張立秀， 石景林

(1. 武漢城市職業(yè)學院， 湖北 武漢 430064； 2. 徐州市峰利液壓機械有限公司， 江蘇 徐州 221009)

0 引言

隨著液壓技術(shù)的快速發(fā)展,現(xiàn)代化的工程機械越來越多地使用了液壓系統(tǒng)，尤其廣泛用于工程機械的行走驅(qū)動[1-3]，例如裝運機械和混凝土機械用于隧道施工時，都是在陜小通道中穿梭進退、曲折迂回，對作業(yè)噪聲、排放、調(diào)速換向、低速穩(wěn)定性、操作舒適性等要求較高[4]，為了方便操作、提高行走驅(qū)動液壓系統(tǒng)的性能，將DA控制閥用在液壓泵上(DA泵)，可以組成閉式控制系統(tǒng)，無級調(diào)節(jié)液壓泵排量，從而自動控制工程機械達到最佳工作狀態(tài)，同時還可減輕操作者的疲勞和負擔。DA閥是我國引進德國力士樂公司專利技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品,將其安裝在一款閉式柱塞泵上，賦予這款泵一種特殊的控制方式，即DA控制(一種與發(fā)動機轉(zhuǎn)速或自動行駛有關(guān)的控制系統(tǒng))，這種泵稱為DA泵。DA閥芯能夠產(chǎn)生一個與泵的轉(zhuǎn)速成比例的控制壓力，并通過一個液控閥進入帶伺服活塞的油缸，控制液壓泵的泵油方向和輸出流量大小，泵的方向控制閥由操作者操縱。這款泵的液壓系統(tǒng)是專門為驅(qū)動設備的行走而設計的，無需控制其他的閥來調(diào)節(jié)行駛速度，只要踏動油門踏板就可以任意控制設備的行駛速度。因此，操作者熟知DA泵的功能控制原理和掌握DA泵系統(tǒng)調(diào)試方法顯得尤為重要。

文獻[5-6]用仿真軟件和試驗對比，得出DA泵控系統(tǒng)能自適應外界負載的變化；文獻[7-12]對DA閥利用自動調(diào)節(jié)作用，使其發(fā)揮最佳工作狀態(tài)的泵控原理進行了研究；文獻[13]研究了液壓泵與液壓馬達聯(lián)合控制原理與控制算法。以上研究都取得了一定的成果，并為本文提供了理論基礎(chǔ)與研究思路,然而通過行業(yè)現(xiàn)場調(diào)研了解到，在不同工況和DA系統(tǒng)修復過程中，操作者對DA控制系統(tǒng)的主要功能理解不足，特別是在設備維護時對DA泵參數(shù)設置及調(diào)試不能與發(fā)動機很好匹配，導致發(fā)動機容易出現(xiàn)熄火、功率下降和怠速憋車等現(xiàn)象，這類故障現(xiàn)象在互聯(lián)網(wǎng)如愛液壓論壇、第一工程機械網(wǎng)維修論壇等有特別多求助得不到很好的解答。本文通過實測系統(tǒng)曲線驗證DA泵的3大功能，在文獻[14-15]的基礎(chǔ)上，提出DA泵的系統(tǒng)調(diào)試方法，以期為使用和保養(yǎng)維護DA閥系統(tǒng)提供參考。

1 DA系統(tǒng)控制原理

DA泵的控制原理如圖1所示。補油泵1輸出流量Q1，通過DA閥2分2路輸出，一路給系統(tǒng)正常補油使用，由溢流閥5限定壓力p3;另一路即為DA閥調(diào)節(jié)輸出的壓力p2，且p2=pst，pst為先導壓力，供給泵的伺服活塞用于控制斜盤擺動從而改變排量，通過泵上自帶的方向控制閥3，控制進入伺服活塞油缸4的液流方向，從而控制斜盤的正擺和反擺。圖中的控制閥3，若電磁鐵a得電，則A口得高壓，若電磁鐵b得電，則B口得高壓，使得泵的A口出油或B口出油，從而實現(xiàn)馬達的正反轉(zhuǎn)，或者設備的前進和后退動作。

DA閥的構(gòu)成如圖2所示。主要功能元件包括調(diào)節(jié)螺栓、初始壓力彈簧、切換彈簧、主閥體、滑動閥芯、節(jié)流孔片。調(diào)節(jié)螺栓的作用是調(diào)節(jié)初始壓力彈簧的預緊力;初始壓力彈簧的作用力會與閥芯的初始動作壓力所產(chǎn)生的作用力相平衡;切換彈簧用于控制排量;主閥體固定在泵體內(nèi);滑動閥芯是DA的主閥芯;節(jié)流孔片是限制補油流量并產(chǎn)生壓差推動閥芯工作的元件。

圖1 DA泵的控制原理示意圖

1—調(diào)節(jié)螺栓； 2—初始壓力彈簧； 3—切換彈簧； 4—主閥體； 5—滑動閥芯； 6—節(jié)流孔片。

2 DA泵的主要功能

2.1 泵的排量與發(fā)動機轉(zhuǎn)速

2.1.1 與速度相關(guān)的基本原理

如果發(fā)動機的轉(zhuǎn)速為n，補油泵的排量為qc，則補油泵輸出流量

Q1=n×qc。

(1)

又根據(jù)流量壓力特性方程有：

(2)

整理式(2)得：

(3)

式(1)—(3)中：ρ為流體黏度；K為節(jié)流孔的形狀系數(shù)，一般取0.9； Δp為節(jié)流孔前后壓差，Δp=p1-p3；d0為節(jié)流孔的直徑。

DA閥剖面如圖3所示。當補油泵向DA閥輸入壓力p1、流量Q1時，在節(jié)流孔處產(chǎn)生壓差Δp，該Δp克服彈簧力推動閥芯右移打開控制窗口輸出p2，此時又作用在面積A2上產(chǎn)生一個使閥芯左移關(guān)閉控制窗口的反饋力，最終使閥芯處于一個平衡位置，即：

圖3 DA閥剖面圖

DA閥閥芯所受合力Fv=p1A1-(p2A2+p3A3+Fs)=0，則有p2A2=p1A1-p3A3-Fs。假定A1=A3，則：

(4)

將式(1)和式(3)分別代入式(4)，整理得：

(5)

(6)

由于變量泵(主泵)和補油泵同軸，則式(5)—(6)表明DA控制閥將變量泵的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變成補油泵的對應油量，并將輸出的控制壓力p2與變量泵的控制機構(gòu)(伺服油缸)聯(lián)在一起，構(gòu)成一個曲型的DA控制閉式系統(tǒng)。

工作時，當駕駛員輕輕踩動腳踏板，柴油機轉(zhuǎn)速隨之改變，通過DA閥控制，主變量泵的流量隨柴油機轉(zhuǎn)速平方的變化而變化，而這個流量去驅(qū)動行駛馬達旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)行走的無級調(diào)速。

2.1.2 DA閥的起始點和終止點

首先需要調(diào)節(jié)控制起始點，斜盤初始轉(zhuǎn)動時的發(fā)動機轉(zhuǎn)速就是DA控制的起始點，斜盤角度最大時的發(fā)動機轉(zhuǎn)速就是DA閥控制的終點，即DA閥輸出的控制壓力p2隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高而逐漸增大，直至推動斜盤開始擺動，此時的發(fā)動機轉(zhuǎn)速即為泵的啟動轉(zhuǎn)速。由式(6)可知，在DA閥的結(jié)構(gòu)尺寸一定時，控制壓力還與d0及Fs有關(guān)，所以節(jié)流孔的孔徑d0和彈簧的預緊力Fs都需要根據(jù)發(fā)動機曲線來具體匹配。

DA閥的彈簧和節(jié)流孔的特性曲線如圖4所示。圖中曲線是DA閥在改變節(jié)流孔的孔徑和彈簧預緊力的情況下測試出來的，其中的3條曲線分別為DA閥在3種不同參數(shù)下的曲線。d01、d02、d03分別為DA閥的3個節(jié)流孔徑，d01>d02=d03;Fs1、Fs2、Fs3分別為DA閥的3個彈簧預緊力，F(xiàn)s1=Fs2>Fs3。

圖4 DA閥的彈簧和節(jié)流孔的特性曲線

DA閥集成在泵里，伺服活塞油缸復位彈簧不同的壓縮量所產(chǎn)生的力，對應泵的排量從0到最大。例如隧道濕噴車行走機構(gòu)上的DA泵A4VG71的制造商規(guī)定了p2為0.55～1.8 MPa，這意味著先導壓力在0.55 MPa時斜盤開始變量，且DA閥輸出的先導壓力(控制壓力)達到1.8 MPa時泵的排量達到最大。

綜合式(6)和圖4可知，在不同的彈簧初始壓縮量、DA閥上不同的節(jié)流小孔下，如果系統(tǒng)的先導壓力為0.55～1.8 MPa，可以得到如下結(jié)論：

1)式(6)表明初始壓力彈簧的壓縮量決定了曲線的起始壓力大小，而節(jié)流孔的d0大小決定了曲線變化斜率。由圖4的d01曲線和d02曲線可知，節(jié)流孔的d0越大，斜率越小，變化越慢，輸出的控制壓力越小，轉(zhuǎn)速變化范圍越大；反之，節(jié)流孔的d0越小，斜率越大，變化越快，輸出的控制壓力越大，轉(zhuǎn)速變化范圍越小。

2)調(diào)整初始壓力彈簧初始壓縮量，可以決定斜盤變量的起始點。在節(jié)流孔d0相同的前提下，由圖4的d02曲線和d03曲線(d02=d03)可知，2條曲線完全平行，而壓力的起始點不同，轉(zhuǎn)速變化的范圍也不同；Fs2曲線起始壓力小于Fs3曲線起始壓力(Fs2>Fs3)，說明預緊力越小，彈簧越松，閥的開口就越大，先導口通過油量就越大，先導壓力越高；且Fs2所在曲線的轉(zhuǎn)速范圍大于Fs3所在曲線的轉(zhuǎn)速范圍。

綜上所述，調(diào)節(jié)初始壓力彈簧的預壓縮量可以確定DA閥的控制起點，即柴油機需達到調(diào)定的轉(zhuǎn)速值后，主變量泵才有流量輸出，行走馬達才能旋轉(zhuǎn)；改變彈簧剛度和節(jié)流口直徑可以改變設備的自動變速范圍。

2.2 恒功率調(diào)節(jié)

DA閥使得液壓泵具有恒功率功能，當起始點設定后，DA泵在運行的過程中受到回程力的影響，具有了斜盤回擺的特征，使得泵的輸出功率在運行過程中保持基本恒定。功率

P=ΔpQ。

(7)

式中Q為泵的輸出流量。

對于泵的狀態(tài)，總效率在一個時間段是不變的，可以看做常數(shù)，因此當功率P恒定的時候，可得P=ΔpQ=C或Q=C/Δp。Q與Δp成反比，即當液壓泵的功率調(diào)定之后，在固定轉(zhuǎn)速下，泵的排量增大，泵的壓力就會自動下降，從而保持功率的恒定。

從DA泵的DA閥控制過程來看，以DA泵A4VG71為例，根據(jù)轉(zhuǎn)速的變化，先導壓力在0.55～1.8 MPa變化，泵的排量也在vmin到vmax變化，即當發(fā)動機的初始轉(zhuǎn)速從nmin開始調(diào)整，此時泵的排量為vmin，先導壓力應為0.55 MPa左右；當發(fā)動機的轉(zhuǎn)速到達nmax時，泵的排量會達到vmax，即為泵的額定排量，先導壓力pst，max=1.8 MPa。

DA閥的控制系統(tǒng)如圖5所示。DA閥輸出的控制壓力p2作用于伺服活塞，使泵的斜盤朝大排量方向擺動，系統(tǒng)壓差Δp產(chǎn)生的回擺力Fp使斜盤朝小排量方向回擺。如果發(fā)動機轉(zhuǎn)速固定在某個值nx，此時先導壓力也穩(wěn)定在某個值pstx，如果系統(tǒng)加載，Δp繼續(xù)增大，則Fp繼續(xù)增大，當p2和Fp二者作用力矩平衡時，斜盤停止擺動并穩(wěn)定在這一位置。此時，如果再繼續(xù)增大Δp，斜盤的轉(zhuǎn)矩平衡就會被打破，產(chǎn)生反轉(zhuǎn)矩，斜盤就會向排量減小的方向回擺，這個平衡點的壓力差Δpx和泵排量vx所算出的功率，就是這個DA泵的恒功率值。

圖5 DA閥的控制系統(tǒng)

DA泵的恒功率曲線如圖6所示。圖中2條恒功率曲線P1和P2，當液壓泵調(diào)至較高的排量v0.9時，如果發(fā)動機轉(zhuǎn)速為最大值nmax，則Q=nmax×v0.9。如果調(diào)節(jié)正時螺栓，可以調(diào)節(jié)伺服壓力和回程力的支點位置，則會改變斜盤的回擺點，如圖6曲線上的回擺點。在回擺點上，如果繼續(xù)增加泵的出口壓力(即加載)，在轉(zhuǎn)速不變的情況下，排量v會隨著壓力增大而下降，從而保持了功率的恒定。

圖6 DA泵的恒功率曲線

這種恒功率調(diào)節(jié)功能特別適用于隧道施工機械，可以有效地減輕操作者負擔，自動保護發(fā)運機免于過載。

2.3 壓力切斷功能

DA控制另一個重要作用是負載極限控制，即壓力切斷功能。如圖5中，當回程轉(zhuǎn)矩與伺服活塞力轉(zhuǎn)矩達到平衡時，此時的泵達到最大排量，通過加載增大輸出壓力p，回程力就會增大，斜盤開始回擺，泵的排量v開始下降，稱此點為回擺點。如果p達到最大值pmax，回程力也達到最大值，直至將斜盤推到中位，此時泵的排量v≈0，此時的壓力pmax即為切斷壓力；同樣調(diào)節(jié)正時螺栓也可以改變切斷壓力的大小。

變量泵利用DA閥的自動調(diào)節(jié)作用，始終保持泵的轉(zhuǎn)矩不會超過發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩，以防止發(fā)動機熄火，達到變量泵與發(fā)動機間功率的最佳匹配。

3 DA泵的調(diào)試

以某濕噴車行走機構(gòu)上的DA泵A4VG71為例，介紹DA泵的調(diào)試。

3.1 DA泵調(diào)試前的準備工作

1)測試調(diào)節(jié)。原動機轉(zhuǎn)速范圍為0～2 000 r/min，液壓油溫為40～60 ℃。

2)調(diào)定起始點。包括起始轉(zhuǎn)速、起始壓力?？紤]到發(fā)動機冷啟動等因素，調(diào)定起始點的轉(zhuǎn)速一般需要高于怠速的轉(zhuǎn)速200 r/min，目的是為了避免DA閥在怠速的時候產(chǎn)生的壓力過高并啟動泵的斜盤，導致設備在怠速時，即發(fā)動點火時產(chǎn)生動作，造成意外。

DA泵壓力調(diào)試表如圖7所示，可以使用2個變量來改變控制起始點： 1)調(diào)節(jié)起始彈簧，旋動調(diào)節(jié)螺栓；2)改變節(jié)流孔(孔徑)，更換節(jié)流片。

1—內(nèi)六角螺栓(調(diào)節(jié)DA閥的起點彈簧力)； 2—正時螺栓(調(diào)節(jié)配流盤預壓角)。

調(diào)節(jié)DA閥的端部螺栓1可以改變控制啟動的開始點，從而影響彈簧力，該彈簧力與先導壓力pst作用，從而使泵旋轉(zhuǎn)。松開調(diào)節(jié)螺栓1，以設定更早的控制起始點，啟動速度ni降低，同一個速度下控制壓力pst更大；擰緊調(diào)整螺栓1，以設定更遲的控制起始點，啟動速度ni升高，同一個速度下控制壓力pst更小。

3.2 DA泵的調(diào)試過程

1)啟動原動機，將轉(zhuǎn)速調(diào)到800 r/min。

2)打開泵的控制閥。如果是電控閥，加載電流600 mA以上；如果是液控閥，加載壓力需要1.8 MPa及以上。

3)提高原動機轉(zhuǎn)速至n=1 000 r/min，根據(jù)先導壓力設定值pst≥0.55 MPa，如果先導壓力達到0.55 MPa或更高，泵應該有流量出現(xiàn)，然后在A口或B口進行加載，p=5 MPa。如需調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速n，則需要調(diào)節(jié)預壓彈簧，見圖7中的螺栓1。

4)繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速n=1 000～1 900 r/min，此時泵的排量v會繼續(xù)增加，達到最大排量vmax時，記錄控制壓力pst，此時pst≥1.8 MPa。

5)繼續(xù)加載p，使得壓力從5 MPa增加至30 MPa，在這個過程中關(guān)注流量QA的變化，記錄流量QA開始減小的點(轉(zhuǎn)速值或先導壓力值)，此時的壓力為斜盤回擺壓力p。

6)已知發(fā)動機功率為90 kW，則液壓系統(tǒng)功率不能超過90 kW ，需要通過圖7中的正時螺栓2微調(diào)配油盤的角度，確定最大排量下的回擺壓力，從而對泵的功率輸出進行調(diào)節(jié)。在最高壓力為35 MPa、轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時，泵的排量僅允許為102 mL/r；在最大排量為250 mL/r、轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時，允許壓力為14.3 MPa，2種工況下計算得泵輸出功率均約為89 kW,與發(fā)動機功率相匹配。

7)當液壓泵在最大排量250 mL/r下運行時，轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，實際流量為375 L/min，此時操作加載閥，使泵的壓力逐漸加載到14.3 MPa，此時流量會開始下降，斜盤自動回擺；如果加載壓力繼續(xù)調(diào)高，流量將繼續(xù)下降，直到壓力達到最大值35 MPa，流量也會隨之降低至102 mL/r。DA泵的恒功率曲線就是這樣獲得的。

3.3 DA泵的調(diào)試曲線

DA系統(tǒng)實測壓力曲線如圖8和圖9所示。圖中，藍色曲線為補油泵出口壓力曲線，橙色曲線為高壓腔壓力曲線，綠色曲線為先導壓力曲線。圖8中，曲線中的點0為泵軸未轉(zhuǎn)動；點4至點6為加速的過程，泵的斜盤開始轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生排量；在點4至點6加速至最大轉(zhuǎn)速；在點6后開始加載至最高壓力；點7時為壓力切斷點。

圖8 DA系統(tǒng)實測壓力曲線圖

圖9 DA系統(tǒng)實測壓力曲線選框A放大圖

由圖9可知： 點1 A、B口的壓力接近，為補油壓力和低壓腔壓力，點1至點2應為怠速壓力；點2至點3為加速過程，點3對應的綠色曲線，先導控制壓力達0.55 MPa，此時點3的出口壓力也開始增大，因此點3就是DA控制的起始點。

4 結(jié)論與建議

通過對濕噴車行走機構(gòu)上的DA閥和DA泵的結(jié)構(gòu)原理及實測DA系統(tǒng)所得到的曲線進行分析，可得到以下結(jié)論：

1)DA閥所在的DA泵組成的系統(tǒng)可以適用于各種行走設備的驅(qū)動系統(tǒng)，通過發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制泵的排量，具有自動檔駕駛的功能，方便操作。

2)當泵的壓力達到設定的最大極限壓力時，斜盤會回擺至中位，泵的排量接近為0，泵保持最大壓力輸出的同時，排量為微小排量，接近于0，即DA泵具有壓力切斷功能。

3)使用DA閥的泵具有恒功率功能，即泵的輸出功率會在一定范圍內(nèi)可調(diào)，通過調(diào)節(jié)并鎖定泵的設定，使得泵有一個穩(wěn)定的功率輸出，以適應原動機的功率。

4)在泵檢修時或設定DA閥時，只有系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整和設置得當，才能使DA泵的功能在工作時得到充分發(fā)揮。

DA系統(tǒng)參數(shù)的設定和調(diào)試會受到各種環(huán)境和工況的不確定性因素影響，建議在具體使用DA閥的應用系統(tǒng)中，參考發(fā)動機的怠速和加速參數(shù)、液壓油的具體型號以及調(diào)試過程中液壓油的溫度，保證DA閥系統(tǒng)的正常工作。