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挖掘機(jī)液壓控制系統(tǒng)徹底分析共賞

時(shí)間：2022-10-02 00:00

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專業(yè)徐工系列挖掘機(jī)整機(jī)配件批發(fā)零售：徐州聚隆機(jī)械13585399165微信同號(hào)，帶您一起了解挖掘機(jī)系統(tǒng)特性的研究意義：

挖掘機(jī)在作業(yè)時(shí)通常需要多個(gè)執(zhí)行器同時(shí)執(zhí)行任務(wù)。如圖1所示，挖掘機(jī)的液壓控制系統(tǒng)根據(jù)挖掘機(jī)各個(gè)執(zhí)行器的傳動(dòng)要求，通過所需的液壓元件與油管組合起來。該系統(tǒng)需控制前端執(zhí)行器的復(fù)合動(dòng)作，即動(dòng)臂、斗桿和鏟斗的協(xié)同工作以及挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)。

1 挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)圖

中國(guó)工程機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)國(guó)內(nèi)二十余家挖掘機(jī)制造商的挖掘機(jī)銷售情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，僅僅在2021年2月這一個(gè)月時(shí)間內(nèi)，國(guó)內(nèi)銷售挖掘機(jī)共計(jì)兩萬八千余臺(tái)，同比增長(zhǎng)超過200%，挖掘機(jī)銷售市場(chǎng)的火爆，也帶來了大量的能源消耗，挖掘機(jī)節(jié)能特性的提高迫在眉睫，另外，由于挖掘機(jī)本身是一個(gè)多執(zhí)行器系統(tǒng)，在挖掘機(jī)進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作時(shí)，提高其操作性能也顯得尤為重要[1]。

挖掘機(jī)控制系統(tǒng)的研究

目前，主流挖掘機(jī)控制系統(tǒng)多為負(fù)載敏感控制系統(tǒng)以及正、負(fù)流量控制系統(tǒng)，根據(jù)回路中壓力補(bǔ)償閥位置的不同，負(fù)載敏感控制又可以劃分為閥前補(bǔ)償控制系統(tǒng)和閥后補(bǔ)償系統(tǒng)。

2.1 正流量控制系統(tǒng)特性分析

在正流量控制系統(tǒng)中，駕駛者通過操縱挖掘機(jī)手柄來驅(qū)動(dòng)與之相連的壓力閥，壓力閥輸出的先導(dǎo)壓力（或者是電壓信號(hào)）分別和多路閥和主泵的變量機(jī)構(gòu)相聯(lián)通，使得操縱桿可以驅(qū)動(dòng)多路閥的換向和主泵排量的變化。之所以稱其為“正流量”，是因?yàn)椴倏v桿輸出的先導(dǎo)壓力越大，泵源的輸出流量越大，最終泵源的流量再經(jīng)過多路閥的調(diào)節(jié)來驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行器[2]。其原理圖如圖2所示，正流量控制方式是通過先導(dǎo)式的多路閥的調(diào)節(jié)作用來控制變量泵的排量，但是系統(tǒng)內(nèi)梭閥組系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，因此會(huì)在一定程度上影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

2 “正流量”控制液壓系統(tǒng)原理圖

“負(fù)流量”控制液壓系統(tǒng)原理圖

2.2 負(fù)流量控制系統(tǒng)特性分析

如圖3所示，負(fù)流量控制在旁通油路上設(shè)置了一個(gè)節(jié)流閥,液壓油在節(jié)流閥前后出現(xiàn)壓差，這樣就可以反饋到變量機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)泵的排量。當(dāng)每條支路的六通多路閥的閥芯均處于中位時(shí)，液壓油直接回到油箱中，控制油路的壓力升高，以此來促使泵的排量減小[3]。當(dāng)控制先導(dǎo)壓力使某個(gè)或多個(gè)六通閥閥芯移動(dòng)時(shí)，與執(zhí)行器相連的閥芯開口慢慢增大，與油箱相連的閥芯開口慢慢減小，最終停止在一個(gè)確定位置。這一過程中，隨著控制油路壓力逐漸減小，泵的排量反而會(huì)慢慢增大，因此，該系統(tǒng)被稱為“負(fù)流量控制系統(tǒng)”。

2.3 負(fù)載敏感系統(tǒng)特性分析

負(fù)載敏感技術(shù)主要針對(duì)的是液壓執(zhí)行系統(tǒng)的流量控制。圖4為挖掘機(jī)應(yīng)用負(fù)載敏感技術(shù)的液壓系統(tǒng)回路圖，該回路主要包含三個(gè)部分：主泵系統(tǒng)、多路閥系統(tǒng)以及執(zhí)行器系統(tǒng)。主泵系統(tǒng)能夠接收?qǐng)?zhí)行器系統(tǒng)最大負(fù)載壓力的反饋，最大負(fù)載壓力是經(jīng)過系統(tǒng)中的梭閥比較來獲得，最終油泵輸出相應(yīng)的油源壓力來滿足最大負(fù)載壓力，多路閥系統(tǒng)中各條支路的壓力補(bǔ)償閥能夠自動(dòng)補(bǔ)償支路主控閥兩端的壓力差[4]。

負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)工作示意圖

負(fù)載敏感控制系統(tǒng)將保持主控制閥兩端的壓差穩(wěn)定，其中值得注意的是該系統(tǒng)通過壓力補(bǔ)償將壓差設(shè)置為期望值并進(jìn)行自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)，壓力調(diào)節(jié)的關(guān)鍵是壓力補(bǔ)償閥對(duì)節(jié)流閥兩端壓力的補(bǔ)償，使其不受液壓泵排量和負(fù)載壓力的變化而產(chǎn)生較大的波動(dòng)。在負(fù)載敏感控制系統(tǒng)中，壓力補(bǔ)償閥分布在液壓系統(tǒng)中位置的不同，能夠使得整個(gè)液壓系統(tǒng)具有不同的控制特性，根據(jù)壓力補(bǔ)償閥分布在主控制閥的前后位置的不同，可以將負(fù)載敏感控制系統(tǒng)劃分為閥前壓力補(bǔ)償系統(tǒng)(LS)和閥后壓力補(bǔ)償系統(tǒng)（LUDV）[5]。

閥前壓力補(bǔ)償系統(tǒng)如圖5所示，如果分別令流向兩液壓缸的流量分別為Qv1和Qv2，那么通過對(duì)LS系統(tǒng)的分析可以得出分別流

兩執(zhí)行器的流量分別為：

式中 C1,C2 —— 液壓流量系數(shù)；

ρ —— 油液的密度；

A1,A2 —— 閥口的開度。

1.負(fù)載敏感型變量泵 2.節(jié)流閥

3.壓力補(bǔ)償閥 4.梭閥

5.非對(duì)稱負(fù)載液壓缸 6.對(duì)稱液壓缸

5 LS控制系統(tǒng)原理圖

通過分析可以得出流向執(zhí)行器的流量和主控制閥兩端的壓差Δp和閥口開度A有關(guān)，即：

Qv1=f(Δp1,A1)

Qv2=f(Δp2,A2) （2）

當(dāng)液壓泵提供的流量不能滿足每條支路的執(zhí)行器同時(shí)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，這樣會(huì)導(dǎo)致壓力補(bǔ)償閥無法正常工作，最終導(dǎo)致負(fù)載敏感控制系統(tǒng)將無法準(zhǔn)確控制流向各負(fù)載回路的流量。系統(tǒng)回路中各個(gè)支路的負(fù)載壓力不同，如果負(fù)載壓力小，那么執(zhí)行器的阻力就越小，最終導(dǎo)致油泵液壓油會(huì)優(yōu)先流向負(fù)載壓力小的支路，負(fù)載壓力大的支路由于主控閥的壓力差過小，導(dǎo)致執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)速度的減小直到不能進(jìn)行工作，以至于無法滿足一些工程機(jī)械的要求[6]。

閥后壓力補(bǔ)償系統(tǒng)如圖6所示，分別設(shè)流向油缸的油量分別為Qv1和Qv2，那么通過對(duì)LUDV系統(tǒng)的分析可以得出分別流向兩執(zhí)行器的流量分別為：

式中 C1,C2 —— 液壓流量系數(shù)；

ρ —— 油液的密度；

A1,A2 —— 閥口的開度。

1.負(fù)載敏感型變量泵 2.節(jié)流閥

3.壓力補(bǔ)償閥 4.梭閥

5.非對(duì)稱負(fù)載液壓缸 6.對(duì)稱液壓缸

6 LUDV控制系統(tǒng)原理圖

由于閥后補(bǔ)償?shù)挠吐方Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得各個(gè)執(zhí)行回路主控制閥的壓差相同，并且不會(huì)隨著負(fù)載壓力的改變而發(fā)生變化，即流入各個(gè)執(zhí)行器的流量?jī)H僅與閥口開度有關(guān)。即：

Qv1=f(A1)

Qv2=f(A2)（4）

同樣，當(dāng)液壓泵提供的流量不能滿足每條支路的執(zhí)行器同時(shí)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，壓力補(bǔ)償閥不能進(jìn)行有效的工作，這樣同樣導(dǎo)致支路主控閥的壓力Δp減小，但由于壓力補(bǔ)償閥中彈簧腔壓力p2不變，系統(tǒng)壓差Δp1和Δp2只是會(huì)相應(yīng)地減小，各條支路的流量依舊只和換向閥開度相關(guān)。由于主控閥壓差的減小，所有負(fù)載回路流量將等比例的減少，但是不會(huì)導(dǎo)致最大負(fù)載執(zhí)行器無法運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。

由上述的分析可以得出，當(dāng)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的各個(gè)執(zhí)行器均需要工作，而液壓泵供給的流量不足以滿足整個(gè)液壓系統(tǒng)的所需的流量時(shí)，閥后壓力補(bǔ)償相比于閥前壓力補(bǔ)償表現(xiàn)出了更優(yōu)越的控制優(yōu)勢(shì)，閥后壓力補(bǔ)償能夠等比例地相應(yīng)減少對(duì)各支路流量的供應(yīng)，而閥前補(bǔ)償只能滿足較小支路流量的供應(yīng)，對(duì)于大流量支路無法進(jìn)行流量供給，導(dǎo)致大流量支路無法正常執(zhí)行工作[7]。

挖掘機(jī)常用各液壓系統(tǒng)比較分析

由表1可知，通過對(duì)挖掘機(jī)節(jié)能性、復(fù)合動(dòng)作操作協(xié)調(diào)性、單執(zhí)行器速度調(diào)整性、響應(yīng)性能、成本等方面進(jìn)行了比較分析，可以看出各個(gè)挖掘機(jī)控制系統(tǒng)有著他們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，所以在設(shè)計(jì)或生產(chǎn)挖掘機(jī)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮以上各個(gè)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)還要考慮應(yīng)用工況及市場(chǎng)推廣度等因素。

表1 挖掘機(jī)常用各液壓系統(tǒng)性能比較分析

結(jié)論

本文綜述了目前挖掘機(jī)普遍應(yīng)用的液壓控制系統(tǒng)，分析了當(dāng)前主要采用的正、負(fù)流量控制系統(tǒng)、LS以及LUDV控制系統(tǒng)，分析結(jié)果表明當(dāng)前挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的研究主要聚焦在流量控制方式，未來挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)將越來越重視節(jié)能性和操縱性，因此，新型電液混合動(dòng)力控制系統(tǒng)將隨著液壓系統(tǒng)與電子控制的有效結(jié)合，不斷推動(dòng)著挖掘機(jī)的穩(wěn)步發(fā)展。

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挖掘機(jī)液壓控制系統(tǒng)徹底分析共賞