龙云雷肌肉:挖掘机液压系统泵阀组合

①液压挖掘机液压回路设计的初期主要着重于研究采用几个液压泵、阀组分块分泵供油的形式、多路操纵阀各阀杆之间油路的连接方式, 以及如何向
各液压元件进行分配供油、更好地满足工作过程各阶段的作业要求和各种作业工况要求等, 主要解决以下问题:
1) 研究挖掘机液压系统油泵的合理数量。
2) 探讨采用六通阀来实现优先油路和并联油路的优化组合, 研究对液压作用元件的最佳供油方式, 以满足挖掘机各种复合动作的要求, 合理地分配复合动作时泵的流量。
3) 高生产率是挖掘机的主要性能要求, 有时要求油泵全部的油能供给一个液压作用元件, 因此油路上必须解决液压泵合流供油问题。
4) 挖掘机在行走时有时需要作业装置同时动作, 液压系统必须考虑这种工况时挖掘机行走的直线性。
以上是挖掘机油路中最基本的问题, 我们在此先提出来, 引起大家注意, 为今后理解复杂的液压系统打下基础。今后要在此基础上提出理解和分析液压挖掘机复杂油路的基本方法。
1 　液压泵
挖掘机液压回路最初采用单泵(图1) , 因为单泵能量损失大、不能满足复合动作要求, 很快地改用双泵, 如图2 所示。接着采用双变量泵系统,实现全功率控制, 如图3 所示。   一般来说, 一个泵采用1 个阀块; 双泵采用2个阀块, 即2P2V 系统; 三泵3 个阀块, 即3P3V系统。由于双泵系统只有两个泵, 只能保证两个动作完全独立, 3 个液压元件同时复合动作时, 必然失去相互动作的独立性, 产生动作不确定性。三泵系统则可实现3 个动作独立, 所以欧美国家为保证回转作业的独立性, 特别是用于起重作业时采用如图4 所示的三泵三阀组系统, 回转油路采用了专用的小排量定量泵。 设计液压系统时主要应考虑以下因素: ①泵数量的选取根据同时动作的需要; ②液压传动的特点是要遵守帕斯卡原理, 泵的油压按共泵供油液压元件的最高压力来确定, 多液压元件同时工作所需油压不同, 必然存在压差损失, 从这点来看油泵数宜多; ③对中位开式系统, 泵数量增加, 不受相互干扰的可以独立动作的液压元件数目增多, 三泵系统较双泵系统可实现三个动作(回转、动臂和斗杆)独立, 从而提高操纵性; ④随着液压泵数量的增多, 液压零部件数量增加、泵的驱动麻烦、变量泵的控制比较困难、制造成本提高, 液压回路损失也会增大, 对经济性和可靠性不利。
考虑两个液压作用元件同时动作情况居多, 日本挖掘机采用双泵系统较多。欧美国家为保证回转作业的独立性, 特别是用于起重作业时采用三泵系统, 回转油路采用排量较小的定量泵或变量泵。
小型液压挖掘机工作装置往往增加了推土板和动臂偏转功能, 液压作用元件数较多, 因此不少采用三泵系统。大型和特大型挖掘机因为所需的流量
和功率大, 只能采用多泵组合。 2 　多路阀组合和阀组分块分泵供油 2.1 　多路阀内阀杆油路连通方式 2.1.1 　三种连通方式多路阀内阀杆油路连通方式有串联式、并联式、优先(串并联) 式三种。 1) 串联式　前联换向阀的回油口和后联换向阀的进油口相连, 串联油路的特点是可以实现两个和两个以上液压动作元件同时动作, 液压泵的工作压力是同时工作液压元件压力的总和, 在初期挖掘机上曾采用过这种油路。由于挖掘机一般都在重负荷下工作, 为了使结构紧凑、减轻重量, 每个液压作用元件都按液压泵压力设计, 不允许两个液压元件串联工作, 因此串联油路目前在挖掘机上已不采用。
2) 并联式　液压泵压力油并联地向各阀杆供油, 各阀的回油并联相通回油箱, 如图1 至图3 所示。并联油路的特点是多阀杆同时动作时, 泵供油首先进入负荷压力最低的液压元件, 负荷高的液压元件由于压力低不能动。要实现多液压元件同时动作, 必须通过阀杆节流, 控制去各液压元件的流量来实现同时动作时的调速, 因此并联方式要实现复合动作技术要求很高、而且不稳定, 随各液压元件负荷变化情况和发动机转速等因素变化, 可以说该油路实现同时复合动作较困难。
3) 优先式　液压泵出口压力油顺序供油, 上游的阀杆打开进行工作时, 就切断下游阀杆的进油路, 因此下游阀就得不到液压泵压力油而无法动作。优先阀回油路并联回油, 即使上游阀杆不在最大开度位置, 部分油会通过节流口流向下流阀, 存在下流阀控制的液压元件动作的可能性。但是严格地说优先油路只能一个液压作用元件动作, 因此在挖掘机上不能全部采用优先油路, 只能采用局部优先油路。如图4 所示, 右边二个阀组采用行走优先油路, 当行走阀操纵时下游阀的供油被切断, 这样就防止下游阀杆动作使泵分流, 造成左右行走马达供油不均而破坏行驶的直线性。
2.1.2 　开式系统供油通路
目前开式系统采用六通阀, 有两条供油通路。
1) 直通供油道　阀杆在中位时, 压力油通过直通供油道流经各阀杆回油箱, 实现中位卸载功能。直通供油道是优先式油道, 在各阀杆之间组成优先油路, 如上游阀杆动作, 压力油就供给该阀杆操纵的液压元件, 直通供油道被切断, 它就不能向下游阀杆供油, 因此下游阀杆操纵的液压元件就不能动作。
2) 并联供油道　并联地向各阀杆供油, 在各阀杆之间成并联油路。
目前挖掘机上采用的开式系统都是两者组合油路, 利用不同的组合方式可以形成各种形式并联和优先复杂组合的油路系统。进一步还可以在直通供
油道和并联供油道中加上液控阀和电控阀, 可实现更为复杂供油关系的液压系统, 来满足挖掘机复杂多样的作业工况要求。
2.2 　日立OHS 液压系统
挖掘机液压系统的早期改进, 主要是在多路阀直通供油和并联供油的联通方式上和增加一些合流阀和直线行走阀等, 使得液压系统更好地符合作业
过程各工况要求。
OHS (Optimum Hydraulic System) 系统是日立80 年代设计的液压系统, 当时自称是最优液压系统。该液压回路是并联油路和优先油路的组合,是充分考虑动臂、斗柄、铲斗、回转和行走复合动作要求而设计的一个实例, 如图5 所示。图中P2泵供右阀组, 该阀组行走阀优先, 下面是备用、动臂和铲斗三阀并联, 下游是斗杆阀; P1 泵供左阀组, 该阀组连接关系较复杂, 回转阀和动臂阀之间联通关系是并联加优先, 回转和动臂上升是并联关系, 回转和动臂下降是优先关系, 回转和斗杆、行走三者并联, 但通住斗杆进油路节流, 通往行走阀进油路有单向阀和节流口。 日立OHS 液压系统具有以下功能:
1) 在作业过程中, ①动臂和斗杆单独动作,可实现阀外双泵合流供油; ②回转和动臂举升同时动作时, P2 单独供动臂, P1 并联供油给回转和动臂, 使回转加速时不产生溢流阀溢流; 回转和动臂下降同时动作时, P1 供油给回转, 不向动臂供油,仅P2 供油给动臂, 由于两泵分别给回转和动臂,油路上互相独立, 这样就避免了油路相连, 由于动臂重力快速下降, 建立不起油压, 因此回转加速性能差; ③回转和斗杆同时工作时, P1 并联供油给回转和斗杆(经节流孔) , P2 供油给斗杆; ④回转、动臂、斗杆三者同时工作时, P1 并联供油给回转、动臂和斗杆, P2 供油给动臂; ⑤回转、动臂、斗杆、铲斗四者同时工作时, P1 并联供油给回转、动臂和斗杆, P2 供油给动臂和铲斗。
2) 在行走过程中, ①回转、动臂和斗杆三者中只要有一个动作就会产生先导油压, 作用在合流阀上, 使合流阀处于通路状态, 此时P2 并联供左右行走, P1 供回转、动臂和斗杆; ②当P1 压力高于行走油压P2 时, P1 通过单向阀和节流孔也可与P2 合流向行走供油, 保证行驶的直线性; ③由于采用优先油路, 行走时铲斗阀杆操纵, 不会影响行驶直线性, 但由于铲斗供油路被切断, 不能动作,即行走和铲斗不能同时动作。
2.3 　阀组分块和分泵供油
液压挖掘机按泵分阀组供油, 挖掘机六个液压作用元件(动臂、斗杆、铲斗、回转和两个行走马达) 在通常的双泵供油时分成两个阀块, 分别控制三个液压作用元件, 考虑到需要经常同时动作的液压元件, 不要由同泵供油, 因此最常用的分组方式是:回转、斗杆和行走在一个阀组, 由一个泵供油动臂、铲斗和行走在一个阀组, 由一个泵供油这是因为动臂和回转、斗杆和铲斗需经常同时动作, 而左右行走履带要求分别驱动。
3 　合流问题
为了提高挖掘机生产效率、缩短作业循环时间, 要求动臂提升、斗杆收放和铲斗转动有较快的工作速度, 要求能双(多) 泵合流供油, 一般中小型挖掘机动臂液压缸和斗杆液压缸均能合流, 大型挖掘机的铲斗液压缸也要求合流, 这是挖掘机油路系统设计中需要考虑的问题。目前采用的有阀外合流、阀内合流及采用合流阀供油几种合流方式。
3.1 　阀外合流
图6 所示油路是并联油路和优先油路的组合,两阀组都是前三阀杆并联连接, 然后与第四阀杆优先方式连结。这样合流的液压作用元件由两个阀杆供油, 该两阀杆分别布置在两个阀组中, 由两泵分别供油。由先导液压操纵油路联动打开两阀杆, 压力油通过阀外管道连接合流供给液压作用元件。合流的阀杆被布置在优先油路的下游, 当其它液压元件动作时油流就被切断, 不能实现合流。 该方案斗杆单独采用一个合流阀杆, 因此斗杆操纵收放两个方向都能合流供油。而动臂和铲斗是合用一个合流阀杆, 因此动臂只能举升时合流、下放时不合流; 铲斗只在挖掘时合流、卸载时不合流。
阀外合流操纵阀数量增多, 需要通过阀外管道来连接, 管路和接头数量增多, 使用上不方便。
3.2 　阀内合流
阀内合流泵和阀块的连接、阀杆的布置如图7所示, 用于小挖掘机上, 有3 个泵和3 组阀, 通过连接板把所有阀连成整体, 合流的油道在内部沟通。动臂和铲斗单独动作时, 泵P1 和P2 可合流供油给动臂缸或铲斗缸, 为双泵合流; 斗杆单独动作时, 泵P1 、P2 和P3 可合流供油给斗杆缸, 为三泵合流。不行走时P3 可单独供回转; 行走时P1和P3 分别供给行走马达, P2 供给动臂、斗杆和铲斗, 不影响直线行驶性, 但行走时进行回转动作,P3 分流供回转, 将影响直线行驶性。 阀内合流外面管路连接简单, 但内部通道稍复杂, 阀杆直径的设计要综合平衡考虑各种分合流供油情况下通过的流量。照理说斗杆阀杆是三泵合流, 可能通过的流量最大, 阀杆直径应设计大些,但从设计制造角度考虑, 最好是各阀杆尺寸取得一致。 3.3 　合流阀供油
阀外合流采用连动操纵的两个操纵阀杆, 分别将两个泵的油供给液压元件, 使操纵阀杆数增多,有的挖掘机油路采用结构较简单的合流阀代替一个操纵阀来实现合流。图8 中增加了一个动臂合流阀和一个斗杆合流阀, 它们分别布置在两液压泵供油阀块的下游。 如图8 所示, 当动臂阀在先导操纵油压A 作用下, 处于动臂缸大腔进油位置, 该先导操纵油压A 同时作用在动臂合流阀上, 使该阀处于图下位,后泵的油就会通过动臂合流阀和单向阀通向动臂大腔, 和前泵通过动臂阀流向动臂大腔的油合流。当动臂阀在先导操纵油压B 作用下, 处于动臂缸活塞杆进油位置时, 由于油压B 不作用于动臂合流阀, 因此仅前泵供动臂缸, 无合流作用。当斗杆阀在先导操纵油压作用下, 斗杆油缸动作时, 该先导作用油压同时作用于斗杆合流阀上, 使斗杆合流阀处于上位关闭状态, 通过右阀块各阀流向回油的油被切断, 这样不仅后泵供给斗杆油腔, 前泵也通过单向阀供油给斗杆阀起合流作用。
动臂合流属于阀外合流, 在通向动臂油缸大腔处合流; 斗杆合流属于阀内合流, 两个泵的油合流后进入斗杆操纵阀。
4 　直线行驶问题
具有双泵液压系统的挖掘机行驶时, 往往是两个油泵分别向左右行走马达供油, 如果在行驶中需要工作装置动作, 就会将其中一个油泵的油分流供其它液压作用元件, 使该泵供油的行走马达速度降低, 形成挖掘机意外偏转造成事故(特别是上下装载卡车时) , 这也是挖掘机油路系统设计中需考虑的问题。 4.1 　CAT 直行阀系统
为了实现工作装置同时动作时直线行驶, 一般采用直行阀, 图8 表示CAT 系统直行阀的布置,图9 为直行阀工作原理图。在行驶过程中, 当作业装置(动臂、斗杆、铲斗和回转) 任一动作时, 作业装置先导操纵油压就会作用在直行阀上, 克服弹簧力, 使直行阀处于上位。图10 中, 前泵并联供左右行走, 后泵并联供回转、斗杆、铲斗和动臂动作, 后泵还可通过单向阀和节流孔和前泵合流供给行走。  4.2 　NABCO 直行阀系统
图10 为NABCO 公司挖掘机液压系统和直行阀原理图, 它由3 个泵、8 个操纵阀杆和1 个直行阀组成, 左右行走、铲斗、斗杆和动臂阀5 个阀杆上有控制先导油的阀道, 其作用是自动控制直行阀起作用。
直行阀一端受弹簧力作用, 另一端受先导油压PP 作用, 当先导油卸压, 在弹簧力作用下, 直行阀在上位, 不起作用; 当先导油压PP 建立了油压,克服了弹簧力, 使直行阀处于下位, 直行阀起作用。
直行阀是与其它阀杆联动的, 在铲斗、动臂、斗杆和行走等阀杆中都具有控制先导油PP 通或断的阀道, 当左行走阀杆在中位, PP 油通过它通回油卸压; 当右行走阀杆在中位, PP 油通过它通回油卸压。作用在直行阀上的先导油压PP , 只要满足下列一个条件就卸压回油: ①左右行走阀有一个在中位; ②动臂、铲斗和斗杆阀都处于中位。
PP 能通过行走阀杆(不管它处于什么位置)到斗杆阀, 如斗杆阀处于中位, 能通过它至铲斗阀; 如铲斗阀在中位, 能通过它至动臂阀; 如动臂阀在中位, 能通过它回油卸压。
反过来说, 要使直行阀处于下位起作用的位置, 必须要两行走阀离开中位处于操纵位置, 同时动臂、铲斗和斗杆三个阀中至少有一个离开中位处于操纵位置, 即当行走和作业同时操纵时, 直行阀自动起作用。
在直行阀起作用时, P1 泵和P2 泵合流, 分别经过节流孔, 并联供油给两侧行走马达和作业装置(动臂、铲斗和斗杆) , 回转是P3 泵单独供油, 不受行走影响。
上面两种保证直线行驶的系统中, CAT 直行阀系统比较好, 因为它保证单泵只供行走, 有单向阀阻止流向其它作业装置, 另外一泵供给其它的作业装置, 多余的油还可以通过单向阀供给行走, 因此作业装置的动作操纵不会影响行走。而NABCO液压系统直行阀起作用时, 液压泵与行走和作业装置是并联供油关系, 因此工作装置动作就可能引起行走速度波动。
(编辑　吴学松)