基于負載獨立流量分配系統(tǒng)（LUDV）的新型液壓挖掘機液壓系統(tǒng)

姜 鵬，呂秀梅,2，王 濤，王占武

（1.遼寧瀚石機械制造有限公司，遼寧 阜新 123000；2.阜新市產(chǎn)業(yè)技術研究院，遼寧 阜新 123000；3.沈陽卓信機電設備有限公司，遼寧 沈陽 110000；4.遼寧北辰液壓氣動有限公司，遼寧 阜新 123000）

液壓挖掘機是一種在露天礦山連續(xù)開采中廣泛應用的設備，具有高效連續(xù)作業(yè)等優(yōu)點[1]。目前液壓挖掘機大多采用全液壓驅(qū)動模式，為了節(jié)約能量、降低油溫和提高控制精度，以及使同步動作的幾個執(zhí)行元件在運動時互不干擾，較先進的液壓挖掘機都采用了負載敏感泵與比例負載敏感多路閥技術。目前液壓挖掘機常用的流量分配系統(tǒng)可分為傳統(tǒng)的LS 負載敏感系統(tǒng)即壓力補償器位于換向閥前的閥前補償系統(tǒng)和壓力補償器位于換向閥閥后的負載獨立流量分配的LUDV 系統(tǒng)[2]。當液壓挖掘機需要多個執(zhí)行機構(gòu)同時動作時，挖掘機執(zhí)行機構(gòu)需要的流量超過液壓系統(tǒng)泵的最大流量（即流量飽和）時，傳統(tǒng)的閥前補償系統(tǒng)，負載較高側(cè)節(jié)流閥口兩端壓差下降，當達不到壓力補償閥的設定壓力時，壓力補償閥就會失去流量分配的作用，使得幾個機構(gòu)不能同時動作，油液全部流向低負載的執(zhí)行元件，導致多個動作時，會出現(xiàn)爭油現(xiàn)象。因此，現(xiàn)在更多的工程機械采用LUDV 系統(tǒng)，尤其在需要全液壓驅(qū)動的挖掘機液壓系統(tǒng)中，與LS 系統(tǒng)相比，LUDV 具有更好的抗流量飽和特性[3]，當流量不足時，執(zhí)行元件的運行相對速度根據(jù)各聯(lián)換向閥主閥芯的行程等比例地減少，不會有任何一個動作出現(xiàn)停止現(xiàn)象。

1 LUDV 多路閥工作原理

1.1 LUDV 多路閥中壓力補償閥工作原理

LS 多路閥系統(tǒng)與LUDV 多路閥系統(tǒng)不同之處在于LUDV 系統(tǒng)是先節(jié)流后補償。LUDV 系統(tǒng)是將壓力補償閥布置在換向閥可變節(jié)流口之后，由于液壓換向閥一般都是雙作用，有A、B 2 個油路，為了避免2 個油路都設置壓力補償閥，減少結(jié)構(gòu)的復雜程度，因此將換向閥換向部分設在壓力補償閥之后[4]。LUDV 多路閥原理簡化圖如圖1。LUDV 多路閥結(jié)構(gòu)如圖2。

圖1 LUDV 多路閥原理簡化圖

圖2 LUDV 多路閥結(jié)構(gòu)

1）液流動方向P 到A。液壓泵出口的液壓油進入到換向閥的P 腔，通過換向閥主閥芯6 上的節(jié)流槽7 進入到換向閥的P′腔，進入P′腔的壓力油經(jīng)過壓力補償器4，作用于A 口側(cè)單向閥3，打開單向閥后進入A 口側(cè)的Pc，然后壓力油通過換向閥主閥芯6 上的環(huán)槽11 進入換向閥的A 口。

2）油液流動方向P 到B。液壓泵出口的液壓油進入到換向閥的P 腔，通過換向閥主閥芯6 上的節(jié)流槽7 進入到換向閥的P' 腔，進入P' 腔的壓力油經(jīng)過壓力補償器4，作用于B 口側(cè)單向閥3，打開單向閥后進入B 口側(cè)的Pc，然后壓力油通過換向閥主閥芯6 上的環(huán)槽11 進入換向閥的B 口。

3）負載反饋LS。每聯(lián)的負載反饋通道LS 之間互通。經(jīng)過換向閥后P'的壓力作用于壓力補償器閥芯的左側(cè)，LS 反饋壓力和壓力補償器彈簧力共同作用于壓力補償器閥芯的右側(cè)。當換向閥不工作時，壓力補償閥的閥芯處于最右端，此時壓力油既不通往A、B，也不通往LS 油路，當P 口壓力升高時，壓力補償器閥芯將右移使P 口與A/B 相同，當壓力繼續(xù)升高時，閥芯將繼續(xù)右移，此時P′不經(jīng)過節(jié)流，直接與A/B 口相同，同時通過另一節(jié)流孔與LS 相通；當多片多路閥同時工作時，負載較低的壓力補償器只能處于開度較小的中位，P′與LS 口不通，P′經(jīng)節(jié)流后通向A/B，起均衡負載作用。因此，LS 壓力反饋通道可以檢測出多個執(zhí)行機構(gòu)中的最高負載壓力，并將壓力反饋至負載敏感泵。

1.2 LUDV 多路閥中壓力補償閥受力計算

LUDV 系統(tǒng)簡化原理圖如圖3，pL1、pL2為液壓系統(tǒng)的負載壓力。

圖3 LUDV 系統(tǒng)簡化原理圖

換向閥出口壓力作用于壓力補償器左端，壓力補償器右端受壓力補償器的彈簧和最高負載壓力共同作用[5]。則對壓力補償器進行受力分析如下：

式中：pm1、pm2為換向閥1 和換向閥2 的出口壓力，Pa；pLmax為飽和壓力，Pa；Fs1、Fs2為壓力補償器的彈簧力，N；A1、A2為壓力補償器的閥芯壓力作用面積，cm2。

在壓力補償閥的作用下：pm1＝pm2

式中：△p1、△p2為換向閥1 和換向閥2 前后兩端壓差，Pa；pp為泵出口壓力，Pa。

此時△p1＝△p2，所以即使各執(zhí)行元件負載壓力不等，各換向閥的進出口壓差始終保持相等。負載壓力較低的執(zhí)行機構(gòu)通過壓力補償器的節(jié)流作用，獲得與負載較高的執(zhí)行機構(gòu)大小相同的壓力。這樣每一聯(lián)根據(jù)節(jié)流程度不同，產(chǎn)生不同的壓差，達到均衡負荷的目的，避免當多個執(zhí)行機構(gòu)同時動作時，此時執(zhí)行機構(gòu)需要的流量超過液壓系統(tǒng)泵的最大流量（即流量飽和）時，油液全部流向低負荷執(zhí)行器。進入執(zhí)行機構(gòu)的流量可以根據(jù)流量計算公式得出[6]：

式中：Q 為通過閥的流量，m/s；Cd為流量系數(shù)；A 為閥的面積，m2；ρ 為油液黏度，kg/m3；△p 為閥前后壓差，Pa。

無論負載如何變化△p1＝△p2，因此通過的流量分配閥進入執(zhí)行元件的流量與負載無關，只取決于節(jié)流閥的開口度從而保證了執(zhí)行元件的運行相對速度根據(jù)各聯(lián)換向閥主閥芯的行程等比例地減少。因此，當各執(zhí)行元件的動作同時動作時，各個執(zhí)行元件互不干擾，不會出現(xiàn)流量分配不均現(xiàn)象，能夠輕松地實現(xiàn)各復合動作平穩(wěn)的進行[7]。

2 液壓挖掘機液壓系統(tǒng)

由于LUDV 系統(tǒng)多路閥的出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)挖掘機復雜的多泵合流控制機制，使得單泵與LUDV多路閥的負荷傳感控制系統(tǒng)挖掘機系統(tǒng)變得更加實用，同時結(jié)構(gòu)更加簡單。

2.1 負載敏感泵的選擇

基于新型的LUDV 多路閥系統(tǒng)，建立新型的液壓挖掘機液壓系統(tǒng)，該新挖掘機系統(tǒng)選擇力士樂A11V260 系列泵作為液壓正鏟的主要動力源，為液壓系統(tǒng)提供動力，液壓泵的控制方式選擇LRDS 控制方式的的變量泵，該控制方式具有負載敏感-壓力切斷-恒功率控制等功能[7]，可以滿足液壓挖掘機各種復雜工作的要求。該泵同時還具有節(jié)能、保護發(fā)動機、防止壓力過高導致安全事故等優(yōu)點。

負載敏感是一種流量控制，根據(jù)負載敏感閥LS口反饋至泵的負載閥的調(diào)節(jié)口，負載壓力，調(diào)節(jié)泵的排量，使泵的排量與執(zhí)行器的流量相適應[8]。當執(zhí)行元件不工作時，換向閥不換向，LS 壓力不反饋至泵的控制口，泵小排量運行，當執(zhí)行元件運行時，LS 壓力反饋至泵的控制口，泵根據(jù)按需提供對應的流量。

恒功率控制是控制斜盤擺角度滿足壓力、流量的乘積即功率保持恒定，具體原理是壓力增加，流量相匹配的較少，形成壓力、流量1 個增加1 個減少的匹配線性關系，從而保證功率是恒定的?？梢员ＷC當壓力過高時，不會損壞發(fā)動機，同時可以充分利用發(fā)動機的效率。

壓力切斷控制是防止液壓系統(tǒng)壓力過高，當系統(tǒng)負載壓力到達泵設定的壓力切斷數(shù)值時，壓力切斷閥左位導通，此時排量減少，較少到幾乎為0（泵體會有少許排量以滿足泵本身的內(nèi)泄漏）時，泵處于恒壓狀態(tài)，系統(tǒng)壓力不會隨負載而繼續(xù)提高了，這樣實現(xiàn)了壓力切斷，從而防止壓力進一步提高，保護系統(tǒng)的安全。此時，泵的排量很小，與傳統(tǒng)的閥控溢流系統(tǒng)（大流量溢流）相比，該系統(tǒng)的產(chǎn)熱量較小，液壓系統(tǒng)油溫升高不明顯，系統(tǒng)更加可靠，同時更加節(jié)約能源。

2.2 負載敏感比例多路閥的選擇

選用力士樂M7-22 系列負載敏感閥，該閥內(nèi)設有二次壓力安全閥、流量負載壓力補償器，具有重復精度高、滯環(huán)低等優(yōu)點，同時，液壓比例控制器可通過閥芯行程限位進行流量調(diào)節(jié)[9-10]。選擇合適的平衡閥等控制元件以及行走馬達、回轉(zhuǎn)液壓馬達、液壓油缸等執(zhí)行元件以及液壓附件等搭建基于LUDV 系統(tǒng)的新型液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)。

3 結(jié)語

基于A11VO 系列負載敏感泵和M7-22 系列負載敏感多路閥組合使用，搭建了基于負載敏感的液壓挖掘機閥后壓力補償流量分配系統(tǒng)，并對此套液壓系統(tǒng)在改造的液壓挖掘機上進行試驗應用。采用閥后壓力補償系統(tǒng)的液壓挖掘機多個動作同時動作時，更加平穩(wěn)，液壓挖掘機在進行復合動作時，沒有出現(xiàn)負載較大執(zhí)行元件動作停止不動現(xiàn)象。因此，基于LUVD 系統(tǒng)的新型液壓系統(tǒng)與傳統(tǒng)的LS 系統(tǒng)相比，在實現(xiàn)多執(zhí)行元件同時工作時而不受負載影響的同時LUDV 系統(tǒng)具有更好的抗流量飽和特性。