ZX330挖掘機液壓主泵排量調節原理分析

付送軍

（中鐵七局集團有限公司，河南鄭州 450016）

0 引言

挖掘機工作時，液壓泵負責為執行機構提供一定流量、壓力的液壓油。泵的調節機構要能夠根據負載的變化和操作人員的需求對輸出流量進行調節。液壓泵的輸出功率要與發動機的輸出功率進行匹配，而且時刻不能超過發動機功率。液壓泵的調節機構就是為了完成這些功能而設計的一套機械結構。

1 調節機構的結構特點

調節機構的組成及布置特點如圖1所示：流量閥套、功率閥套的一端與大連桿通過銷1鉸接，大連桿與小連桿鉸接，小連桿與配流盤鉸接，配流盤與伺服活塞連接，大連桿上的銷2被固定在殼體上。大小兩個連桿作為反饋桿，將伺服活塞、配流盤的位置變化按比例傳導給兩個閥套，從而改變閥套的位置。閥套上有油道與伺服活塞相通，兩閥套和閥芯的相對位置的變化，改變的是伺服活塞大腔的油量，增加或減少。功率閥芯和流量閥芯的位置受控于相應的活塞和彈簧。功率閥芯的左側為載荷活塞，右側為2級彈簧。流量閥芯的左側為1級彈簧，右側為流量活塞。

圖1 調節機構布置

如圖2所示，為了實現原理圖中的邏輯關系，流量、功率的閥芯閥套在設計尺寸上有如下特點：①活塞A、活塞B的距離與孔1、孔3的距離一致，流量閥的中位是活塞A和B同時將孔1和孔3封閉的位置；②活塞C、活塞D的距離與孔4、孔6的距離一致，功率閥的中位是活塞C和活塞D同時將孔4和孔6封閉的位置；③兩閥套在移動范圍內，會始終保持閥套上的油孔與殼體內的油道的對應關系不變，且一直聯通，孔2、孔4對應油道Ⅰ，孔5對應油道Ⅱ，孔3、孔6對應油道Ⅲ；④有的閥芯可能存在兩活塞的距離比兩孔的距離稍微大一點的情況，這樣當閥芯處于中位時，會在進油口和回油口形成節流縫隙，當通過縫隙的流量相等時，伺服活塞大腔的油量不變，閥芯也可以處在穩定的中位，如圖3所示的功率閥中位節流孔。

圖2 閥芯、閥套的相對位置

2 工作原理

2.1 流量閥工作原理

當操作手未操作手柄時，流量信號壓力Pi為0，結合圖2和圖3所示，流量閥芯被彈簧推向最右側，泵1（本泵）壓力Pd1、泵2（他泵）壓力Pd2、變功率控制壓力Pps低，功率閥芯被彈簧推向最左側（這是起動時的初始位置）。先導油壓力Pg經過流量閥套、流量閥芯、功率閥套、功率閥芯到達伺服活塞大端，伺服活塞朝小端移動。伺服活塞移動帶動兩個閥套向右移動，當流量閥套向右移動至活塞B將先導油壓力Pg經過孔3、孔4去往大腔的油切斷時，伺服活塞停止移動，此時泵的排量位于流量閥控制的最小狀態。

圖3 調節機構原理

若有Pi壓力信號時，流量閥芯被向左推動，最終定位在閥芯左側彈簧力與右側Pi作用力相等的位置。此時伺服活塞大腔的油會經過功率閥孔4和流量閥孔1泄漏至油箱，伺服活塞向左移動，泵的流量增加。伺服活塞的移動帶動流量閥套向左移動，當流量閥套孔1與流量閥芯上活塞A將伺服活塞大腔與回油Dr切斷時，伺服活塞停止移動。這個過程就好像流量閥套會追隨閥芯的移動。

2.2 功率閥工作原理

當主泵工作且負載不大時，泵具有一定的排量，也就意味著功率閥套相對于啟動時的初始位置向左有一定的位移量。此時功率閥芯處于最左側，功率閥處于原理圖上右側機能上，孔4打開，孔6關閉。功率閥將伺服活塞大腔導向流量閥，這樣伺服活塞的移動仍然只是受控于流量閥。此時功率閥還沒有起作用。當負載增大時，泵的輸出壓力Pd1、Pd2之和增大（并且要超過功率曲線上當前排量對應的泵壓），壓力克服彈簧力向右推動功率閥芯。在活塞C沒有關閉孔4、活塞D沒有打開孔6以前，伺服活塞大腔的油量不會變化，伺服活塞及功率閥套不會移動。一旦活塞D打開了孔6，先導油壓力Pg經此進入伺服活塞大腔，泵的排量就會降低。泵的壓力越大，功率閥芯越向右移動，功率閥套就會不斷的追隨閥芯的移動并保持相同的移動距離。這樣就起到了功率閥限制主泵最大排量的作用。而此時不管流量閥芯處何種位置，即便是處于最左側，活塞A將孔1打開，由于活塞C將孔4封閉，不會使伺服活塞大腔的油泄漏至油箱，所以泵的排量不會受流量閥的控制而增大。這就是功率閥對流量的限制優先于流量閥控制的原理。

3 流量控制和功率控制曲線

流量控制和功率控制是各型挖掘機主泵排量調節的核心思想，該款主泵也不例外。如圖4、圖5所示，分別為流量信號Pi與主泵排量的關系曲線和主泵輸出壓力（Pd1+Pd2）/2與主泵排量的關系曲線。

圖4 流量控制曲線

圖5 功率控制曲線

該挖掘機主泵的流量控制信號Pi來自主閥上的左側、右側泵控制閥，泵控制閥又由取自主閥閥芯的信號壓力控制，該信號壓力隨著主閥閥芯的開度大小而變化，反映了操作人員對泵排量大小、動作快慢的需求。經過泵控制閥的轉換，主閥輸出的流量控制壓力Pi，與主閥閥芯開度成正比，主泵的排量隨著Pi的增大而成比例增大，這種關系也稱為正流量控制。參考圖2，在流量控制曲線的斜線段范圍內，對應的是流量閥芯右側的小活塞受力向左移動，不斷壓縮左側彈簧的過程，斜線的斜率與彈簧的彈性系數有關。

主泵的功率控制，目的是防止泵的功率超過發動機功率，控制方法是用泵的壓力來控制泵的排量。根據流體功率的計算公式，流量Q與壓力P的乘積就代表了泵的功率。一般的Y=K/X（K為常數）這種形式的函數為反比例函數，它曲線的特點為一條無限接近X軸和Y軸的光滑曲線。圖4中的功率控制曲線的斜線段由兩條不同斜率的斜線組成，類似于反比例函數曲線，這樣設計目的就是為了盡可能實現恒功率控制特性。

為了實現功率控制曲線中兩段斜率不同的特性曲線，結構設計上的功率控制部分的機構有如下特點：圖2中，功率閥芯的右側有2個彈簧，在功率閥芯處于最左側位置時，大彈簧有一定的預壓縮量，小彈簧處于自由狀態，且與彈簧座有一定間距。

隨著泵壓力的增大，泵的最大排量的變化分為4個階段：①第1階段是當泵壓力作用在功率活塞上產生的作用力小于大彈簧的預壓力時，功率閥芯不會動作，泵的最大允許排量處于最大值；②第2階段是壓力增大到克服大彈簧的壓力，使功率閥芯開始向右移動，但彈簧座沒有與小彈簧接觸之前，在這段壓力范圍內，彈簧的彈性系數為K1，相比于后面一段曲線范圍，一個固定的壓力變化，可以讓泵的排量有較大的變化，所以斜線的斜率較大；③第3階段為小彈簧開始被壓縮的階段，在這段壓力范圍內，彈簧的彈性系數相當于K1+K2，同樣一個固定的壓力變化，讓泵的排量產生的變化比前一段要小，所以斜線的斜率較小；④第4階段是當泵的排量已經處于結構設計的最小值時，泵的排量不再隨壓力的增大而減小，而且泵的壓力達到了主安全閥設定的最高壓力。

4 結論

采用反饋桿將伺服變量活塞與流量閥、功率閥連接起來這種方式，在排量調節上具有明顯的優點。主泵排量受手柄的精確控制。泵的排量、手柄的調整范圍，兩者在全量程內對應可控。