操控性较差。2.负流量系统的动态流量稳定性较差。•由于闭环控制系统的特性，负流量系统在稳态和准静态过程下的流量控制精度较高。但是，挖掘机工作时的流量需求是一个动态过程，动臂、斗杆、铲斗和回转等执行机构要求又快又准的速度控制和位置控制，有时候流量需求的变化频率会较高，这就要求负流量系统在具有快速性的同时具有较高的稳定性。实际上，由于反馈通道存在较大的延时，对于某些频段的流量需求，反馈环节与控制信号的相位差可能持续增大，直至超出负反馈的边界而出现短时的正反馈，从而导致系统流量出现不稳定甚至震荡。3.对液压泵变量机构持续的微调。•为了得到较高的流量精度，反馈环节需要持续不断的对液压泵的变量机构进行微调，加剧了液压泵变量机构的磨损，降低了液压泵的寿命。典型应用2.变量泵Ⅰ2.变量泵Ⅱ3.铲斗阀4.动臂阀15.动臂阀26、7.负流量控制阻尼孔8.动臂油缸9.铲斗油缸K3V系列主液压泵及KMX系列主阀所组成的系统是典型的负流量控制系统，已得到广泛的应用。单动作：动臂提升、直线行走、回转、斗杆伸出与收进、铲斗外摆与内收复合两个动作：回转+直线行走、回转+动臂提升、回转+铲斗、收斗杆+收铲斗、收铲斗+提升动臂、回转+斗杆伸出与收进、直线行走+提升动臂、直线行走+收铲斗、直线行走+收斗杆复合三个动作：直线行走+收铲斗+动臂提升、直线行走+收斗杆+提动臂、直线行走+斗杆+铲斗、回转+提动臂+收斗杆、回转+动臂下降+收斗杆动作类型负流量控制系统主泵工作原理：Pi1Pi2Pi1FRR1234信号采集处由于FR口的压力对液压泵排量进行反向调节，因此称为负流量控制。与传统的恒功率变量控制相比，负流量控制克服了泵总在最大流量、最大功率、最大压力下工作的极端状态，节能效果明显。两联同时处于左位，油液在阀内合流，随后汇入动臂无杆腔，使动臂快速提升。动臂提升回路：斗杆再生回路回转+斗杆内收回路斗杆再生回路：当斗杆超速下降时,小腔压力急剧升高。此时,高压油顶开单向阀,向大腔补油。同时，继续保持斗杆外伸运动。将势能经动能转化的液压能回收利用。斗杆1主阀内由单向阀构成的小腔向大腔补油的回路,称为“再生回路”斗杆超速下降大腔压力迅速低二位阀复位切断小腔回油。斗杆+铲斗+物料自重大腔压力油小腔回油畅通当斗杆1主阀芯处于右位时,主泵向斗杆缸大腔供油,大腔压力升高到使二位阀换位,小腔回油畅通,斗杆缸伸出使斗杆下降。六、正流量系统FR225E液压挖掘机液压系统主泵：双泵双回路分功率、正流量控制主阀：开式中位、三位六通液控多路阀手控合流•正流量控制系统是力士乐上世纪80年代开发的技术，它是在负流量的基础上发展起来的。其主要特点是：操纵手柄的先导压力不仅控制换向阀，还用来调节泵的排量，属于开环系统。德国力士乐A8V系列主泵及M8开中心系列主阀所组成的系统为正流量控制系统的代表。工作原理图1正流量控制原理图图2主控制阀处于中位当主控制阀处于中位时，泵输出的液压油直接通油箱，执行元件不工作，控制压力为零，主泵的斜盘角度很小，排量很低。图3主控制阀动作当主控制阀工作时，换向阀先导压力增大，使得活塞1将阀4的阀芯推向右边，阀4的工作口换到左端，此时泵出口的一部分油液通过阀4的左端进入变量活塞2的左腔内，推动活塞向右移动使泵的排量增大，即泵的输出流量增大。1234QpQa图4Qp、Qa与先导压力Pi的关系•由正流量系统的控制结构图可见，系统有两个开环控制通道：操作信号对液压阀开度的开环控制和操作信号对液压泵排量的开环控制，这种控制结构相对负流量系统而言具有明显的优势：液压泵和液压阀这两个控制点均采用开环控制，克服了闭环控制的诸多缺陷；操作信号对系统而言是开环控制的信号源，而不对系统构成干扰；两个共用信号源的开环控制通道实现了液压泵和液压阀的流量匹配问题，其中，操作信号对液压阀的开环控制实现流量快速性，操作信号对液压泵的开环控制实现准确性，开环控制本身实现稳定性。操作手柄液压