工程機(jī)械液壓系統(tǒng)改進(jìn)探析

李健

（中國鐵建國際集團(tuán)，北京 100855）

工程機(jī)械液壓系統(tǒng)改進(jìn)探析

李健

（中國鐵建國際集團(tuán)，北京 100855）

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

工程機(jī)械；液壓控制；改進(jìn)

液壓系統(tǒng)是大型工程機(jī)械中最重要的組成部分之一，由于工程機(jī)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(shí)延誤工期將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。有基于此，通過對(duì)工程機(jī)械液壓系統(tǒng)的改進(jìn)，能夠提高工程機(jī)械的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程機(jī)械液壓系統(tǒng)技術(shù)分析

工程機(jī)械液壓系統(tǒng)在進(jìn)行作業(yè)過程中，需要利用液壓泵將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能。在這一過程中，液壓閥負(fù)責(zé)分配和調(diào)節(jié)液壓泵的輸出功率，同時(shí)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(jī)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(dá)和液壓油缸將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)完成作業(yè)動(dòng)作。工程機(jī)械液壓控制系統(tǒng)需要通過調(diào)節(jié)液壓泵排量、發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以及控制閥的開度來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力、節(jié)能和效率的改進(jìn)。

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(fù)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(duì)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(gè)方面進(jìn)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(jìn)行調(diào)節(jié)：首先通過液壓泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)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(shí)使用中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速要求相對(duì)平穩(wěn)，故而有效的調(diào)節(jié)手段是對(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)閥控調(diào)速對(duì)于流量的控制，需要降低并聯(lián)回路中的相對(duì)液阻，這其中大部分的流量能量浪費(fèi)在對(duì)外做功中。在工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中，液壓閥電磁鐵的響應(yīng)頻率較低，主要集中在10Hz左右，但是高速電磁鐵能達(dá)到20Hz響應(yīng)頻率，將高頻控制和低頻控制相結(jié)合，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用液壓泵和比例閥共同對(duì)流量進(jìn)行控制。在進(jìn)行液壓控制時(shí)，首次排量通過變量泵實(shí)現(xiàn)，然后比例閥自動(dòng)進(jìn)行二次調(diào)節(jié)。目前應(yīng)用最廣泛的控制方式有負(fù)流量控制方式、負(fù)載敏感控制和正流量控制方式，如圖1、圖2所示。

圖1 負(fù)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(fù)流量控制過程中，變量泵的排量通過主閥中位的流量泵實(shí)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(gè)信號(hào)進(jìn)行控制，能夠有效提高響應(yīng)速度。

2 工程機(jī)械液壓系統(tǒng)常見故障分析

（1）液壓系統(tǒng)動(dòng)力不足。產(chǎn)生這一問題的主要原因有以下幾個(gè)方面：①溢流回路或者壓力回路短接。②發(fā)生嚴(yán)重泄漏。③液壓油沒有進(jìn)入液壓系統(tǒng)。④液壓泵輸出功率不足。針對(duì)于這一問題，下面進(jìn)行具體的分析：首先，應(yīng)該對(duì)液壓泵的輸油功能進(jìn)行檢測(cè)，可能的原因有零件磨損，液面過低，吸油阻力過大等；其次，應(yīng)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(dǎo)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(dòng)。振動(dòng)和噪聲通常是同時(shí)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(dòng)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(jī)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(yùn)行過程中。導(dǎo)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(yán)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(jìn)研究

（1）液壓系統(tǒng)保壓設(shè)計(jì)與改進(jìn)。工程機(jī)械液壓系統(tǒng)在保壓設(shè)計(jì)方面采取的常規(guī)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)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(guān)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(shí)驗(yàn)方案簡(jiǎn)述如下：構(gòu)建一個(gè)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(cè)試液壓系統(tǒng)在10MPa條件下的壓力變化，通過保壓時(shí)間和壓力降幅來評(píng)價(jià)保壓元件的效果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下：①單向閥通過截止的原理實(shí)現(xiàn)保壓效果，保壓時(shí)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(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，在使用過程中容器磨損錐閥或者污油侵入，導(dǎo)致液壓油的泄漏，最終導(dǎo)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(dòng)機(jī)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(jī)械液壓系統(tǒng)的保壓元件。

（2）蓄能器改進(jìn)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(jié)構(gòu)形式。氣囊式最高工作壓力可達(dá)200MPa；活塞式最高工作壓力可達(dá)21MPa；隔膜式主要應(yīng)用用于航空機(jī)械；重錘式常用于大型固定設(shè)備，最高工作壓力可達(dá)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(huì)產(chǎn)生油氣混合，而且膠囊慣性小，反應(yīng)靈敏，易維護(hù)，因此被廣泛使用。

實(shí)際應(yīng)用中由于充氣壓力不當(dāng)、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(jìn)的密封膠方式，如將SL8081液態(tài)墊涂布于結(jié)合面，它會(huì)在高溫下逐漸生成不溶的無機(jī)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(diǎn)而且拆卸方便。

（3）節(jié)能改進(jìn)。工程機(jī)械液壓系統(tǒng)由于工作條件惡劣，載荷變化大，通常會(huì)造成較大的能量損失。其損失主要包括以下幾點(diǎn)：①發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)的空負(fù)荷回油流量壓力損失。③超載時(shí)的溢流損失。④液壓油流經(jīng)管路的壓力損失。要使工程機(jī)械液壓系統(tǒng)減少能量損失，首先應(yīng)從發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)于工程機(jī)械液壓系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改進(jìn)采用的主要手段有：①流量控制。通過流量控制進(jìn)行節(jié)能改造，主要的設(shè)計(jì)思路是盡力控制設(shè)計(jì)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(dá)到最小，能夠有效的避免多余流量輸出造成的能源浪費(fèi)。②負(fù)荷傳感控制技術(shù)。由于負(fù)荷傳感控制技術(shù)具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)，控制能力不受負(fù)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(yīng)用較多。其中主要控制壓力補(bǔ)償器到負(fù)荷傳感作用的閥門設(shè)計(jì)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(dǎo)致的控制精度略有差距，但是均能有效的實(shí)現(xiàn)按需分配流量以達(dá)到節(jié)能的目的。

4 結(jié)語

工程機(jī)械的考核指標(biāo)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(huì)帶來嚴(yán)重的后果。在分析實(shí)際生產(chǎn)中工程機(jī)械液壓系統(tǒng)常見故障的基礎(chǔ)上，針對(duì)液壓系統(tǒng)保壓設(shè)計(jì)、蓄能器改進(jìn)和節(jié)能方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)三個(gè)方面，進(jìn)行了探討并提出改進(jìn)意見。

[1]白瓊.工程機(jī)械常見液壓系統(tǒng)問題分析及控制[J].工程技術(shù)：引文版，2016(5):00159～00160.

[2]郝國強(qiáng)，謝耘，劉曉梅.裝載機(jī)先導(dǎo)液壓系統(tǒng)的故障分析和改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].工程機(jī)械，2005,36(2):51～54.

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