工程機械液壓系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化分析

馬兵

（中鐵西南科學研究院有限公司，四川 成都 611731）

我國對重工業(yè)的發(fā)展異常重視，在液壓系統(tǒng)的運行中，最關(guān)鍵的步驟是利用液壓系統(tǒng)來保持正常運行所需的工作壓力。這正如大卡車在上坡過程中，引擎引力與摩擦力促使其向前移動，但維持這種動力保持卡車不會向下滑坡，就要平穩(wěn)地控制剎車及油路壓力。保障工程機械保持穩(wěn)定運行的正是液壓系統(tǒng)的平穩(wěn)工作壓力。如液壓硫化機的壓力要在硫化周期的全過程保持穩(wěn)定，才能有效對子午線輪胎硫化保證質(zhì)量，避免輪胎產(chǎn)生氣泡、缺膠或邊緣厚度大等問題。通常液壓系統(tǒng)的設(shè)計是指應用液壓泵卸載回路及多相液壓泵等系統(tǒng)來保持正常穩(wěn)定的工程機械運行壓力。但是，在實際液壓系統(tǒng)的運行中，液壓系統(tǒng)回路的保壓效果好壞與篩選保壓器件有著必然的聯(lián)系。所以，在實際的液壓系統(tǒng)的運行維護中，應合理挑選保壓器件，并總結(jié)其維持壓力的實際效果，來合理促進液壓系統(tǒng)回路的保壓成效。

1 工程機械液壓系統(tǒng)概述

液壓系統(tǒng)在實際的工程機械裝置運行中發(fā)揮著重要的作用，在某些液壓系統(tǒng)的運行環(huán)節(jié)中，要維持相應的工作壓力才可保持正常運轉(zhuǎn)。例如，子午線液壓輪胎硫化機的運動部件的主要動力來自液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)也是組成液壓輪胎硫化機的關(guān)鍵部分，液壓系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、控制精確度、施壓保壓能力等可全面影響硫化機的整體性能。在設(shè)計工程機械設(shè)備中液壓裝置的保壓性能時，常用的設(shè)計方案是采用泵卸荷回路及多缸系統(tǒng)組成的缸保壓回路，以完成對工程機械設(shè)備的保壓運行。利用分析工程機械設(shè)備可以看出，液壓系統(tǒng)中回路的保壓效果是由保壓元件的質(zhì)量直接決定的，若保壓元件具有良好的質(zhì)量，回路保壓性能也隨之提升效果。所以，通過對液壓系統(tǒng)的維護及設(shè)計工作經(jīng)驗，可以得出，單向閥、液控單向閥及蓄能器這幾種保壓器件具有良好的保壓效果，工程機械中液壓系統(tǒng)中可起到促進運行的作用。液壓系統(tǒng)的功率包括流量及壓力值，液壓閥可分配液壓站的輸出能量并進行合理的調(diào)整，實現(xiàn)液壓站電機的輸出能量由機械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗?，可為液壓系統(tǒng)提供能量來源，液壓油缸促進液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，利用液壓泵驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速調(diào)整，來合理控制工程機械的動力、節(jié)能及效率等性能。

液壓系統(tǒng)在工作過程中，壓力值通過負載來決定，系統(tǒng)響應對外負荷的能力也會在一定程度上干擾液壓系統(tǒng)的流量。例如，液壓輪胎硫化機在進行輪胎硫化時，在硫化技術(shù)最優(yōu)的前提下，需要開合模及加壓缸的運動及加壓，中心機構(gòu)上/下回路運行、裝/卸胎機械手起落運動、活絡(luò)模系統(tǒng)驅(qū)動運動等的共同協(xié)作。其中開合模等在運動時，有著變化的速度和加速度，要在壓力及流量的控制范圍內(nèi)快速、有效地進行轉(zhuǎn)換。這也造成了大功率的工程機械，在持續(xù)運行過程中，作業(yè)負荷逐步提升，這時液壓控制系統(tǒng)會按照液壓輪胎硫化機的所有動作順序，提供可滿足相應需求的壓力及能量，確保每個動作都可達成在傳動及控制系統(tǒng)中進行大規(guī)模的調(diào)速，用以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2 工程機械液壓系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化

如今我國提出節(jié)能減排的政策要求，工業(yè)液壓也隨之朝著節(jié)能減排的方向升級。而變頻油泵及電液伺服等系統(tǒng)可提供節(jié)能效果，已更多地被銅擠壓、鋁擠壓、塑膠、紡織、化工等各類機械行業(yè)所應用。變頻器一般在開環(huán)控制環(huán)境中工作，而伺服則是閉環(huán)的控制系統(tǒng)。變頻其實是伺服的一部分，伺服是基于變頻開展的閉環(huán)精確控制來實現(xiàn)更加完美的運行效果。我國多數(shù)將變頻用在空調(diào)的控制上，有效地節(jié)約了成本，而要實現(xiàn)最佳的節(jié)能效果及響應效果，則會更多地選擇伺服控制。

2.1 液壓泵流量控制的設(shè)計與優(yōu)化

液壓系統(tǒng)具備三大組成元件，即執(zhí)行、控制及動力元件，其作用是控制整機。液壓泵是利用控制液壓泵流量，來達到控制排量的目的。二次調(diào)節(jié)能量后，液壓泵完成并聯(lián)不同的液壓回路，計算出絕對值并顯示數(shù)值，通過這些可以發(fā)現(xiàn)，因液壓產(chǎn)生了波動范圍較大的壓力變化，通過控制流量來更改液壓泵排量，實現(xiàn)對液壓泵速度的調(diào)節(jié)控制?？刂屏髁靠煞譃楸每丶伴y控兩種控制方法。泵控是對液壓泵開展斜盤及傾角的調(diào)整，促進系統(tǒng)元件的運行。閥控是利用并聯(lián)回路的變化，達到控制系統(tǒng)流量的目標，流量余量會經(jīng)控制閥返回油箱，合理降低無功流量，使液壓閥有效地改變開度，閥芯利用電磁鐵的推行開始移動，能夠?qū)⒁簤洪y中電磁鐵的響應頻率提升至大約20Hz。這時，通過調(diào)速形式的優(yōu)勢互補得到良好的流量控制方法。通過操作信號來控制執(zhí)行裝置的速度，運用液壓系統(tǒng)的成本控制及響應效率共同維護的形式，在流量負載的敏感控制方面達到最佳效果。

關(guān)于正流量的控制方面，液壓泵及液壓閥在開度方面的操作性控制，可提升液壓系統(tǒng)響應的效率。而主閥壓力則與操作信號以及外負載等均有聯(lián)系。在沒有良好的快速響應性時，工程機械會利用泵控系統(tǒng)實現(xiàn)經(jīng)濟性能的提升。而對響應速度沒有過高要求的工程機械，如小型的挖掘機等，可通過單純的閥控裝置贏得更高的響應速度。伺服油泵能于低速狀態(tài)啟動，也可以在電液伺服系統(tǒng)中適應速度高低、壓力大小、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)、快速切換等不同的工況，電液伺服泵更改了我國長久以來伺服液壓系統(tǒng)產(chǎn)品依賴日本、德國生產(chǎn)的現(xiàn)狀，全面改善了我國液壓行業(yè)的環(huán)保節(jié)能性能。HES 電液伺服節(jié)能系統(tǒng)具有電液伺服驅(qū)動器、高性能專用伺服泵、三相交流永磁同步電機、壓力傳感器等組成部分。運用矢量+弱磁+專用PID 等控制算法，可在工作全過程中準確控制所需的壓力和流量，避免高壓節(jié)流產(chǎn)生的能源損耗，實現(xiàn)節(jié)約電能的效果，并降低系統(tǒng)內(nèi)的油溫，最高可實現(xiàn)65%的節(jié)能率，平均可達30%以上的節(jié)能率。優(yōu)化的機械液壓系統(tǒng)，通過控制流量的方式，利用液壓閥開度和流量的合理控制，改善液壓系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)效率，泵控提升系統(tǒng)的經(jīng)濟性，而閥控解決系統(tǒng)的效率問題。在精準性方面，可提升工業(yè)電子泵設(shè)備在運行過程中通過電子閉環(huán)控制，來實現(xiàn)工程機械液壓泵控制流量的更精準的要求。

2.2 液壓系統(tǒng)回路的完善設(shè)計

（1）優(yōu)化裝煤器具回路。液壓系統(tǒng)自身的裝煤器具回路的主要組成部分為電磁波I 型控制元件的搓蓋運轉(zhuǎn)。搓蓋油缸的兩腔在此回路中運用電磁換向來控制閥門的I 型控制元件來實現(xiàn)封閉。但是，液壓系統(tǒng)會因調(diào)整變向控制的閥門結(jié)構(gòu)而在運行中產(chǎn)生較大的誤差，控制閥門間存在較大縫隙，導致液壓系統(tǒng)達不到良好的運行效果。因此，這種相對簡單的設(shè)計液壓系統(tǒng)回路的方式并不科學，只可用于短時間封閉或者對封閉沒有嚴格要求的情形。這時，雙向液控單向閥在鎖緊回路添加三相機能電磁的換向閥回路可以作為更好的以錐面為結(jié)構(gòu)的雙向液控單向閥閥芯的密封面，其密封性能及鎖閉效果均較好。所以，在工程、起重運輸?shù)葯C械中對鎖緊有更高要求的使用情景中，此類鎖緊回路具有更普遍的應用。

（2）改善推焦車的提門回路。從液壓系統(tǒng)回路的設(shè)計可以發(fā)現(xiàn)，液壓系統(tǒng)在結(jié)束一次運行時，要通過電磁鐵來充電。但是，接通電磁鐵電源以后，通過單向壓力調(diào)節(jié)閥、三相電磁波變向控制閥門流通至機油回路系統(tǒng)，來有效提升液壓系統(tǒng)回路的運行效率，防止提門液壓泵的壓力超標。為避免高壓油的錯漏，在電磁鐵進行通電時，要提升電磁鐵的電子運動，來減少液壓系統(tǒng)的運行損耗，達到（2+3）次提門，促進提門油缸運行將由三相機能電磁換向閥1、2 共同供油。為了有效控制提門動作，在（2+3）次提門運行中，在一次提門減壓閥3 后添加單向液壓鎖8。這樣當（2+3）次提門動作時，Y4b 電磁鐵進行通電后，液壓系統(tǒng)被單向液壓控制閥門制約，極易產(chǎn)生機械故障，造成回路利用電磁波變向閥門2、液壓控制閥門、單向回路閥門等使電流進入液壓泵。

3 液壓系統(tǒng)回路設(shè)計試驗

現(xiàn)階段，液壓設(shè)備系統(tǒng)在實踐操作的整個過程內(nèi)，不可避免地會造成各種安全隱患或事故。因此，以液壓系統(tǒng)開展回路試驗，確保其安全運行，保證蓄能器正常使用，明確其相關(guān)事項及關(guān)鍵點，以確保系統(tǒng)故障得到正確診斷，優(yōu)化系統(tǒng)運行的多重安全保護設(shè)計，提升試驗水平。

3.1 液壓系統(tǒng)蓄能器使用的相關(guān)事項

蓄能器包括重錘、彈簧及氣體加載等三種類型。重錘式蓄能器通過變化重錘位置來實現(xiàn)能量的存儲及釋放。重錘是利用柱塞在液壓油上作用而產(chǎn)生壓力。重錘式蓄能器具有結(jié)構(gòu)簡單、壓力穩(wěn)定的優(yōu)點，但其容量小、壓力低、體積大、笨重、慣性強、反應遲緩，所以常被用在大規(guī)模固定裝置的液壓系統(tǒng)中。彈簧式蓄能器利用彈簧來實現(xiàn)能量的存儲及釋放。彈簧憑借活塞將壓力施加在液壓系統(tǒng)的元件上，油液系統(tǒng)壓力是由彈簧反彈力及活塞受力面積來決定。此種蓄能器具有結(jié)構(gòu)簡單、反應靈敏、儲存量小等特點，不建議用于高壓或高循環(huán)頻率的工作場景。氣體加載式蓄能器通過密封氣體的壓縮和膨脹實現(xiàn)能量的存儲及釋放。氣體通常選擇惰性氣體及氮氣，常見的有活塞、氣囊兩種類型。而氣囊式蓄能器的選擇要按相應的規(guī)格制定，也可按照其相應的計算公式，在此不過多贅述，在應用中可按實際數(shù)據(jù)進行計算獲得結(jié)果。

3.2 液壓系統(tǒng)蓄能器安裝的關(guān)鍵點

蓄能器是儲蓄能量的裝置，在液壓系統(tǒng)中起到不可替代的重要作用，為保障液壓系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，要科學選取蓄能器的型號并合理安裝。（1）在安裝蓄能器的時要正確擺放油口的方向（應為向下），安裝方式是垂直安裝。（2）安裝蓄能器的過程中應重視位置的擺放，以接近振動源頭為佳，用來吸收并緩和脈動沖擊，降低振動帶來的損失。（3）安裝蓄能器時，要遠離系統(tǒng)中的散熱位置。

3.3 液壓系統(tǒng)故障診斷及優(yōu)化

液壓系統(tǒng)通常具有較為復雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，一般是指機械電子設(shè)備運用的集成化運行設(shè)施。因此，液壓系統(tǒng)在運行過程中具備多種煩瑣的故障因素。工程機械液壓系統(tǒng)的維修和檢測不同于電氣電子系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)的回路管道中機油及潤滑油無法正常流動、液壓系統(tǒng)元件密封不嚴等情況，導致的機械故障通常無法通過人體感觀來判斷，這造成了液壓系統(tǒng)在維修、保養(yǎng)及改善等方面的工作難度，然而，在液壓系統(tǒng)發(fā)生一般性的問題時，應先確定此液壓系統(tǒng)的全面工作運行機理、元件及內(nèi)部※結(jié)構(gòu)等，再通過故障的外在表現(xiàn)開展合理的分析和深入的研究，來明確系統(tǒng)故障的起因，即常見的“液壓系統(tǒng)故障分析方法”。此方法在應用時對維修人員的專業(yè)水平要求很高，特別對于表面沒有體現(xiàn)出問題因素的故障，需要維修工作人員利用自身的豐富經(jīng)驗來解決。通?？梢姷囊簤合到y(tǒng)故障分為3 種：（1）液壓系統(tǒng)的溢流控制閥門故障，由于機械齒輪的磨損造成液壓系統(tǒng)發(fā)生機油返流，致使液壓系統(tǒng)失壓；（2）液壓系統(tǒng)的壓力控制閥門故障，如果這種故障問題發(fā)生，可能會導致液壓系統(tǒng)失去保壓性能，導致液壓系統(tǒng)中的電磁壓力控制閥門發(fā)生卡頓情況；（3）液壓系統(tǒng)中回路系統(tǒng)產(chǎn)生油滲漏，導致液壓系統(tǒng)維持壓力的性能急速下滑，通常采用截堵法來分析具體的故障位置。

4 結(jié)語

在液壓裝置的日常運轉(zhuǎn)中，液壓系統(tǒng)中回路保壓的效果好壞及保壓器件的篩選有著相應的聯(lián)系。液壓系統(tǒng)具備三大組成元件，即執(zhí)行、控制及動力元件，其作用是控制整機。液壓系統(tǒng)目前已演變?yōu)楣こ虣C械的支柱系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)具備很多優(yōu)點，包括體積小、易安裝、可控制、響應快等。然而，液壓系統(tǒng)也存在明顯的不足之處，主要是性能不穩(wěn)定、耗能多等。我國現(xiàn)階段的工程機械發(fā)展處于被動局面，應從市場、生產(chǎn)、開發(fā)及科技等多方面入手加以改善。利用工程機械液壓系統(tǒng)開展不間斷的探究及論證，持續(xù)完善設(shè)計思路，來優(yōu)化改進策略，用以提升工程機械的安全穩(wěn)定運行。現(xiàn)階段，液壓技術(shù)的迅速發(fā)展及在工程機械等領(lǐng)域的普遍應用，也隨之為機械行業(yè)提升了廣闊的發(fā)展空間。所以，液壓系統(tǒng)控制工程機械具有無數(shù)的原理，需要研究者堅持不懈地進行研究討論，通過探索和改進，以得到最適合的控制原理及方式。