液压挖掘机多路换向阀中斗杆回路设计分析

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液压挖掘机多路换向阀中斗杆回路设计分析李合永，张 杰(山东中川液压有限公司)H ◆ -◆ -◆ -◆ - ◆ _◆ 。◆ - -lib-．◆ -+ -+ -◆ ·◆ -◆ -◆ - ◆ 。◆ 。◆ 。◆ 。◆ 。 ’-● 。● ◆ ◆ ◆ ．． 。◆ 。◆ ‘： 摘 要：针对目前市场上流行的挖掘机液压系统，概述挖掘机液压系统中；构特点和工作原理，重点阐述多路换向阀中斗杆回路结构与工作原理，分析其{设计原理，通过试验测试证明数据的可靠性、可行I生。

关键词：挖掘机 ；液压系统；斗杆；再生目前国内液压挖掘机主要有两种油路系统：开心直通回油六通阀系统和闭心负载敏感压力补偿系统，我国国产大中型液压挖掘机大多采用开心系统。这种液压控制系统主要有负流量控制系统和正流量控制系统，由于负流量控制系统比较成熟，而正流量控制电控系统复杂且价格较贵，因此国内大部分液压挖掘机都使用负流量控制系统。本文重点对负流量控制系统多路换向阀中斗杆阀芯的工作原理以及设计思路作一分析介绍。

1 挖掘机液压系统中多路换向阀结构特点和工作原理如图 1所示的多路换向阀主要是针对液压挖掘机负流量控制液压系统设计的阀。主控阀主要性能特点：最大流量(单泵 )250 L／min，最大压力 34-3MPa，能实现动臂提升合流、斗杆合流、斗杆再生、直线行走、动臂提升优先、回转优先、斗杆闭锁、动臂闭锁、铲斗合流等功能。

其工作原理如图 2所示 ，当所有阀芯位于中位时，从液压泵 P1输出的压力油流经多路换向阀通过左行走、回转、动臂 2和斗杆 1的阀芯，最后回到液压油箱。同时，斗杆 l侧的负流量控制小孔上游的压力(负流量控制信号压力)被从FL口引向液压泵P1侧的伺服阀调节器，控制泵的输出流量。从液压泵 P2输出的压力油通过多路换向阀流经右行‘ 。 。 。 。 、 多路换向阀结 ：性能优势以及；l●◆ _． -◆ 。
，图 1 多路换 向阀外形 图走、液压破碎锤(备用)、动臂 1、铲斗和斗杆 2的阀芯，最后回到液压油箱。同时，斗杆 2侧的负流量控制小孔上游的压力(负流量控制信号压力)被从 FR口引向液压泵 P2侧的伺服阀调节器，控制泵的输出流量。

带有负流量控制液压泵的液压系统可以实现：当系统各阀杆处于中位时，通过负流量控制阀产生反馈信号，输出外控压力油到主泵伺服阀，使主泵的流量随外控压力油的增大而减小，避免了传统的挖掘机靠溢流阀溢流控制的方式，从而最大限度地减少功率的溢流损失和系统发热。

作者简介：李合永(1982一)，男，山东沂南人，工程师，研究方向：挖掘机液压系统元件的开发与研究。

一 5l一 右行走 XBtrBtrXAtrAtrl 厂一备用 (XBo)lBo(XAo)[Ao r动臂1 XBblBbl(降落)XAblAbl( 升)D一 BCh2霹 R2 P2Py PG}rTS1ILr— J] j一 一 jJ j1 iLCbl I i— t ——— I一 一 jju Pb1.

铲斗Bk1(亲 )XAkAkl(挖掘)斗杆2XAa2XBa2BkR —AkR厂LCa2一 一 rPxPHRl直线行走XAtL 发行走BtLXBtlAtL一 一 - 一 一 CCti{lJ《 1一 B童1RLL一回转As XB(PsP)XAb2动臂2XAalgXBal 斗l枰1Bal(抬起)XAalAal(收嗣)U ；BPD ( p图 2 多路换向阀工作原理图2 多路换向阀内斗杆回路结构与工作原理2．1 斗杆伸出过程液压挖掘机工作时斗杆伸出动作如图3所示，其工作原理如图4。

驾驶员操纵斗杆先导阀换向，使先导压力油同时作用于斗杆 1阀芯、斗杆 2阀芯的XBal、XBa2油口，斗杆阀芯被推动换向，主油路 Pl、P2同时供油，汇合后的压力油经过锁定阀后流人斗杆液压缸有一 52一 ：： 斗杆锁定阀Dr3图3 斗杆伸出动作过程● ● ．
L 鏖l=图 6 斗杆收回动作液压原理图一 53— 驾驶员操纵斗杆先导阀换向，使先导压力油同时作用于斗杆阀1、斗杆阀2的XAal、XAa2油口，斗杆阀芯被推动换向，主油路P1、P2同时供油，通过阀内通道汇合后的压力油进入斗杆液压缸无杆腔口，使斗杆液压缸伸出。另一方面，从斗杆液压缸有杆腔口来的回油经过斗杆 1和斗杆 2阀芯后流人锁定阀，此时锁定阀开启，压力油经过多路换向阀内部油路回到油箱。

2．3 斗杆再生与斗杆锁定2．3．1 斗杆再生2 3 4在斗杆收回动作中，仅在轻载过程中，由于重力的作用，斗杆液压缸有杆腔一侧的回油被斗杆的自重加压并回到斗杆 1滑阀组件(图 7)中的滑阀 2人口b处，此时进油压力较低，回油路上回流阀此时在弹簧作用力下处于节流位置，回油受阻，压力上升，此时压力油会推开斗杆 1滑阀组件内部的单向阀阀芯 6，经油口a将回油收入进油侧，实现再生。再生功能一方面防止斗杆收回时，斗杆液压缸出现吸空现象，斗杆出现短暂停留现象；另一方面增加斗杆收回速度。

91．螺杆 2．滑阀 3，5，8．弹簧 4．小阀芯 6．单向阀阀芯 7．回流阀阀芯 9．螺栓图 7 斗杆 1滑阀组件结构图当铲斗接触到土壤时，负载增加，液压缸无杆腔压力上升，两位两通阀右移，单向阀阀芯6关闭，实现正常供油，液压缸得到较大推力。

随着斗杆液压缸无杆腔一侧内的压力升高，当无杆腔人口的压力升高到 3 MPa时，斗杆 1滑阀组件内的单向阀阀芯 6关闭，而回路中的斗杆回流阀开启，从有杆腔一侧来的回油经过滑阀 2上的孔 c全部流回油箱，这就结束了斗杆的再生动作。

2．3．2 斗杆闭锁斗杆锁定阀安装于斗杆液压缸和主控制阀之- - - — — 54-——间，用于停止操作时斗杆液压缸由于系统泄漏和机器 自重引起的自然下滑。它由控制阀(图 8)和止回阀 nv(参见图 lO)构成，其工作原理如图9所示，当PaL口无先导油压力时，液压油只可以单方向从A流向B；当 PaL口有先导油压力时，控制阀换向，液压油既可从 A流向B，也可从 B流向A。

斗杆液压阀的合流再生技术，具有作业效率高、能耗低、安全可靠、操作舒适可控等诸多优点。

图8 控制阀结构剖视图图 9 斗杆锁定阀工作原理图斗杆1斗杆23 斗杆回路设计原理挖掘机中多路换向阀的斗杆回路结构剖视如图 10。

在挖掘机液压系统中，主要是通过手柄控制先导阀，再由先导阀的压力油推动主阀阀芯调整位移，达到调整通流面积的目的。而在调整阀芯位移的同时，需要在阀芯上由相应的节流口形状及节流口的461，8．内弹簧 2，7．外弹簧 3．止回阀Hv 4．斗杆 1阀芯 5．安全补油阀 6．斗杆2阀芯图 1O 多路换向阀斗杆部位结构剖视图组合方式与其配合，从而达到准确控制液压缸速度的目的。阀芯节流口的形状和结构不仅要满足控制流量的要求，还必须考虑其他方面的问题，如噪声、气穴、执行机构的动态稳定性以及整个液压系统的节能性。图 11与图 12分别为斗杆 1、斗杆 2阀芯位移与开口面积曲线，其图中代号同时参见图 10。

先导压力油同时作用于斗杆 1与斗杆 2阀芯侧端，而斗杆回路结构(图 1O)中内弹簧 1、外弹簧 2与内弹簧8、外弹簧7性能参数不同。因此相同的先导压力使阀芯移动的位移有差异。

表 l为斗杆 1与斗杆 2阀芯在先导压力作用下达到不同位置时理论设计计算要求数值。表中P。

为阀芯开始移动时的先导压力值；p 为阀芯开始接通时的先导压力值；p 为阀芯通流全部打开时先导压力值。可以发现在先导压力接通时，斗杆 1阀芯先开启，当斗杆 1通流面积接近全部开启时，斗杆 2阀芯也开始打开，这样使得斗杆的微操作性能、动态稳定性能增加，加强了动作的操作性能。

4 斗杆回路性能测试对斗杆部分进行了大量的数据采集 、性能测试。图 13与图 14所示为在试验台上进行斗杆阀芯二次压力与流量测试试验结果。从测试的结果进一步验证研发设计时的设计要求。

一 55— 表 1 斗杆阀芯开启对应二次先导压力计算数值阀芯 先导油口 P0／MPa Pl／MPa P2／MPaXAal 0．43 0．54 1．83斗杆 1XBal 0．43 O．54 1．83XAa2 0．98 1．46 2．69斗杆 2XBa2 0．98 1．46 2．69同时对挖掘机液压阀控制系统也进行了多次的装机试验以及长时间的工业性考核 ，图 15为装一 56一 机测试中斗杆动作时执行液压元件以及前、后泵压力流量变化曲线图。通过测试曲线进行液压系统的性能调试，使各种工况下挖掘机复合动作更加协调合理。经过多次试验调试 ，无论从试验测试数据上，还是从操作经验丰富的挖掘机操作人员的感觉上，我公司开发调试的液压系统的操作舒适性和动作平稳性都不低于国内外的同类液压挖掘机系统。

10 1 I1．镗刀 2．紧固螺栓 3．立板 4．镗杆 5．镗杆套 6．上封板 7．下封板 8．F形夹具 9．水平工作平台 lO．后加强筋板 11．主侧板 l2．下支撑板 13．底板 l4．工件图2 利用摇臂钻床镗削臂架孔坡口用镗模工装加工臂架孔坡口时便于及时将加工的铁屑排除。在上下镗杆套5中穿装镗杆4，镗杆4上端的莫氏锥柄与摇臂钻床主轴孔相连 ，镗杆 4的下端开有方孔，用于安装镗刀 l，并用紧固螺栓 2紧固。

加工臂架孔坡口时，先把镗模固定安装在摇臂钻床的工作台上(镗模工装与摇臂钻床通过底板 13上的腰圆孔连接)，然后在镗模的水平工作平台 9上放置已钻孔的臂架板 ，用 F形夹具 8固定工件 ，F形夹具 8保证了工件的安装定位，有利于提高孔坡口的加工精度。利用摇臂钻床的主轴旋转运动带动镗杆4上的镗刀 1对工件进行坡口的加工。根据生产需要，当不需要加工臂架孔坡 口时，还可以把镗模工装拆卸下来，使其恢复钻床功能。

2 结论摇臂钻床镗削臂架孔坡口用镗模工装的设计 ，解决了企业在加工臂架孔坡口时，对大型镗床依赖的难题。充分利用企业现有的机床，降低了生产成本；在批量生产时，保证了生产进度和产品质量。

参考文献[1】成大先．机械设计手册[M】．北京：化学工业出版社，2002.

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通信地址：安徽省马鞍山市雨山经济开发区红旗南路 118号华菱星马汽车(集团)股份有限公司技术中心(243061)(收稿日期：2013—06—21)(上接 第 57页)多路换向阀为现代挖掘机液压系统中的核心元件，对整个挖掘机性能影响很大。本文重点讲述了多路换向阀内最复杂、最典型的斗杆回路的工作原理以及开发设计过程，阀内其他回路的设计思路不尽相同，在此不再赘述。

通过对阀节流 口开口面积的调节以及优先动作的设置，可实现挖掘机不同的复合动作 ，从而满足用户不同的工况需求。希望通过以上对液压挖掘机多路换向阀中斗杆回路的设计分析，能为专业人员在研发设计以及挖掘机液压系统的调试维修等方面提供参考。

一 62一 参考文献f1]雷天觉．新编液压工程手册 fM】．北京：北京理工大学出版社，1998.

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通信地址：山东省青岛经济技术开发区前湾港路579号 山海花园实验研发楼 3-302(266510)(收稿日期：2013—05—23)