基于負(fù)載獨(dú)立流量分配系統(tǒng)（LUDV）的新型液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)

姜 鵬，呂秀梅,2，王 濤，王占武

（1.遼寧瀚石機(jī)械制造有限公司，遼寧 阜新 123000；2.阜新市產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，遼寧 阜新 123000；3.沈陽卓信機(jī)電設(shè)備有限公司，遼寧 沈陽 110000；4.遼寧北辰液壓氣動(dòng)有限公司，遼寧 阜新 123000）

液壓挖掘機(jī)是一種在露天礦山連續(xù)開采中廣泛應(yīng)用的設(shè)備，具有高效連續(xù)作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)[1]。目前液壓挖掘機(jī)大多采用全液壓驅(qū)動(dòng)模式，為了節(jié)約能量、降低油溫和提高控制精度，以及使同步動(dòng)作的幾個(gè)執(zhí)行元件在運(yùn)動(dòng)時(shí)互不干擾，較先進(jìn)的液壓挖掘機(jī)都采用了負(fù)載敏感泵與比例負(fù)載敏感多路閥技術(shù)。目前液壓挖掘機(jī)常用的流量分配系統(tǒng)可分為傳統(tǒng)的LS 負(fù)載敏感系統(tǒng)即壓力補(bǔ)償器位于換向閥前的閥前補(bǔ)償系統(tǒng)和壓力補(bǔ)償器位于換向閥閥后的負(fù)載獨(dú)立流量分配的LUDV 系統(tǒng)[2]。當(dāng)液壓挖掘機(jī)需要多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，挖掘機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的流量超過液壓系統(tǒng)泵的最大流量（即流量飽和）時(shí)，傳統(tǒng)的閥前補(bǔ)償系統(tǒng)，負(fù)載較高側(cè)節(jié)流閥口兩端壓差下降，當(dāng)達(dá)不到壓力補(bǔ)償閥的設(shè)定壓力時(shí)，壓力補(bǔ)償閥就會(huì)失去流量分配的作用，使得幾個(gè)機(jī)構(gòu)不能同時(shí)動(dòng)作，油液全部流向低負(fù)載的執(zhí)行元件，導(dǎo)致多個(gè)動(dòng)作時(shí)，會(huì)出現(xiàn)爭油現(xiàn)象。因此，現(xiàn)在更多的工程機(jī)械采用LUDV 系統(tǒng)，尤其在需要全液壓驅(qū)動(dòng)的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中，與LS 系統(tǒng)相比，LUDV 具有更好的抗流量飽和特性[3]，當(dāng)流量不足時(shí)，執(zhí)行元件的運(yùn)行相對(duì)速度根據(jù)各聯(lián)換向閥主閥芯的行程等比例地減少，不會(huì)有任何一個(gè)動(dòng)作出現(xiàn)停止現(xiàn)象。

1 LUDV 多路閥工作原理

1.1 LUDV 多路閥中壓力補(bǔ)償閥工作原理

LS 多路閥系統(tǒng)與LUDV 多路閥系統(tǒng)不同之處在于LUDV 系統(tǒng)是先節(jié)流后補(bǔ)償。LUDV 系統(tǒng)是將壓力補(bǔ)償閥布置在換向閥可變節(jié)流口之后，由于液壓換向閥一般都是雙作用，有A、B 2 個(gè)油路，為了避免2 個(gè)油路都設(shè)置壓力補(bǔ)償閥，減少結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，因此將換向閥換向部分設(shè)在壓力補(bǔ)償閥之后[4]。LUDV 多路閥原理簡化圖如圖1。LUDV 多路閥結(jié)構(gòu)如圖2。

圖1 LUDV 多路閥原理簡化圖

圖2 LUDV 多路閥結(jié)構(gòu)

1）液流動(dòng)方向P 到A。液壓泵出口的液壓油進(jìn)入到換向閥的P 腔，通過換向閥主閥芯6 上的節(jié)流槽7 進(jìn)入到換向閥的P′腔，進(jìn)入P′腔的壓力油經(jīng)過壓力補(bǔ)償器4，作用于A 口側(cè)單向閥3，打開單向閥后進(jìn)入A 口側(cè)的Pc，然后壓力油通過換向閥主閥芯6 上的環(huán)槽11 進(jìn)入換向閥的A 口。

2）油液流動(dòng)方向P 到B。液壓泵出口的液壓油進(jìn)入到換向閥的P 腔，通過換向閥主閥芯6 上的節(jié)流槽7 進(jìn)入到換向閥的P' 腔，進(jìn)入P' 腔的壓力油經(jīng)過壓力補(bǔ)償器4，作用于B 口側(cè)單向閥3，打開單向閥后進(jìn)入B 口側(cè)的Pc，然后壓力油通過換向閥主閥芯6 上的環(huán)槽11 進(jìn)入換向閥的B 口。

3）負(fù)載反饋LS。每聯(lián)的負(fù)載反饋通道LS 之間互通。經(jīng)過換向閥后P'的壓力作用于壓力補(bǔ)償器閥芯的左側(cè)，LS 反饋壓力和壓力補(bǔ)償器彈簧力共同作用于壓力補(bǔ)償器閥芯的右側(cè)。當(dāng)換向閥不工作時(shí)，壓力補(bǔ)償閥的閥芯處于最右端，此時(shí)壓力油既不通往A、B，也不通往LS 油路，當(dāng)P 口壓力升高時(shí)，壓力補(bǔ)償器閥芯將右移使P 口與A/B 相同，當(dāng)壓力繼續(xù)升高時(shí)，閥芯將繼續(xù)右移，此時(shí)P′不經(jīng)過節(jié)流，直接與A/B 口相同，同時(shí)通過另一節(jié)流孔與LS 相通；當(dāng)多片多路閥同時(shí)工作時(shí)，負(fù)載較低的壓力補(bǔ)償器只能處于開度較小的中位，P′與LS 口不通，P′經(jīng)節(jié)流后通向A/B，起均衡負(fù)載作用。因此，LS 壓力反饋通道可以檢測出多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的最高負(fù)載壓力，并將壓力反饋至負(fù)載敏感泵。

1.2 LUDV 多路閥中壓力補(bǔ)償閥受力計(jì)算

LUDV 系統(tǒng)簡化原理圖如圖3，pL1、pL2為液壓系統(tǒng)的負(fù)載壓力。

圖3 LUDV 系統(tǒng)簡化原理圖

換向閥出口壓力作用于壓力補(bǔ)償器左端，壓力補(bǔ)償器右端受壓力補(bǔ)償器的彈簧和最高負(fù)載壓力共同作用[5]。則對(duì)壓力補(bǔ)償器進(jìn)行受力分析如下：

式中：pm1、pm2為換向閥1 和換向閥2 的出口壓力，Pa；pLmax為飽和壓力，Pa；Fs1、Fs2為壓力補(bǔ)償器的彈簧力，N；A1、A2為壓力補(bǔ)償器的閥芯壓力作用面積，cm2。

在壓力補(bǔ)償閥的作用下：pm1＝pm2

式中：△p1、△p2為換向閥1 和換向閥2 前后兩端壓差，Pa；pp為泵出口壓力，Pa。

此時(shí)△p1＝△p2，所以即使各執(zhí)行元件負(fù)載壓力不等，各換向閥的進(jìn)出口壓差始終保持相等。負(fù)載壓力較低的執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過壓力補(bǔ)償器的節(jié)流作用，獲得與負(fù)載較高的執(zhí)行機(jī)構(gòu)大小相同的壓力。這樣每一聯(lián)根據(jù)節(jié)流程度不同，產(chǎn)生不同的壓差，達(dá)到均衡負(fù)荷的目的，避免當(dāng)多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，此時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的流量超過液壓系統(tǒng)泵的最大流量（即流量飽和）時(shí)，油液全部流向低負(fù)荷執(zhí)行器。進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量可以根據(jù)流量計(jì)算公式得出[6]：

式中：Q 為通過閥的流量，m/s；Cd為流量系數(shù)；A 為閥的面積，m2；ρ 為油液黏度，kg/m3；△p 為閥前后壓差，Pa。

無論負(fù)載如何變化△p1＝△p2，因此通過的流量分配閥進(jìn)入執(zhí)行元件的流量與負(fù)載無關(guān)，只取決于節(jié)流閥的開口度從而保證了執(zhí)行元件的運(yùn)行相對(duì)速度根據(jù)各聯(lián)換向閥主閥芯的行程等比例地減少。因此，當(dāng)各執(zhí)行元件的動(dòng)作同時(shí)動(dòng)作時(shí)，各個(gè)執(zhí)行元件互不干擾，不會(huì)出現(xiàn)流量分配不均現(xiàn)象，能夠輕松地實(shí)現(xiàn)各復(fù)合動(dòng)作平穩(wěn)的進(jìn)行[7]。

2 液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)

由于LUDV 系統(tǒng)多路閥的出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)挖掘機(jī)復(fù)雜的多泵合流控制機(jī)制，使得單泵與LUDV多路閥的負(fù)荷傳感控制系統(tǒng)挖掘機(jī)系統(tǒng)變得更加實(shí)用，同時(shí)結(jié)構(gòu)更加簡單。

2.1 負(fù)載敏感泵的選擇

基于新型的LUDV 多路閥系統(tǒng)，建立新型的液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)，該新挖掘機(jī)系統(tǒng)選擇力士樂A11V260 系列泵作為液壓正鏟的主要?jiǎng)恿υ矗瑸橐簤合到y(tǒng)提供動(dòng)力，液壓泵的控制方式選擇LRDS 控制方式的的變量泵，該控制方式具有負(fù)載敏感-壓力切斷-恒功率控制等功能[7]，可以滿足液壓挖掘機(jī)各種復(fù)雜工作的要求。該泵同時(shí)還具有節(jié)能、保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)、防止壓力過高導(dǎo)致安全事故等優(yōu)點(diǎn)。

負(fù)載敏感是一種流量控制，根據(jù)負(fù)載敏感閥LS口反饋至泵的負(fù)載閥的調(diào)節(jié)口，負(fù)載壓力，調(diào)節(jié)泵的排量，使泵的排量與執(zhí)行器的流量相適應(yīng)[8]。當(dāng)執(zhí)行元件不工作時(shí)，換向閥不換向，LS 壓力不反饋至泵的控制口，泵小排量運(yùn)行，當(dāng)執(zhí)行元件運(yùn)行時(shí)，LS 壓力反饋至泵的控制口，泵根據(jù)按需提供對(duì)應(yīng)的流量。

恒功率控制是控制斜盤擺角度滿足壓力、流量的乘積即功率保持恒定，具體原理是壓力增加，流量相匹配的較少，形成壓力、流量1 個(gè)增加1 個(gè)減少的匹配線性關(guān)系，從而保證功率是恒定的。可以保證當(dāng)壓力過高時(shí)，不會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)可以充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。

壓力切斷控制是防止液壓系統(tǒng)壓力過高，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載壓力到達(dá)泵設(shè)定的壓力切斷數(shù)值時(shí)，壓力切斷閥左位導(dǎo)通，此時(shí)排量減少，較少到幾乎為0（泵體會(huì)有少許排量以滿足泵本身的內(nèi)泄漏）時(shí)，泵處于恒壓狀態(tài)，系統(tǒng)壓力不會(huì)隨負(fù)載而繼續(xù)提高了，這樣實(shí)現(xiàn)了壓力切斷，從而防止壓力進(jìn)一步提高，保護(hù)系統(tǒng)的安全。此時(shí)，泵的排量很小，與傳統(tǒng)的閥控溢流系統(tǒng)（大流量溢流）相比，該系統(tǒng)的產(chǎn)熱量較小，液壓系統(tǒng)油溫升高不明顯，系統(tǒng)更加可靠，同時(shí)更加節(jié)約能源。

2.2 負(fù)載敏感比例多路閥的選擇

選用力士樂M7-22 系列負(fù)載敏感閥，該閥內(nèi)設(shè)有二次壓力安全閥、流量負(fù)載壓力補(bǔ)償器，具有重復(fù)精度高、滯環(huán)低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，液壓比例控制器可通過閥芯行程限位進(jìn)行流量調(diào)節(jié)[9-10]。選擇合適的平衡閥等控制元件以及行走馬達(dá)、回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)、液壓油缸等執(zhí)行元件以及液壓附件等搭建基于LUDV 系統(tǒng)的新型液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)。

3 結(jié)語

基于A11VO 系列負(fù)載敏感泵和M7-22 系列負(fù)載敏感多路閥組合使用，搭建了基于負(fù)載敏感的液壓挖掘機(jī)閥后壓力補(bǔ)償流量分配系統(tǒng)，并對(duì)此套液壓系統(tǒng)在改造的液壓挖掘機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用。采用閥后壓力補(bǔ)償系統(tǒng)的液壓挖掘機(jī)多個(gè)動(dòng)作同時(shí)動(dòng)作時(shí)，更加平穩(wěn)，液壓挖掘機(jī)在進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作時(shí)，沒有出現(xiàn)負(fù)載較大執(zhí)行元件動(dòng)作停止不動(dòng)現(xiàn)象。因此，基于LUVD 系統(tǒng)的新型液壓系統(tǒng)與傳統(tǒng)的LS 系統(tǒng)相比，在實(shí)現(xiàn)多執(zhí)行元件同時(shí)工作時(shí)而不受負(fù)載影響的同時(shí)LUDV 系統(tǒng)具有更好的抗流量飽和特性。