液壓挖掘機(jī)液壓回路設(shè)計(jì)的探討

液壓挖掘機(jī)液壓回路設(shè)計(jì)的探討

該液壓泵的初期主要用于研究各種液壓泵、氣壓泵的傳輸形式以及各利益?zhèn)炔僮髦袣鈮罕煤吐窐虻穆窐蜻B接方式，以及每一故障源的分配方式。更好地滿足每個(gè)工作過(guò)程中不同級(jí)別操作的要求和不同操作條件的要求，主要解決以下問(wèn)題。1)研究挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)油泵的合理數(shù)量。2)探討采用六通閥來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)先油路和并聯(lián)油路的優(yōu)化組合,研究對(duì)液壓作用元件的最佳供油方式,以滿足挖掘機(jī)各種復(fù)合動(dòng)作的要求,合理地分配復(fù)合動(dòng)作時(shí)泵的流量。3)高生產(chǎn)率是挖掘機(jī)的主要性能要求,有時(shí)要求油泵全部的油能供給一個(gè)液壓作用元件,因此油路上必須解決液壓泵合流供油問(wèn)題。4)挖掘機(jī)在行走時(shí)有時(shí)需要作業(yè)裝置同時(shí)動(dòng)作,液壓系統(tǒng)必須考慮這種工況時(shí)挖掘機(jī)行走的直線性。以上是挖掘機(jī)油路中最基本的問(wèn)題,我們?cè)诖讼忍岢鰜?lái),引起大家注意,為今后理解復(fù)雜的液壓系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。今后要在此基礎(chǔ)上提出理解和分析液壓挖掘機(jī)復(fù)雜油路的基本方法。1回轉(zhuǎn)作業(yè)的獨(dú)立性挖掘機(jī)液壓回路最初采用單泵(圖1),因?yàn)閱伪媚芰繐p失大、不能滿足復(fù)合動(dòng)作要求,很快地改用雙泵,如圖2所示。接著采用雙變量泵系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)全功率控制,如圖3所示。一般來(lái)說(shuō),一個(gè)泵采用1個(gè)閥塊;雙泵采用2個(gè)閥塊,即2P2V系統(tǒng);三泵3個(gè)閥塊,即3P3V系統(tǒng)。由于雙泵系統(tǒng)只有兩個(gè)泵,只能保證兩個(gè)動(dòng)作完全獨(dú)立,3個(gè)液壓元件同時(shí)復(fù)合動(dòng)作時(shí),必然失去相互動(dòng)作的獨(dú)立性,產(chǎn)生動(dòng)作不確定性。三泵系統(tǒng)則可實(shí)現(xiàn)3個(gè)動(dòng)作獨(dú)立,所以歐美國(guó)家為保證回轉(zhuǎn)作業(yè)的獨(dú)立性,特別是用于起重作業(yè)時(shí)采用如圖4所示的三泵三閥組系統(tǒng),回轉(zhuǎn)油路采用了專用的小排量定量泵。設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)主要應(yīng)考慮以下因素:①泵數(shù)量的選取根據(jù)同時(shí)動(dòng)作的需要;②液壓傳動(dòng)的特點(diǎn)是要遵守帕斯卡原理,泵的油壓按共泵供油液壓元件的最高壓力來(lái)確定,多液壓元件同時(shí)工作所需油壓不同,必然存在壓差損失,從這點(diǎn)來(lái)看油泵數(shù)宜多;③對(duì)中位開式系統(tǒng),泵數(shù)量增加,不受相互干擾的可以獨(dú)立動(dòng)作的液壓元件數(shù)目增多,三泵系統(tǒng)較雙泵系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)三個(gè)動(dòng)作(回轉(zhuǎn)、動(dòng)臂和斗桿)獨(dú)立,從而提高操縱性;④隨著液壓泵數(shù)量的增多,液壓零部件數(shù)量增加、泵的驅(qū)動(dòng)麻煩、變量泵的控制比較困難、制造成本提高,液壓回路損失也會(huì)增大,對(duì)經(jīng)濟(jì)性和可靠性不利?？紤]兩個(gè)液壓作用元件同時(shí)動(dòng)作情況居多,日本挖掘機(jī)采用雙泵系統(tǒng)較多。歐美國(guó)家為保證回轉(zhuǎn)作業(yè)的獨(dú)立性,特別是用于起重作業(yè)時(shí)采用三泵系統(tǒng),回轉(zhuǎn)油路采用排量較小的定量泵或變量泵。小型液壓挖掘機(jī)工作裝置往往增加了推土板和動(dòng)臂偏轉(zhuǎn)功能,液壓作用元件數(shù)較多,因此不少采用三泵系統(tǒng)。大型和特大型挖掘機(jī)因?yàn)樗璧牧髁亢凸β蚀?只能采用多泵組合。2多路閥組和閥組塊的泵油2.1多路閥內(nèi)的送桿連接方式2.1.1三種連接方式多路閥內(nèi)閥桿油路連通方式有串聯(lián)式、并聯(lián)式、優(yōu)先(串并聯(lián))式三種。1壓動(dòng)作元件同時(shí)動(dòng)作前聯(lián)換向閥的回油口和后聯(lián)換向閥的進(jìn)油口相連,串聯(lián)油路的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)和兩個(gè)以上液壓動(dòng)作元件同時(shí)動(dòng)作,液壓泵的工作壓力是同時(shí)工作液壓元件壓力的總和,在初期挖掘機(jī)上曾采用過(guò)這種油路。由于挖掘機(jī)一般都在重負(fù)荷下工作,為了使結(jié)構(gòu)緊湊、減輕重量,每個(gè)液壓作用元件都按液壓泵壓力設(shè)計(jì),不允許兩個(gè)液壓元件串聯(lián)工作,因此串聯(lián)油路目前在挖掘機(jī)上已不采用。2負(fù)荷低不能動(dòng)液壓泵壓力油并聯(lián)地向各閥桿供油,各閥的回油并聯(lián)相通回油箱,如圖1至圖3所示。并聯(lián)油路的特點(diǎn)是多閥桿同時(shí)動(dòng)作時(shí),泵供油首先進(jìn)入負(fù)荷壓力最低的液壓元件,負(fù)荷高的液壓元件由于壓力低不能動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)多液壓元件同時(shí)動(dòng)作,必須通過(guò)閥桿節(jié)流,控制去各液壓元件的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)同時(shí)動(dòng)作時(shí)的調(diào)速,因此并聯(lián)方式要實(shí)現(xiàn)復(fù)合動(dòng)作技術(shù)要求很高、而且不穩(wěn)定,隨各液壓元件負(fù)荷變化情況和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等因素變化,可以說(shuō)該油路實(shí)現(xiàn)同時(shí)復(fù)合動(dòng)作較困難。3下沉閥控制液壓泵出口壓力油順序供油,上游的閥桿打開進(jìn)行工作時(shí),就切斷下游閥桿的進(jìn)油路,因此下游閥就得不到液壓泵壓力油而無(wú)法動(dòng)作。優(yōu)先閥回油路并聯(lián)回油,即使上游閥桿不在最大開度位置,部分油會(huì)通過(guò)節(jié)流口流向下流閥,存在下流閥控制的液壓元件動(dòng)作的可能性。但是嚴(yán)格地說(shuō)優(yōu)先油路只能一個(gè)液壓作用元件動(dòng)作,因此在挖掘機(jī)上不能全部采用優(yōu)先油路,只能采用局部?jī)?yōu)先油路。如圖4所示,右邊二個(gè)閥組采用行走優(yōu)先油路,當(dāng)行走閥操縱時(shí)下游閥的供油被切斷,這樣就防止下游閥桿動(dòng)作使泵分流,造成左右行走馬達(dá)供油不均而破壞行駛的直線性。2.1.2開系統(tǒng)的供應(yīng)道目前開式系統(tǒng)采用六通閥,有兩條供油通路。1直通油路閥桿在中位時(shí),壓力油通過(guò)直通供油道流經(jīng)各閥桿回油箱,實(shí)現(xiàn)中位卸載功能。直通供油道是優(yōu)先式油道,在各閥桿之間組成優(yōu)先油路,如上游閥桿動(dòng)作,壓力油就供給該閥桿操縱的液壓元件,直通供油道被切斷,它就不能向下游閥桿供油,因此下游閥桿操縱的液壓元件就不能動(dòng)作。2組合油路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并聯(lián)地向各閥桿供油,在各閥桿之間成并聯(lián)油路。目前挖掘機(jī)上采用的開式系統(tǒng)都是兩者組合油路,利用不同的組合方式可以形成各種形式并聯(lián)和優(yōu)先復(fù)雜組合的油路系統(tǒng)。進(jìn)一步還可以在直通供油道和并聯(lián)供油道中加上液控閥和電控閥,可實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜供油關(guān)系的液壓系統(tǒng),來(lái)滿足挖掘機(jī)復(fù)雜多樣的作業(yè)工況要求。2.2斗桿閥組和系統(tǒng)的工作原理挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的早期改進(jìn),主要是在多路閥直通供油和并聯(lián)供油的聯(lián)通方式上和增加一些合流閥和直線行走閥等,使得液壓系統(tǒng)更好地符合作業(yè)過(guò)程各工況要求。OHS(OptimumHydraulicSystem)系統(tǒng)是日立80年代設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng),當(dāng)時(shí)自稱是最優(yōu)液壓系統(tǒng)。該液壓回路是并聯(lián)油路和優(yōu)先油路的組合,是充分考慮動(dòng)臂、斗柄、鏟斗、回轉(zhuǎn)和行走復(fù)合動(dòng)作要求而設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)例,如圖5所示。圖中P2泵供右閥組,該閥組行走閥優(yōu)先,下面是備用、動(dòng)臂和鏟斗三閥并聯(lián),下游是斗桿閥;P1泵供左閥組,該閥組連接關(guān)系較復(fù)雜,回轉(zhuǎn)閥和動(dòng)臂閥之間聯(lián)通關(guān)系是并聯(lián)加優(yōu)先,回轉(zhuǎn)和動(dòng)臂上升是并聯(lián)關(guān)系,回轉(zhuǎn)和動(dòng)臂下降是優(yōu)先關(guān)系,回轉(zhuǎn)和斗桿、行走三者并聯(lián),但通住斗桿進(jìn)油路節(jié)流,通往行走閥進(jìn)油路有單向閥和節(jié)流口。日立OHS液壓系統(tǒng)具有以下功能:1)在作業(yè)過(guò)程中,①動(dòng)臂和斗桿單獨(dú)動(dòng)作,可實(shí)現(xiàn)閥外雙泵合流供油;②回轉(zhuǎn)和動(dòng)臂舉升同時(shí)動(dòng)作時(shí),P2單獨(dú)供動(dòng)臂,P1并聯(lián)供油給回轉(zhuǎn)和動(dòng)臂,使回轉(zhuǎn)加速時(shí)不產(chǎn)生溢流閥溢流;回轉(zhuǎn)和動(dòng)臂下降同時(shí)動(dòng)作時(shí),P1供油給回轉(zhuǎn),不向動(dòng)臂供油,僅P2供油給動(dòng)臂,由于兩泵分別給回轉(zhuǎn)和動(dòng)臂,油路上互相獨(dú)立,這樣就避免了油路相連,由于動(dòng)臂重力快速下降,建立不起油壓,因此回轉(zhuǎn)加速性能差;③回轉(zhuǎn)和斗桿同時(shí)工作時(shí),P1并聯(lián)供油給回轉(zhuǎn)和斗桿(經(jīng)節(jié)流孔),P2供油給斗桿;④回轉(zhuǎn)、動(dòng)臂、斗桿三者同時(shí)工作時(shí),P1并聯(lián)供油給回轉(zhuǎn)、動(dòng)臂和斗桿,P2供油給動(dòng)臂;⑤回轉(zhuǎn)、動(dòng)臂、斗桿、鏟斗四者同時(shí)工作時(shí),P1并聯(lián)供油給回轉(zhuǎn)、動(dòng)臂和斗桿,P2供油給動(dòng)臂和鏟斗。2)在行走過(guò)程中,①回轉(zhuǎn)、動(dòng)臂和斗桿三者中只要有一個(gè)動(dòng)作就會(huì)產(chǎn)生先導(dǎo)油壓,作用在合流閥上,使合流閥處于通路狀態(tài),此時(shí)P2并聯(lián)供左右行走,P1供回轉(zhuǎn)、動(dòng)臂和斗桿;②當(dāng)P1壓力高于行走油壓P2時(shí),P1通過(guò)單向閥和節(jié)流孔也可與P2合流向行走供油,保證行駛的直線性;③由于采用優(yōu)先油路,行走時(shí)鏟斗閥桿操縱,不會(huì)影響行駛直線性,但由于鏟斗供油路被切斷,不能動(dòng)作,即行走和鏟斗不能同時(shí)動(dòng)作。2.3雙泵供暖組分液壓挖掘機(jī)按泵分閥組供油,挖掘機(jī)六個(gè)液壓作用元件(動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、回轉(zhuǎn)和兩個(gè)行走馬達(dá))在通常的雙泵供油時(shí)分成兩個(gè)閥塊,分別控制三個(gè)液壓作用元件,考慮到需要經(jīng)常同時(shí)動(dòng)作的液壓元件,不要由同泵供油,因此最常用的分組方式是:回轉(zhuǎn)、斗桿和行走在一個(gè)閥組,由一個(gè)泵供油動(dòng)臂、鏟斗和行走在一個(gè)閥組,由一個(gè)泵供油這是因?yàn)閯?dòng)臂和回轉(zhuǎn)、斗桿和鏟斗需經(jīng)常同時(shí)動(dòng)作,而左右行走履帶要求分別驅(qū)動(dòng)。3液壓缸和斗桿液壓缸合流系統(tǒng)為了提高挖掘機(jī)生產(chǎn)效率、縮短作業(yè)循環(huán)時(shí)間,要求動(dòng)臂提升、斗桿收放和鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)有較快的工作速度,要求能雙(多)泵合流供油,一般中小型挖掘機(jī)動(dòng)臂液壓缸和斗桿液壓缸均能合流,大型挖掘機(jī)的鏟斗液壓缸也要求合流,這是挖掘機(jī)油路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮的問(wèn)題。目前采用的有閥外合流、閥內(nèi)合流及采用合流閥供油幾種合流方式。3.1插裝閥集成系統(tǒng)圖6所示油路是并聯(lián)油路和優(yōu)先油路的組合,兩閥組都是前三閥桿并聯(lián)連接,然后與第四閥桿優(yōu)先方式連結(jié)。這樣合流的液壓作用元件由兩個(gè)閥桿供油,該兩閥桿分別布置在兩個(gè)閥組中,由兩泵分別供油。由先導(dǎo)液壓操縱油路聯(lián)動(dòng)打開兩閥桿,壓力油通過(guò)閥外管道連接合流供給液壓作用元件。合流的閥桿被布置在優(yōu)先油路的下游,當(dāng)其它液壓元件動(dòng)作時(shí)油流就被切斷,不能實(shí)現(xiàn)合流。該方案斗桿單獨(dú)采用一個(gè)合流閥桿,因此斗桿操縱收放兩個(gè)方向都能合流供油。而動(dòng)臂和鏟斗是合用一個(gè)合流閥桿,因此動(dòng)臂只能舉升時(shí)合流、下放時(shí)不合流;鏟斗只在挖掘時(shí)合流、卸載時(shí)不合流。閥外合流操縱閥數(shù)量增多,需要通過(guò)閥外管道來(lái)連接,管路和接頭數(shù)量增多,使用上不方便。3.2按泵合流方向選擇行駛閥內(nèi)合流泵和閥塊的連接、閥桿的布置如圖7所示,用于小挖掘機(jī)上,有3個(gè)泵和3組閥,通過(guò)連接板把所有閥連成整體,合流的油道在內(nèi)部溝通。動(dòng)臂和鏟斗單獨(dú)動(dòng)作時(shí),泵P1和P2可合流供油給動(dòng)臂缸或鏟斗缸,為雙泵合流;斗桿單獨(dú)動(dòng)作時(shí),泵P1、P2和P3可合流供油給斗桿缸,為三泵合流。不行走時(shí)P3可單獨(dú)供回轉(zhuǎn);行走時(shí)P1和P3分別供給行走馬達(dá),P2供給動(dòng)臂、斗桿和鏟斗,不影響直線行駛性,但行走時(shí)進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作,P3分流供回轉(zhuǎn),將影響直線行駛性。閥內(nèi)合流外面管路連接簡(jiǎn)單,但內(nèi)部通道稍復(fù)雜,閥桿直徑的設(shè)計(jì)要綜合平衡考慮各種分合流供油情況下通過(guò)的流量。照理說(shuō)斗桿閥桿是三泵合流,可能通過(guò)的流量最大,閥桿直徑應(yīng)設(shè)計(jì)大些,但從設(shè)計(jì)制造角度考慮,最好是各閥桿尺寸取得一致。3.3動(dòng)臂機(jī)構(gòu)動(dòng)作閥外合流采用連動(dòng)操縱的兩個(gè)操縱閥桿,分別將兩個(gè)泵的油供給液壓元件,使操縱閥桿數(shù)增多,有的挖掘機(jī)油路采用結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的合流閥代替一個(gè)操縱閥來(lái)實(shí)現(xiàn)合流。圖8中增加了一個(gè)動(dòng)臂合流閥和一個(gè)斗桿合流閥,它們分別布置在兩液壓泵供油閥塊的下游。如圖8所示,當(dāng)動(dòng)臂閥在先導(dǎo)操縱油壓A作用下,處于動(dòng)臂缸大腔進(jìn)油位置,該先導(dǎo)操縱油壓A同時(shí)作用在動(dòng)臂合流閥上,使該閥處于圖下位,后泵的油就會(huì)通過(guò)動(dòng)臂合流閥和單向閥通向動(dòng)臂大腔,和前泵通過(guò)動(dòng)臂閥流向動(dòng)臂大腔的油合流。當(dāng)動(dòng)臂閥在先導(dǎo)操縱油壓B作用下,處于動(dòng)臂缸活塞桿進(jìn)油位置時(shí),由于油壓B不作用于動(dòng)臂合流閥,因此僅前泵供動(dòng)臂缸,無(wú)合流作用。當(dāng)斗桿閥在先導(dǎo)操縱油壓作用下,斗桿油缸動(dòng)作時(shí),該先導(dǎo)作用油壓同時(shí)作用于斗桿合流閥上,使斗桿合流閥處于上位關(guān)閉狀態(tài),通過(guò)右閥塊各閥流向回油的油被切斷,這樣不僅后泵供給斗桿油腔,前泵也通過(guò)單向閥供油給斗桿閥起合流作用。動(dòng)臂合流屬于閥外合流,在通向動(dòng)臂油缸大腔處合流;斗桿合流屬于閥內(nèi)合流,兩個(gè)泵的油合流后進(jìn)入斗桿操縱閥。4油液壓泵設(shè)計(jì)中需要注意的一些具有雙泵液壓系統(tǒng)的挖掘機(jī)行駛時(shí),往往是兩個(gè)油泵分別向左右行走馬達(dá)供油,如果在行駛中需要工作裝置動(dòng)作,就會(huì)將其中一個(gè)油泵的油分流供其它液壓作用元件,使該泵供油的行走馬達(dá)速度降低,形成挖掘機(jī)意外偏轉(zhuǎn)造成事故(特別是上下裝載卡車時(shí)),這也是挖掘機(jī)油路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需考慮的問(wèn)題。4.1直通插裝閥的工作原理為了實(shí)現(xiàn)工作裝置同時(shí)動(dòng)作時(shí)直線行駛,一般采用直行閥,圖8表示CAT系統(tǒng)直行閥的布置,圖9為直行閥工作原理圖。在行駛過(guò)程中,當(dāng)作業(yè)裝置(動(dòng)臂、斗桿、鏟斗和回轉(zhuǎn))任一動(dòng)作時(shí),作業(yè)裝置先導(dǎo)操縱油壓就會(huì)作用在直行閥上,克服彈簧力,使直行閥處于上位。圖10中,前泵并聯(lián)供左右行走,后泵并聯(lián)供回轉(zhuǎn)、斗桿、鏟斗和動(dòng)臂動(dòng)作,后泵還可通過(guò)單向閥和節(jié)流孔和前泵合流供給行走。4.2先導(dǎo)閥。見(jiàn)表3圖10為NABCO公司挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)和直行閥原理圖,它由3個(gè)泵、8個(gè)操縱閥桿和1個(gè)直行閥組成,左右行走、鏟斗、斗桿和動(dòng)臂閥5個(gè)閥桿上有控制先導(dǎo)油的閥道,其作用是自動(dòng)控制直行閥起作用。直行閥一端受彈簧力作用,另一端受先導(dǎo)油壓PP作用,當(dāng)先導(dǎo)油卸壓,在彈簧力作用下,直行閥在上位,不起作用;當(dāng)先導(dǎo)油壓PP建立了油壓,克服了彈簧力,使直行閥處于下位,直行閥起作用。直行閥是與其它閥桿聯(lián)動(dòng)的,在鏟斗、動(dòng)臂、斗桿和行走等閥桿中都具有控制先導(dǎo)油PP通或斷的閥道,當(dāng)左行走閥桿在中位,PP油通過(guò)它通回油卸壓;當(dāng)右行走閥桿在中位,PP油通過(guò)它通回油卸壓。作用在直行閥上的先導(dǎo)油壓PP,只要滿足下列一個(gè)條件就卸壓回油:①左右行走閥有一個(gè)在中位;②動(dòng)臂、鏟斗和斗桿閥都處于中位。PP能通過(guò)行走閥桿(不管它處于什么位置)到斗桿閥,如斗桿閥處于中位,能通過(guò)它至鏟斗閥;如鏟斗閥在中位,能通過(guò)它至動(dòng)臂閥;如動(dòng)臂閥在中位,能通過(guò)它回油卸壓。反過(guò)來(lái)說(shuō),要使直行閥處于下位起作用的位置,必須要兩行走閥離開中位處于操縱位置,同時(shí)動(dòng)臂、鏟斗和