工程機械“半閉式”液壓系統技術介紹

江蘇天嘉車輛技術有限公司 江蘇揚州 225224

隨著液壓技術快速發展,工程機械產品越來越多地采用液壓系統進行傳動控制。工程機械液壓系統控制方式傳統上分開式系統和閉式系統兩種,用戶可根據產品使用工況、使用壓力、設計成本、布局空間尺寸來選擇。上述兩種控制方式各有優缺點,都有一定的適用場合。但在液壓系統實際設計中還會遇到上述兩種系統都不能滿足設計要求的情況,比如二類底盤改裝中,液壓系統設計成本不能太高,無法采用閉式系統;又因工況需要,液壓泵的排量很大,超過100mL/r并且有些是雙泵系統,需要很大容積和尺寸的液壓油箱,同時液壓泵到油箱吸油口需要采用通徑很大的管路,實際改裝中根本不具備滿足上述條件的空間尺寸,所以開式系統理論設計上滿足,而實際施工卻無法滿足。為此,可以采用“半閉式”液壓系統來滿足上述要求。

1 開式、閉式液壓系統控制原理及優缺點介紹

開式系統是指液壓泵從油箱吸油,通過換向閥給液壓缸(或液壓馬達)供油以驅動工作機構,液壓缸(或液壓馬達)的回油再經換向閥經過液壓油散熱再回到液壓油箱,形成一個開式回路。開式系統具有結構簡單、液壓元件選擇面較廣且使用成本較低,液壓系統散熱性較好等優點,從而降低了液壓系統的做功效率。但同時該系統也存在液壓元件布局尺寸較大,尤其是需要一個較大容積的液壓油箱等缺陷。

閉式系統是指液壓泵的進油管直接與執行元件(多為液壓馬達)的回油管相連,工作液體在系統的管路中進行封閉循環。閉式系統結構較為緊湊,與空氣接觸機會較少,空氣不易滲入系統,故傳動的平穩性好、做功效率較高。但閉式系統工作壓力多為30～40MPa高壓系統,因此液壓元件選擇面較窄,對液壓元件技術要求更高,使用成本更大。另外,因工作機構的變速和換向靠調節泵或馬達的變量機構實現,避免了在開式系統換向過程中所出現的液壓沖擊和能量損失。但閉式系統較開式系統復雜,由于其工作完的油液不回油箱,液壓油箱容積較小,油液的散熱和過濾的條件較開式系統差。為了補償系統中的泄漏,通常還需要一個小排量的齒輪泵進行補油和沖洗散熱。一般情況下,閉式系統中的執行元件若采用雙作用單活塞桿液壓缸,由于大小腔流量不等,在工作過程中會使功率利用率下降,所以閉式系統中的執行元件一般為液壓馬達。

2 半閉式液壓系統控制原理分析

半閉式系統顧名思義是一種介于開式和閉式之間的系統,它很好地吸收了上述兩種系統的一些優點,避開了他們一些的缺點。半閉式液壓系統的控制原理如圖1所示。

圖1 半閉式液壓系統控制原理圖

下面結合圖1分析一下其控制原理:

(1)半閉式系統的主要執行元件是液壓馬達,該原理圖是一個電比例柱塞變量泵(以下簡稱液壓泵)控制一個液壓馬達旋轉。當電磁集成閥塊(以下簡稱閥塊)上的電磁閥得電,液壓泵打出的液壓油通過閥塊進入液壓馬達,驅動液壓馬達旋轉做功;其回油再通過閥塊進入液壓油散熱器和回油過濾器后進入液壓泵吸油口處,該吸油口處通過單向閥和液壓油箱相通。單向閥需要一定壓力才可以打開,所以液壓系統的回油是優先滿足液壓泵吸油,吸油存在的富裕油量會同時打開單向閥回到液壓油箱。

(2)齒輪泵打出的液壓油進入液壓油散熱器負責給液壓系統補油。通過控制液壓泵輸入電流值和輸入轉速就控制了液壓馬達輸出轉速。反之,當閥塊上的電磁閥不得電,液壓泵打出的液壓油直接通過閥塊回油口進入液壓油散熱器、回油過濾器后進入液壓泵吸油口處,該吸油口處通過單向閥和液壓油箱相通。單向閥需要一定壓力才可以打開,所以液壓系統的回油是優先滿足液壓泵吸油,吸油存在的富裕油量會同時打開單向閥回到液壓油箱。

(3)根據圖1的液壓原理圖,無論馬達是否做功,液壓系統的內泄主要是液壓泵和液壓馬達。齒輪泵直接從液壓油箱吸油,負責給液壓系統補油,其輸出流量要略大于液壓泵和液壓馬達的最大內泄總和。

(4)為了降低油溫,在閥塊回油管路上安裝液壓油散熱裝置;為了保證液壓系統清潔度,在散熱器出口安裝了回油過濾器。通過上述處理后,可以保證進入液壓泵吸油口處的液壓油的清潔度和油溫,從而很好地解決了傳統的閉式系統無法解決的油溫高、過濾條件差等缺陷。

(5)單向閥也可以選擇可調節順序閥或溢流閥,本原理圖中選擇單向閥,根據使用經驗,其開啟壓力多選擇 2.5～4.0bar。

(6)工作中,尤其是液壓泵停止運轉過程中,若發生液壓泵吸空現象(吸油不足時會發出很尖銳的聲音),說明進入液壓泵吸油口的流量明顯不足,大部分液壓油通過單向閥回到油箱。此時需要更換較大開啟壓力單向閥,直到液壓泵不在發生吸空現象為止,但是該壓力建議不要超過8bar。

圖1液壓原理圖上的所有液壓元件,尤其是液壓泵都可以選型開式系統上的液壓元件,具有選擇面很廣、使用成本較低等優點。因采用半閉式系統,液壓泵的回油沒有全部回到液壓油箱,只是補油齒輪泵從液壓油箱內吸油,所以液壓油箱容積較小,類似于傳統閉式系統,因而具有液壓油箱尺寸較小、便于布局安裝等優點,也間接降低了客戶更換液壓油的使用成本。實物如圖2所示。

圖2 半閉式液壓系統控制實物照片

3 結論

半閉式液壓系統不僅具有開式系統的液壓元件選型面廣、采購成本低等優點,也具有閉式系統液壓油利用率高、液壓油箱容積較小等優點,很好地克服了開式系統液壓油箱容積較大、布局安裝局限性大等缺陷。半閉式系統的成功應用,實現了開式系統和閉式系統優勢互補,形成了第3種液壓系統,具有一定的推廣應用前景。