李健

（中國鐵建國際集團，北京 100855）

工程機械液壓系統(tǒng)改進探析

李健

（中國鐵建國際集團，北京 100855）

工程機械由于作業(yè)條件艱苦、施工難度大等特點，其液壓系統(tǒng)容易出現(xiàn)很多問題，同時維修難度高造成較大的成本支出。本文在工程機械液壓系統(tǒng)分析的基礎上，針對現(xiàn)實中經(jīng)常出現(xiàn)的液壓系統(tǒng)故障，提出了三個方面的改進措施。

工程機械；液壓控制；改進

液壓系統(tǒng)是大型工程機械中最重要的組成部分之一，由于工程機械大多在野外使用，一旦液壓系統(tǒng)出現(xiàn)問題，維修難度很高，同時延誤工期將帶來巨大的經(jīng)濟損失。有基于此，通過對工程機械液壓系統(tǒng)的改進，能夠提高工程機械的環(huán)境適應性和可靠性，具有重大的現(xiàn)實意義。

1 工程機械液壓系統(tǒng)技術分析

工程機械液壓系統(tǒng)在進行作業(yè)過程中，需要利用液壓泵將發(fā)動機輸出的機械能轉(zhuǎn)化為液壓能。在這一過程中，液壓閥負責分配和調(diào)節(jié)液壓泵的輸出功率，同時系統(tǒng)輸出的壓力和流量的參數(shù)也受到液壓閥的控制。將機械能轉(zhuǎn)化為液壓能只是液壓系統(tǒng)工作的第一步，而后通過液壓馬達和液壓油缸將液壓能轉(zhuǎn)換為機械能，驅(qū)動機械運轉(zhuǎn)完成作業(yè)動作。工程機械液壓控制系統(tǒng)需要通過調(diào)節(jié)液壓泵排量、發(fā)動機的轉(zhuǎn)速以及控制閥的開度來實現(xiàn)動力、節(jié)能和效率的改進。

1.1 液壓系統(tǒng)功率控制分析

液壓功率P0=pq/60，液壓系統(tǒng)的壓力大小由負載的大小決定，由此看來，壓力不在液壓系統(tǒng)控制的范圍之內(nèi)，真正對液壓系統(tǒng)功率有影響的參數(shù)是流量。在此分別從液壓閥和液壓泵的流量兩個方面進行探討。液壓泵流量公式為q0=V×n，由此看來可以通以下兩種方法來進行調(diào)節(jié)：首先通過液壓泵的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，稱之為變頻調(diào)速方式；其次，可以通過排量的調(diào)節(jié)完成，稱之為容積調(diào)速控制。在現(xiàn)實使用中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速要求相對平穩(wěn)，故而有效的調(diào)節(jié)手段是對流量的控制，液壓泵輸出的流量通過液壓閥的二次調(diào)節(jié)實現(xiàn)更為精確的控制。

1.2 液壓系統(tǒng)流量控制分析

想要實現(xiàn)閥控調(diào)速對于流量的控制，需要降低并聯(lián)回路中的相對液阻，這其中大部分的流量能量浪費在對外做功中。在工程機械液壓系統(tǒng)中，液壓閥電磁鐵的響應頻率較低，主要集中在10Hz左右，但是高速電磁鐵能達到20Hz響應頻率，將高頻控制和低頻控制相結合，通過優(yōu)化設計，使用液壓泵和比例閥共同對流量進行控制。在進行液壓控制時，首次排量通過變量泵實現(xiàn)，然后比例閥自動進行二次調(diào)節(jié)。目前應用最廣泛的控制方式有負流量控制方式、負載敏感控制和正流量控制方式，如圖1、圖2所示。

圖1 負流量控制系統(tǒng)原理圖

圖2 正流量控制系統(tǒng)原理圖

在負流量控制過程中，變量泵的排量通過主閥中位的流量泵實現(xiàn)，兩者的安裝方向相反；而在正流量控制中，液壓泵和液壓閥由同一個信號進行控制，能夠有效提高響應速度。

2 工程機械液壓系統(tǒng)常見故障分析

（1）液壓系統(tǒng)動力不足。產(chǎn)生這一問題的主要原因有以下幾個方面：①溢流回路或者壓力回路短接。②發(fā)生嚴重泄漏。③液壓油沒有進入液壓系統(tǒng)。④液壓泵輸出功率不足。針對于這一問題，下面進行具體的分析：首先，應該對液壓泵的輸油功能進行檢測，可能的原因有零件磨損，液面過低，吸油阻力過大等；其次，應該檢查回油管，查明有無漏油缺口，可能的原因有調(diào)定壓力過低，溢流閥被卡死或者因臟物侵入導致不能工作，阻尼孔堵塞等。

（2）液壓系統(tǒng)噪聲過大或者振動。振動和噪聲通常是同時出現(xiàn)的，產(chǎn)生這類問題的主要原因在于：液壓油中混入空氣，輸油量波動劇烈，液壓元件與液壓系統(tǒng)產(chǎn)生共振，管線過長及固定不牢等。

（3）液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。爬行現(xiàn)象工程機械液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)的一種故障，主要發(fā)生在低速運行過程中。導致爬行現(xiàn)象的主要原因有以下幾類：液壓泵和閥門等部件磨損嚴重、液壓油被污染、液壓缸內(nèi)阻力超出、空氣侵入液壓缸內(nèi)等。

3 液壓系統(tǒng)改進研究

（1）液壓系統(tǒng)保壓設計與改進。工程機械液壓系統(tǒng)在保壓設計方面采取的常規(guī)設計通過使用多缸系統(tǒng)和泵卸荷回路來保證壓力輸出。這種設計在實際應用中發(fā)現(xiàn)，其保壓效果的好壞與保壓元件的性能有較大關系。本文研究了蓄能器、單向閥和液控單向閥三種常用的保壓元件的保壓效果。

實驗方案簡述如下：構建一個由油泵、電磁換向閥、液壓缸和溢流閥等組成的基本液壓回路，分別將上述保壓元件加入其中，測試液壓系統(tǒng)在10MPa條件下的壓力變化，通過保壓時間和壓力降幅來評價保壓元件的效果。

實驗結果分析如下：①單向閥通過截止的原理實現(xiàn)保壓效果，保壓時間較短，2min后壓力開始下降，其保壓性能可靠性較差，如圖3所示。②液控單向閥的保壓效果有一定提升，10min內(nèi)壓力變化在0.1MPa之內(nèi)，表明其反向密封效果較好。③效果最好的蓄能器在24h之內(nèi)保壓效果很好，壓力下降保持在0.1MPa之內(nèi)，如圖4所示。

圖3 單向閥或者液控單向閥液壓回路

圖4 蓄能器液壓回路

比較可知，蓄能器的保壓效果最好。結合具體使用情況，分析可知，雖然液控單向閥具有較好的保壓效果，但結構設計不合理，在使用過程中容器磨損錐閥或者污油侵入，導致液壓油的泄漏，最終導致保壓性能降低。在使用蓄能器的液壓系統(tǒng)中，保壓效果普遍較好，即使在發(fā)動機熄火的情況下，仍可以保證工作裝置安全放下。因此在此推薦蓄能器作為工程機械液壓系統(tǒng)的保壓元件。

（2）蓄能器改進蓄能器主要有氣囊式、活塞式、隔膜式、重錘式、彈簧式等幾種結構形式。氣囊式最高工作壓力可達200MPa；活塞式最高工作壓力可達21MPa；隔膜式主要應用用于航空機械；重錘式常用于大型固定設備，最高工作壓力可達45MPa；彈簧式用于小容量及小于1.2MPa的低壓系統(tǒng)。其中，氣囊式蓄能器由氣囊將氣腔與油腔分開，不會產(chǎn)生油氣混合，而且膠囊慣性小，反應靈敏，易維護，因此被廣泛使用。

實際應用中由于充氣壓力不當、工作壓力過高、工作壓力過低或相鄰液壓元件泄漏均可能引發(fā)蓄能器出現(xiàn)故障。為了減少液壓元件泄漏，除了采用傳統(tǒng)的密封圈方式外，還可以采用先進的密封膠方式，如將SL8081液態(tài)墊涂布于結合面，它會在高溫下逐漸生成不溶的無機高分子聚合物，不但具有耐壓力高、涂布工藝性好、無毒、不燃的優(yōu)點而且拆卸方便。

（3）節(jié)能改進。工程機械液壓系統(tǒng)由于工作條件惡劣，載荷變化大，通常會造成較大的能量損失。其損失主要包括以下幾點：①發(fā)動機與油泵功率匹配不合理而造成的能量損失。②液壓油流經(jīng)控制閥中位時的空負荷回油流量壓力損失。③超載時的溢流損失。④液壓油流經(jīng)管路的壓力損失。要使工程機械液壓系統(tǒng)減少能量損失，首先應從發(fā)動機與油泵的功率匹配著手，盡量減少流量損失。

目 前國內(nèi)外對于工程機械液壓系統(tǒng)進行節(jié)能改進采用的主要手段有：①流量控制。通過流量控制進行節(jié)能改造，主要的設計思路是盡力控制設計主控多路閥門位于中位，在這種情況下油泵的輸出流量可以達到最小，能夠有效的避免多余流量輸出造成的能源浪費。②負荷傳感控制技術。由于負荷傳感控制技術具有以下技術優(yōu)勢，控制能力不受負荷壓力和油泵輸出流量的影響，在液壓系統(tǒng)的節(jié)能控制方面應用較多。其中主要控制壓力補償器到負荷傳感作用的閥門設計位置如下：操縱閥門與油泵之間；執(zhí)行器與操縱閥門之間；回油路和執(zhí)行器之間。雖然閥門位置有所不同導致的控制精度略有差距，但是均能有效的實現(xiàn)按需分配流量以達到節(jié)能的目的。

4 結語

工程機械的考核指標主要包括作業(yè)效率、可靠性、能耗和使用壽命等方面，液壓系統(tǒng)作為其中重要的組成部分，一旦出現(xiàn)問題會帶來嚴重的后果。在分析實際生產(chǎn)中工程機械液壓系統(tǒng)常見故障的基礎上，針對液壓系統(tǒng)保壓設計、蓄能器改進和節(jié)能方面的優(yōu)化設計三個方面，進行了探討并提出改進意見。

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1671-0711（2016）11（下）-0043-02