挖掘机正流量控制液压系统浅析

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◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ 、 ，概述正、负流量液压系统中核心 ：；析了正流量液压系统的性能优势 !前景。 . . . .◆ .◆ .◆ .◆ .. .◆ .. .◆ . ，目前国内中高档挖掘机液压元件被国外全面垄断控制，国外进口液压件价格昂贵，因受消费能力的影响进入国内市场的主流液压件技术相对落后，致使国内挖掘机液压系统的发展也相对落后。

为打破这种技术垄断，激活国内高端液压件市场 ，促进重大装备技术领域如军工、航空航天等领域的发展，这就需要开发出价格便宜、技术先进、拥有 自主知识产权的高端液压件。

液压系统的流量实时匹配方式是液压挖掘机的核心技术之-。目前 ，国内主流挖掘机普遍采用负流量液压系统。负流量系统能够实现液压系统流量的动态匹配，但同时存在响应时间长、流量波动大、可操作性差等缺点。山东中川液压有限公司经过技术攻关，在国内率先研制成功液压挖掘机正流量控制系统。本文在与负流量系统对比的基础上，对正流量液压系统作介绍。

1 正、负流量液压系统组成及工作原理在挖掘机上，各执行元件的速度会随操作手柄行程的变化而变化，液压系统会根据这种变化对液压泵排量进行控制。

负流量液压系统：手柄行程越小，对应的二次先导压力也会越小，由二次先导压力控制的主阀芯的开启度也会越小，与之对应多路阀分向执行元件的油液越少，执行元件的速度就会越慢，通过换向阀中位流经负压信号发生装置的油液就越多，负压信号的压力值就会越大。液压泵根据负压信号的压力值的大小来对其排量进行控制，其系统结构框图如图 1所示图 1 负流量液压系统结构框图作者简介：李合永(1982-)，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。

- 36- 正流量液压系统：在正流量的主控制阀上没有负压信号发生装置，它的信号采集于先导压力，主泵的排量与先导操作手柄输出的信号压力成正比。

主控制器根据先导压力信号及其变化趋势判断执行器的流量需求及其变化趋势，并据此对主泵排量实施调节，以使系统的流量供应能够动态跟随执行元件的流量需求，实现系统流量的实时匹配，达到所得即所需”，其系统结构框图如图2所示。

图 2 正流量液压系统结构框图正流量液压系统的工作原理如图 3所示，对于正流量液压控制系统，在每个执行动作的先导油路上安装了压力传感器∝制器根据先导压力信号的叠加值及其变化趋势判断执行器的流量需求及其铲斗液压缸 动臂液压缸变化趋势，并据此精确控制泵的排量；同时，通过检测主泵出口表征负载的压力 ，根据泵的p-Q曲线得到液压泵的另-排量值，根据此两排量值来实施调节油泵的排 ，以使系统的流量供应能够动态跟随斗杆液压缸图3 正流量液压系统的工作原理- 37- 执行元件的流量需求，实现系统流量的实时匹配。

手柄及踏板的先导压力信号同时发送到液压泵和主控阀，主控阀的动作和液压泵的动作可以同步进行，因而具有良好的操作性。

对串联双泵来说，在总功率不超过发动机输出功率的前提下，根据典型工况，合理分配两泵功率。

根据需要独立调节供给各工作机构的流量，避免双泵同步调节的流量浪费。例如平整土方时斗杆动作较快，动臂较慢的工况，则相应增大斗杆泵的排量而减小动臂泵的排量。

在满足流量需求的前提下，当系统不需要高功率时，柴油机能自动降低转速，节省燃油消耗。同时系统具有压力切断功能 ，通过控制器设置两个泵的可变压力切断值，使系统压力控制在设定的切断压力值以下，减少溢流阀的泄油损失。

功率极限载荷控制，控制器实时计算外负载的功率需求，在线识别当前作业模式和工作参数，根据用户的速度要求和工作状况，实现动力系统功率自适应控制，有效地利用发动机的输出，以提高燃油使用率，控制原理流程如图4。

j- 弓了攥柴油机图4 控制原理流程图同时正流量控制系统中，不存在负流量中的负压信号，它的回油压力仅仅是背压(-般在0.5 MPa左右)，这就减少了-个不必要的功率损失。由于以上原因，从而使得正流量挖掘机在完成同样工作量的情况下，比负流量控制的挖掘机省油。

同时泵调节器上附有应急电液控转换阀，当电控系统发生故障时，将转换阀转换到液控状态，即可改变功率的设定值。此时压力p，(动力换档压力)等于3.9 MPa，经过内部通路传递到各液压泵调节器的功率调节机构，各自的功率设定值将发生变化。同时泵排量将放置最大。当有动作时，泵可以进行交叉恒功率控制，挖掘机可正常工作 ，泵控制曲线见图 5。

(0) (50) (100)(150) (200) (250) (300) (350) (400)(kggcm )输出压力 /MPa200 100 600 800 电流值 mA1.正流量曲线 2.交叉恒功率曲线(电控状态下) 3.交叉恒功率曲线(液控状态下 )图5 泵控制曲线正流量控制系统采用 自主研发的新型控制器对整机进行电气 -液压控制，通过发动机油门位置反愧发动机转速监控、功率极限调节等电控手段和主泵正流量控制、直线行走比例控制、回转优先- 38- 比例控制、铲斗合流比例控制等液控手段 ，使发动机功率与液压泵功率实时匹配，实现主机输出功率与外负载的计算机动态跟随控制，达到挖掘机与外负载作业系统的最优控制，实现挖掘机动力性和经济性的完美结合。

2 正、负流量液压系统中核心液压元件性能特点开发出适用于智能化控制系统的液压主件，先进、优质、可靠的液压主件是实现电子 -液压技术相结合的关键。在原有负流量系统基础上对正流量挖掘机液压系统的配套液压件进行二次开发。

图 6所示为正流量液压系统中核心元件电比例泵，该泵可实现交叉恒功率控制和电比例控制两大功能，具有结构简单、响应速度快、可靠性高的特点。通过电比例控制可实现单泵自由控制，合理地分配发动机的功率，降低油耗。该泵还可实现系统图 6 电比例泵外形图电子压力切断功能，有效降低能量消耗。同时该泵带有电液转换阀，可转换到液控位，实现液压控制，进-步提高了正流量系统的可靠性，其工作原理如图7所示。

图7 电比例泵工作原理图电比例泵与负流量泵相比，优化了液压泵的调节机构、取消了转矩阀、负流量控制机构等。

正流量多路阀(图 8)是针对正流量控制液压系统设计的阀。主控阀的不断改进，使主控阀对液压油的分配更加合理。主要性能特点：合流(动臂提升、斗杆展)、再生(动臂下降、斗杆收)、回转优先、直线行走；留有备用阀，可选择安装破碎锤、液压剪等附件，实现-机多能；二位三通电磁换向阀能实 图8正流量多路阀外形图- 39- 3 正、负流量液压系统性能测试比较测试是液压技术的灵魂 ，测试是最重要的研发手段，是改进的开始和终结。要创新，离不开测试，要想制造出高水平的液压系统，就必须进行大量的性能测试。液压元件是系统的基础，为此，对液压元件进行了型式测试(超速性能、超载性能、噪声、高低温性能、抗冲击性能、密封性能、响应特性、优先特性、合流与再生特性等)，出厂试验(效率试验、变量特性试验、渗漏试验与补油性能等)。图1O所示- - - - - 40·---为在试验台上进行出厂试验时泵功率曲线的调试结果。同时对正、负流量液压系统也进行了多次的搭机试验以及长时间的工业性考核，图 1 1所示为挖掘机液压系统性能考核现常通过对表 1的测试结果进行分析，在相同的工况下，对比负流量控制系统，正流量电控液压系统综合生产效率提高6%，平均油耗降低 8%。

图12～图14为搭机测试中各执行机构动作时执行液压元件以及前、后泵压力流量变化曲线图。

通过测试曲线进行正流量液压系统的性能调试 ，使表 1 正、负流量液压系统搭机测试对比数据表液压系统 时间 /min 油耗 信 土方量 /斗 平均油耗/(d斗) 生产率 /(斗 /1)负流量系统 l9.68 6420 67 95.82 201正流量系统 20.06 6 260 71 88.17 2l3数据对 比 -8% 6%j删皿吲媛乒暴 星l 二 I 吖l 呐 Iu枣泵流量t I 嘛 前泵压力- - 。 - 1 f V：～ 厂、，、后泵压力 - l 臣 绡什胜臆刃 l O时间，s图12 动臂上升下降压力流量曲线后泵流量 泵样睦压力 腔压力1O 15时间/s图13 铲斗挖掘打开压力流量曲线前泵流量前泵压力后泵流量 -.：马达进油口压力话泵压力 马达出油口压10 15 2O时间，s图 14 回转压力流量曲线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，正流量液压- 42- 系统的操作舒适性和动作平稳性都明显比负流量系统要高。

历经十个月的研发改进， 多次的搭机性能试舳 ∞ ∞ 加 ∞ ∞∞ 们加ittTlT，，tIlt T，tl ∞ ∞ ∞ 0 ∞3 2 l l n/ R -谜∞ 舳 ∞ ∞2 l 1 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ OJ 2 2 1 1 趟 讧 0 眦2 1 1 -Ⅲ/ -删验 ，正流量液压系统实现了电控液压系统与发动机、工作装置-体化的有机结合，取得了突破性的成果。

4 结论经过搭机测试 ，正流量系统挖掘机比负流量系统挖掘机综合性能指标显著提高，操作舒适性和动作平稳性也有较大提高。而其成本与负流量挖掘机基本持平，具有较高的性价比。挖掘机液压系统采用其配套，将具有显著地经济效益和社会效益。

高效、节能、环保、操作舒适性、高可靠性是产品开发的目标，也是客户的基本要求。正流量控制液压系统的研发成功，将推动国内挖掘机液压技术的快速发展，逐渐打破国外对我国高端液压元件的垄断，从而打破依赖进口的被动局面，使我国的液压技术眷与国际先进技术相接轨。