K3V系列液壓泵的結(jié)構(gòu)與控制原理

1、K3V 系列液壓泵的結(jié)構(gòu)與控制原理李新 1，周志鴻 1，厲峰 2（1 .北京科技大學(xué)車輛工程專業(yè)；2.山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院）!"摘 要：以 K3V63DT- 1QOR- HNOV 液壓泵為例介紹 K3V 系列液壓泵的結(jié)構(gòu)及控制變量原理，該液壓泵由主泵、先導(dǎo)泵、泵調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩控制電磁閥組成，可實(shí)現(xiàn)總功率控制、負(fù)流量控制和功率轉(zhuǎn)換控制的 功能?？偣β士刂瓶蓪?shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輕載高速、重載低速動作，既能保證液壓泵充分利用發(fā)動機(jī)功率又能防 止發(fā)動機(jī)過載；負(fù)流量控制可最大限度地減小溢流功率損失和系統(tǒng)發(fā)熱；利用功率轉(zhuǎn)換控制功能，在實(shí)際工 作中可根據(jù)負(fù)載情況改變輸入電流大小，調(diào)整液壓泵的輸出

2、功率，提高工作效率，節(jié)省發(fā)動機(jī)功率。關(guān)鍵詞：液壓泵；負(fù)流量控制；功率控制K3V 系列液壓泵以其高功率密度、高效率以及多樣的變量方式廣泛用于液壓挖掘機(jī)上，它的變量 方式包括恒功率控制、總功率控制、正負(fù)流量控制、功率轉(zhuǎn)換控制和負(fù)荷傳感控制等。本文就某一型號液壓挖掘機(jī)所采用的 K3V63DT- 1QOR- HNOV 型液 壓泵為例來介紹其結(jié)構(gòu)及控制變量的形式，該液壓 泵可實(shí)現(xiàn)總功率控制、負(fù)流量控制及功率轉(zhuǎn)換控 制，可以很好地利用發(fā)動機(jī)功率，滿足用戶的需求， 其液壓原理如圖 1 所示。列柱塞泵）、先導(dǎo)泵（齒輪泵）、泵 1 調(diào)節(jié)器、泵 2 調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩控制電磁閥等組成。主泵用于向各工作 裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)供油

3、，先導(dǎo)泵用于先導(dǎo)控制油路，泵調(diào)節(jié)器根據(jù)各種指令信號控制主泵排量，以適應(yīng)發(fā)動機(jī)功率和操作者的要求，其中轉(zhuǎn)矩控制電磁閥位 于泵 2 調(diào)節(jié)器上。泵調(diào)節(jié)器原理以泵 1 調(diào)節(jié)器為例，如圖 2 所 示，泵調(diào)節(jié)器主要由補(bǔ)償柱塞、功率彈簧、功率設(shè)定柱塞、伺服閥、反饋桿、伺服柱塞、先導(dǎo)彈簧及先導(dǎo)柱塞組成1。K3V63DT- 1QOR- HNOV 型液壓泵中兩個(gè)串聯(lián)的柱塞 泵是完全相同的，調(diào)節(jié)器中補(bǔ) 償柱塞被設(shè)計(jì)成 3 段直徑不 同的臺階，3 個(gè)臺階分別與兩 柱塞泵和轉(zhuǎn)矩控制電磁閥連 接，這樣當(dāng)任何一個(gè)臺階上所 承受的壓力變化時(shí)，都會引起 柱塞泵排量的變化。伺服閥同 時(shí)受到負(fù)流量控制中先導(dǎo)壓 力的控制，先導(dǎo)壓力

4、pi（1 pi2）的 變化通過先導(dǎo)柱塞、先導(dǎo)彈簧 作用于伺服閥上，伺服閥與伺服柱塞相連，伺服柱塞帶動柱塞泵斜盤的傾斜角度 來改變柱塞泵的排量。泵調(diào)節(jié)器的反饋桿與伺服柱塞連接并可繞其K3V63DT- 1QOR- HNOV 型液壓泵結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，該液壓泵由主泵（斜盤式雙泵串1作者簡介：李新（1986），女，山東聊城人，碩士，研究方向：液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。 41 !"!"工程機(jī)械第 42 卷 2011 年 12 月HydrostaticsandHydrodynamics連接點(diǎn)轉(zhuǎn)動。柱塞泵的液壓油經(jīng)以下 3 路進(jìn)入泵調(diào)節(jié)器：一路液壓油通過 AB 進(jìn)入伺服柱塞小腔，使伺 服柱塞

5、小腔常通高壓，推動斜盤使柱塞泵保持在大排量；一路液壓油通過 CD 進(jìn)入伺服閥，通過伺服閥的工作位置來改變柱塞泵的排量；一路柱塞泵 1 和 柱塞泵 2 的液壓油分別作用在補(bǔ)償柱塞的臺階 E、F 上，對液壓泵進(jìn)行功率控制2。的彈簧力使伺服閥芯向右移動，伺服閥左位工作，連接至伺服閥的壓力油 CD 進(jìn)入伺服柱塞大端，因 為伺服柱塞大、小端直徑不同，存在一個(gè)面積差，從 而產(chǎn)生壓力差推動伺服柱塞向右移動，伺服柱塞帶 動柱塞泵的斜盤傾角減小，使柱塞泵向小排量變 化，液壓泵功率也隨之減小，從而防止發(fā)動機(jī)過載。 在排量減小的同時(shí)，伺服柱塞同時(shí)帶動反饋桿逆時(shí) 針轉(zhuǎn)動，反饋桿帶動伺服閥芯向左移動令伺服閥關(guān) 閉，伺服

6、柱塞大腔進(jìn)油的通道關(guān)閉，調(diào)節(jié)完成，柱塞 泵停止變量3。當(dāng)柱塞泵壓力 p1 或 p2 下降時(shí)，即工作負(fù)載減 小時(shí)，功率彈簧的彈簧力推動補(bǔ)償柱塞向左移動， 同時(shí)帶動伺服閥芯向左移動，伺服閥右位工作，伺 服柱塞大端通油箱，壓力減小，伺服柱塞向左移動， 帶動柱塞泵的斜盤傾角增大，使柱塞泵排量增大， 加快作業(yè)速度。伺服柱塞同時(shí)帶動反饋桿順時(shí)針轉(zhuǎn) 動，反饋桿帶動伺服閥芯向右移動令伺服閥關(guān)閉， 調(diào)節(jié)完成，柱塞泵停止變量。在雙泵串聯(lián)系統(tǒng)中，泵調(diào)節(jié)器是根據(jù)兩泵負(fù)載 壓力之和（p1+p2），控制斜盤傾角使兩泵的排量 q 保 持一致，總功率控制表達(dá)式如下5：泵調(diào)節(jié)器的控制功能泵調(diào)節(jié)器具有總功率控制、負(fù)流量控制和功率

7、 轉(zhuǎn)換控制功能，下面以泵 1 調(diào)節(jié)器為例分別介紹。2.1總功率控制 當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，液壓泵的功率也是恒定的。當(dāng)自身泵的輸出壓力 p1 或?qū)ε急玫妮敵鰤毫?p2 升高時(shí)，泵調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)使斜盤傾角減小，即減小 泵的排量，使液壓泵的功率保持在一定的范圍之內(nèi)。當(dāng)挖掘機(jī)的工作負(fù)荷較小，液壓泵的功率不超 過發(fā)動機(jī)的輸出功率時(shí)，柱塞泵以最大排量工作，保 證小負(fù)荷快速作業(yè)；當(dāng)液壓泵的功率欲超過發(fā)動機(jī) 的輸出功率時(shí)，為了不使發(fā)動機(jī)過載，一定要調(diào)節(jié)柱塞泵的排量使之減小，其調(diào)節(jié)原理如圖 3 所示。功率控制是由補(bǔ)償柱塞完成的，在補(bǔ)償柱塞 E/F 臺階圓環(huán)面積上，作用著柱塞泵的壓力 p1 和 p2。 隨著兩泵出口

8、負(fù)載的增大，作用在補(bǔ)償柱塞上的壓 力之和（ p1+p2）達(dá)到設(shè)定變量壓力后，克服功率彈簧2轉(zhuǎn)矩 T= p1·q + p2·q = p1+p2）·q （1）222所以不論兩泵的負(fù)載壓力 p1、p2 如何變化，都能使兩泵的總功率保持恒定。通過總功率控制，可實(shí)現(xiàn) 42 圖 5 負(fù)流量控制原理圖工程機(jī)械第 42 卷 2011 年 12 月Hydrostatics and Hydrodynamics執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輕載高速、重載低速動作，既能保證液壓泵充分利用發(fā)動機(jī)輸出功率又能防止發(fā)動機(jī)過載。 但由于泵調(diào)節(jié)器同時(shí)調(diào)節(jié)兩泵排量，使兩泵輸出流 量相同，當(dāng)液壓挖掘機(jī)做單一動作時(shí)，其中一

9、個(gè)泵就 會輸出多余的流量，因此將總功率控制與負(fù)流量控 制聯(lián)合起來可以減小總功率控制的弊端5。2.2負(fù)流量控制K3V63DT- 1QOR- HNOV 型液壓泵帶有負(fù)流量 控制功能。如圖 4 所示，當(dāng)挖掘機(jī)處于非工作狀態(tài)時(shí)，多路閥中位卸荷回油，液壓泵輸出的液壓油全部通過多路閥底部的負(fù)流量控制閥中節(jié)流閥回油箱， 故在節(jié)流閥前端會產(chǎn)生一個(gè)先導(dǎo)壓力 pi（1 pi2）反饋 到泵調(diào)節(jié)器上。先導(dǎo)壓力作用于先導(dǎo)柱塞上，先導(dǎo) 柱塞克服先導(dǎo)彈簧的彈力推動伺服閥芯向右移動， 伺服閥左位工作，伺服柱塞大腔進(jìn)油，伺服柱塞向 右移動，帶動柱塞泵的斜盤傾角減小，柱塞泵的排 量也隨之減小，實(shí)現(xiàn)液壓泵卸荷3。一旦操縱液壓挖掘機(jī)

10、控制手柄使其處于作業(yè)狀態(tài)，多路閥中至少有一組閥換向處于工作狀態(tài)， 此時(shí)多路閥中位卸荷油路被切斷，負(fù)流量控制閥中 節(jié)流閥前的先導(dǎo)壓力直降為零，先導(dǎo)柱塞在先導(dǎo)彈 簧力的作用下向左移動，帶動伺服閥芯也向左移 動，伺服閥右位工作，伺服柱塞大腔通油箱，這時(shí)伺 服柱塞在小腔液壓油的作用下向左移動，帶動柱塞 泵的斜盤傾角增大，使柱塞泵的排量增大以滿足工 作要求。隨著先導(dǎo)壓力的變化，液壓泵的流量也隨之變 化，液壓泵的流量隨先導(dǎo)壓力的增大而減小，實(shí)現(xiàn) 了負(fù)流量控制，其控制原理如圖 5 所示。這樣液壓 泵只需供給執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作所需要的液壓油，避免了 傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)靠溢流閥控制溢流的方式，從而最大限度地減小溢流功率損

11、失和系統(tǒng)發(fā)熱4。2.3功率轉(zhuǎn)換控制 43 工程機(jī)械第 42 卷 2011 年 12 月Hydrostatics and Hydrodynamics功率轉(zhuǎn)換控制主要是靠轉(zhuǎn)矩控制電磁閥來完成的，其內(nèi)部是電磁比例減壓閥。液壓泵輸出功率 的大小是通過改變進(jìn)入電磁比例減壓閥的電流大 小來完成的，經(jīng)過電磁比例減壓閥的功率轉(zhuǎn)換壓力 pf 作用于補(bǔ)償柱塞的臺階 G 和功率設(shè)定柱塞上，如 圖 6 所示。在此說明，功率轉(zhuǎn)換壓力 pf 從轉(zhuǎn)矩控制 電磁閥 pz3 口經(jīng) pz1 與 pz3 的連接油路作用于功率設(shè) 定柱塞上，而作用于補(bǔ)償柱塞臺階 G 上的功率轉(zhuǎn)換壓力 pf 是經(jīng)泵調(diào)節(jié)器內(nèi)部油路而來的，可參考圖 1。如

12、圖 7 所示4。因此，在實(shí)際工作中可根據(jù)負(fù)載情況改變輸入電流大小，從而改變功率轉(zhuǎn)換壓力 pf，調(diào)整液壓 泵輸出功率的大小，可以提高工作效率，節(jié)約發(fā)動 機(jī)功率5?？偨Y(jié)本文主要針對 K3V63DT- 1QOR- HNOV 型液壓 泵的結(jié)構(gòu)及控制原理對 K3V 系列液壓泵的控制方 式進(jìn)行了分析與研究。此外 K3V 系列液壓泵還具有3補(bǔ)償柱塞所受的向右方向的力是作用于補(bǔ)償柱塞 3 個(gè)臺階面積 A1、A2、A3 的液壓力之和，向左方 向的力是功率彈簧力和功率設(shè)定柱塞面積 A4 的液 壓力之和，則補(bǔ)償柱塞的受力平衡方程為1：最大流量切斷控制、高壓切斷控制、變功率控制等（2）p1·A1+p2

13、83;A2+p·f A3=k·x0+p·f A4式中：k 彈簧剛度系數(shù)；x0彈簧的預(yù)壓縮量。功能，正因?yàn)槠涠鄻拥目刂谱兞糠绞剑琄3V 系列液壓泵廣泛地用于液壓挖掘機(jī)上，同時(shí)它所具有的功 能為以后液壓挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)研究提供了一定的依據(jù)。如果改變電磁比例減壓閥的功率轉(zhuǎn)換壓力 pf，就可改變平衡方程的平衡點(diǎn)，使補(bǔ)償柱塞開始移動 時(shí)的柱塞泵壓力 p1、p2 發(fā)生變化，即液壓泵輸出功 率的設(shè)定值發(fā)生改變。在正常工作情況下，轉(zhuǎn)矩控制電磁閥輸出壓力 為零，在補(bǔ)償柱塞的右端僅有功率彈簧的彈力，左 端僅有柱塞泵的壓力 p1 和 p2，防止發(fā)動機(jī)過載的功 率控制如 2.1 節(jié)所述。為實(shí)

14、現(xiàn)更高作業(yè)速度的要求，可使液壓泵的功 率接近發(fā)動機(jī)的額定輸出功率，此時(shí)電磁比例減壓 閥輸出一定的功率轉(zhuǎn)換壓力 pf，如圖 6 所示。由于 A4A3，所以隨著功率轉(zhuǎn)換壓力 pf 的升高，補(bǔ)償柱塞 所受向左方向的力增加，補(bǔ)償柱塞左移，這將會使柱塞泵的排量增大，加快工作速度。同時(shí)在防止發(fā) 動機(jī)過載的功率控制時(shí)，柱塞泵的壓力之和（p1+p2） 必須大于正常情況下的壓力才能實(shí)現(xiàn)泵排量減小 的調(diào)節(jié)，泵排量調(diào)節(jié)原理不變。功率轉(zhuǎn)換控制原理參考文獻(xiàn)1 吳清珍. 大宇挖掘機(jī)液壓泵控制原理與典型故障診斷J. 建筑機(jī)械，2003（5）：61- 62.2 吳清珍，陳勇.K3V 型柱塞泵的結(jié)構(gòu)、控制原理及維修J.濟(jì)南交通高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2000（1）：