混凝土泵車變量泵恒功率控制調(diào)試方法研究及應(yīng)用

徐道雷，施慶永，蔣賀

（徐州徐工施維英機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221004）

0 前言

液壓泵將機(jī)械能（轉(zhuǎn)速和牛圈扭矩）轉(zhuǎn)化為液壓能（流量和壓力）。柱塞液壓泵因其結(jié)構(gòu)緊湊、工作壓力高、易于變量控制和流量范圍大等優(yōu)勢，在混凝土泵車液壓系統(tǒng)中廣泛使用。混凝土泵車開式液壓系統(tǒng)多采用斜盤式軸向變量泵。該變量泵具有壓力切斷、恒功率控制和電比例排量三種控制方式，其中恒功率控制優(yōu)先級僅次于壓力切斷控制。恒功率控制調(diào)定不好，直接導(dǎo)致混凝土泵車泵送功率不足，易堵管，也可能導(dǎo)致整機(jī)功率匹配不佳，影響整機(jī)可靠性和使用經(jīng)濟(jì)性。

1 斜盤式軸向柱塞變量泵工作原理簡述

某品牌斜盤式軸向柱塞變量泵原理如圖 1 所示，主要有以下部分組成：以電比例排量控制閥 1 為主，結(jié)合先導(dǎo)彈簧 4、先導(dǎo)柱塞 5 的電比例排量控制單元；以恒功率控制閥 11 為主，結(jié)合功率彈簧 2、功率設(shè)定柱塞3 的恒功率控制單元；以壓力切斷變量控制閥 10 為主的壓力切斷控制單元。三種控制單元可單獨(dú)控制，也可組合控制。主油泵 7 工作，液壓油從油箱中被吸入，進(jìn)入液壓管路，帶有壓力的液壓油流經(jīng)管路和控制閥（恒功率控制閥和電比例排量控制閥），作用在變量柱塞油缸 9 上，根據(jù)兩個(gè)控制閥的相位變化，變量柱塞油缸柱塞左右移動。變量柱塞油缸 9 與主油泵 7 由反饋桿 8 相連接，左右移動的柱塞，使反饋桿 8 順、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，最終控制主油泵 7 的排量。使其適應(yīng)不同的場合和工況。溢流閥 6 和減壓閥 12 為整個(gè)系統(tǒng)提供溢流和減壓保護(hù)。通過以上三種基本控制單元的組合，可以得到具有復(fù)雜輸出特性的組合控制[1-3]。

2 恒功率控制工作原理

液壓功率 P 為負(fù)載壓力 p 與輸出流量 q 的乘積，即 P = p q[4]。恒功率控制的目的是為了使發(fā)動機(jī)在變量泵的不同工況下都能工作在恒功率狀態(tài)，達(dá)到在恒定的驅(qū)動轉(zhuǎn)速下不超過預(yù)定的驅(qū)動功率，也就是 p 與 q 的乘積近似為定值，即液壓泵的輸出功率近似為恒定的，恒功率控制的壓力—流量曲線近似為雙曲線（如圖 2b 輸出特性虛線所示）。恒功率控制就是讓變量泵根據(jù)負(fù)載壓力的變化情況調(diào)整其輸出流量，使變量泵的輸出功率接近于負(fù)載所需要的功率，實(shí)現(xiàn)動力源和負(fù)載之間的功率適應(yīng)和匹配，得到最佳的功率利用，從而達(dá)到節(jié)能目的。

圖 1 變量泵原理圖

圖 2 恒功率控制

圖 2a) 中所示為恒功率控制原理，工作壓力在活塞上施加一個(gè)力，控制活塞推動搖臂，一個(gè)可從外部調(diào)整的彈簧力作用在搖臂的另一側(cè)以確定功率設(shè)定值。如果工作壓力超過設(shè)定的彈簧力，則控制閥被搖臂操作，使泵超領(lǐng)輸出擺動，減小搖臂的有效力矩，從而使工作壓力以輸出流量減少的相同比率提高。液壓油路流向（加粗實(shí)線）如下：當(dāng)負(fù)載壓力 p 增大時(shí)，液壓泵的壓力油通過單向閥進(jìn)入功率設(shè)定柱塞腔，克服功率彈簧的彈簧力使恒功率變量控制閥閥芯向右移動，恒功率變量控制閥左位工作，連接至恒功率變量控制閥的壓力油進(jìn)入變量柱塞油缸左大腔，因?yàn)樽兞恐透状笮∏恢睆讲煌a(chǎn)在一個(gè)面積差，從而產(chǎn)生壓力差推動變量柱塞油缸活塞向右移動，變量柱塞油缸活塞帶動反饋桿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，使主油泵排量向小變化，同時(shí)變量柱塞油缸活塞帶動閥套右移，當(dāng)?shù)竭_(dá)中位時(shí)，關(guān)閉變量柱塞油缸大腔進(jìn)油通道，調(diào)節(jié)完成；當(dāng)負(fù)載減小壓力 p 時(shí)，調(diào)節(jié)動作過程與之相反。

控制閥閥芯位置是通過系統(tǒng)壓力與雙彈簧彈力的平衡決定的，這樣就可以利用雙彈簧的剛度特性用折線近似雙曲線。圖 2b) 中實(shí)線所示為雙彈簧作用下的控制線，兩段直線連接與恒功率理論曲線接近，故此種結(jié)構(gòu)控制曲線也稱近似恒功率曲線[5]。圖 2b) 中 A 點(diǎn)是隨出口壓力升高流量自動減少的拐點(diǎn)，一般稱之為變量泵恒功率起調(diào)壓力點(diǎn)。A 點(diǎn)的壓力值稱之為恒功率起調(diào)壓力。

恒功率控制方式的標(biāo)定一般通過恒功率起調(diào)壓力的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。斜盤式軸向柱塞變量泵恒功率起調(diào)壓力一般為 12～20MPa，以滿足主機(jī)廠對功率匹配的不同需求。恒功率起調(diào)壓力最常見的調(diào)定方式為試驗(yàn)臺測試調(diào)定。一般在液壓泵生產(chǎn)廠家出廠前完成恒功率起調(diào)壓力的調(diào)定。該方法簡單經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確性高。但實(shí)際上，受整機(jī)功率分配、整機(jī)傳動系統(tǒng)效率等因素影響，生產(chǎn)廠家標(biāo)定恒功率起調(diào)壓力供貨的方式，往往無法滿足混凝土泵車生產(chǎn)廠對整機(jī)液壓泵功率控制和匹配的需求。因此，主機(jī)廠必須研究一種可以在整機(jī)上標(biāo)定液壓泵恒功率起調(diào)壓力的方法，從而實(shí)現(xiàn)整機(jī)功率匹配驗(yàn)證、恒功率性能整機(jī)調(diào)試驗(yàn)證標(biāo)定，保證整機(jī)動力性和使用經(jīng)濟(jì)性（節(jié)能）。

3 恒功率起調(diào)壓力整機(jī)調(diào)試方法

根據(jù)混凝土泵車整機(jī)調(diào)試工況，采用自來水模擬混凝土充當(dāng)負(fù)載介質(zhì)，結(jié)合恒功率控制原理，當(dāng)變量泵以最大排量工作時(shí)，通過設(shè)置合理的泵送出口節(jié)流工裝（圖 3），實(shí)現(xiàn)壓力控制，一般應(yīng)確保此系統(tǒng)壓力高于變量泵恒功率起調(diào)壓力范圍上限值，不超過系統(tǒng)主溢流壓力。采集系統(tǒng)壓力值 P 和流量 Q，采集整機(jī)最大流量Qmax進(jìn)行計(jì)算，得到變量泵恒功率起調(diào)壓力 P’，計(jì)算公式為：

實(shí)際中，在整機(jī)上采集系統(tǒng)實(shí)際流量較為困難，因泵送油缸容積固定，一般可通過整機(jī)系統(tǒng)泵送次數(shù) N代換。

圖 3 節(jié)流工裝示意圖

混凝土泵車整機(jī)調(diào)試時(shí)，為滿足整機(jī)功率匹配，保證泵送作業(yè)時(shí)不出現(xiàn)發(fā)動機(jī)“掉油門”現(xiàn)象，恒功率起調(diào)壓力測試過程，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動應(yīng)維持在 50rpm內(nèi)。

以某型混凝土泵車為例，該車配置力士樂雙A11VLO190LRDU2 柱塞泵，泵送出口節(jié)流工裝孔徑為φ19，最大排量空載最大次數(shù)為 22.5 次/分鐘，最大排量下系統(tǒng)壓力為 25MPa，該系統(tǒng)壓力下，泵送次數(shù)為14.5 次/分鐘。

恒功率起調(diào)壓力：P’=25×14.5/22.5=16.1(MPa)

為保證恒功率起調(diào)壓力在整機(jī)調(diào)試環(huán)節(jié)的一致性，采用自主開發(fā)的整機(jī)自動測試臺進(jìn)行數(shù)據(jù)采集驗(yàn)證。如圖 4 所示。

圖 4 起調(diào)壓力采集和驗(yàn)證

4 結(jié)束語

本文對斜盤式軸向柱塞變量泵的恒功率控制原理進(jìn)行了闡述，并結(jié)合混凝土泵車整機(jī)調(diào)試工況，探索驗(yàn)證恒功率起調(diào)壓力的方法，并在自主開發(fā)的整機(jī)自動調(diào)試臺上實(shí)際應(yīng)用，為柱塞變量泵的恒功率控制功能的整機(jī)標(biāo)定研究與應(yīng)用提供參考。