K5V變量泵控制原理分析及在泵車上的應(yīng)用

陳建華，陳有錦，陽(yáng) 勇

（1.湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與航空學(xué)院，湖北武漢 430079；2.昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南昆明 650504；3.北京三一工程機(jī)械有限公司維修服務(wù)部，北京 102200）

K5V 系列液壓泵是川崎重工精機(jī)系列產(chǎn)品，以變量柱塞泵為主體，配以精密復(fù)雜的變量控制機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)液壓泵的流量控制、壓力控制以及功率控制，在變量泵的控制精度、穩(wěn)定性及節(jié)能方面都具有較大的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械領(lǐng)域及其他行業(yè)［1］。

1 K5V變量泵控制原理

1.1 K5V變量泵結(jié)構(gòu)

K5V 系列液壓泵有K5V200SH、K5V140S/DT、K5V112S 等多種類型的產(chǎn)品，現(xiàn)以K5V200SH 變量泵為例介紹泵的結(jié)構(gòu)。K5V200SH 泵為單泵，由泵體、控制器組成，外形如圖1 所示。泵體為斜盤式軸向柱塞變量泵，由斜盤、回程盤、配油盤、缸體、傳動(dòng)軸、柱塞、滑履等組成，控制器即伺服變量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由流量調(diào)節(jié)、壓力調(diào)節(jié)、功率調(diào)節(jié)、比例電磁閥、變量柱塞、彈簧等組成［2］，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 K5V200SH液壓泵外形圖Fig.1 Outline drawing of K5V200SH hydraulic pump

圖2 K5V變量柱塞泵結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of K5V variable displacement piston pump

1.2 K5V變量泵控制原理分析

K5V 柱塞泵變量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的控制功能包括電比例排量控制、恒功率控制、壓力切斷控制等［3］，根據(jù)變量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和負(fù)載變化的影響分析控制原理，如圖3 所示。圖中：1（A）為接先導(dǎo)油口Psv；2（P）為接蓄能器壓力油口；3（DR）為油箱接口；A 油口為變量泵的主油路口；Dr為變量泵泄漏油口；PB為油泵B出口壓力。

圖3 K5V變量泵控制機(jī)構(gòu)Fig.3 The control mechanism of K5V variable displacement pump

1.2.1 電比例排量控制

電比例排量控制的工作原理：減壓閥的出口壓力油經(jīng)Psv 口進(jìn)入比例電磁閥，比例電磁閥得電后輸出二次壓力，二次輸出壓力作用在功率控制閥左端的小柱塞上，使功率控制閥閥芯左移，閥右位工作，變量柱塞左移，使柱塞泵排量增大，變量柱塞大腔液壓油經(jīng)功率控制閥流回油箱［4］。變量柱塞左移帶動(dòng)功率控制閥閥體左移，與閥芯重新對(duì)應(yīng)于中位，泵輸出最大排量。

電流增大，二次輸出壓力增大，泵的排量增大，小柱塞端彈簧設(shè)定值不大于2.66 MPa。

1.2.2 恒功率控制

隨著工作壓力的提高，為了避免泵的功率超過原動(dòng)機(jī)功率發(fā)生悶車熄火等現(xiàn)象，這時(shí)功率控制閥開始起作用。變量泵輸出油進(jìn)入變量柱塞右腔和功率控制閥左端大柱塞，當(dāng)壓力超過柱塞彈簧設(shè)定值時(shí)，推動(dòng)功率控制閥閥芯右移，閥左位工作，液壓油通過功率控制閥左位和壓力切斷閥左位進(jìn)入變量柱塞左腔，由于柱塞左腔面積較右腔大，壓力油推動(dòng)柱塞右移，變量泵排量開始減少，變量柱塞右移通過反饋桿作用使閥固定在一個(gè)新的位置，從而維持泵的功率恒定［5］。大柱塞端彈簧設(shè)定值不小于16 MPa。

1.2.3 壓力切斷控制

在前面的兩階段工作過程中，壓力切斷閥因左端彈簧力作用處于左位工作，隨著工作壓力進(jìn)一步提高，達(dá)到溢流閥的設(shè)定值時(shí)，溢流閥因溢流而實(shí)現(xiàn)壓力切斷，壓力切斷閥在右端液壓力作用下處于右位工作，液壓油進(jìn)入變量柱塞左腔，使柱塞泵排量減少，使系統(tǒng)工作在溢流閥設(shè)定值以下，實(shí)現(xiàn)恒壓控制，避免泵超壓損壞［6］。溢流閥的設(shè)定值約32 MPa。

3 種控制的優(yōu)先權(quán)依次是壓力控制、恒功率控制、流量控制。根據(jù)控制電流和外負(fù)載變化影響，K5V 變量泵也可以實(shí)現(xiàn)電比例排量與恒功率復(fù)合控制、電比例排量與壓力切斷復(fù)合控制、壓力切斷與恒功率復(fù)合控制［7］。

2 K5V系列泵的應(yīng)用

K5V 系列變量泵廣泛應(yīng)用于混凝土泵車上，在泵車的使用過程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)泵的排量、壓力不在正常的工作范圍之內(nèi)，需要進(jìn)行必要的調(diào)整或應(yīng)急處理，才能保證泵車正常工作。

2.1 故障現(xiàn)象

1臺(tái)臂架式泵車，主油泵為川崎K5V變量泵，由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，在泵車工作的時(shí)候，泵送混凝土?xí)r不出料，正泵、反泵、空泵時(shí)動(dòng)作較慢，換向壓力正常，泵在最大排量時(shí)打泵的次數(shù)比規(guī)定的工藝次數(shù)少2～3次。

2.2 故障原因分析

根據(jù)泵車泵送較慢和堵管的故障現(xiàn)象，從機(jī)械、電氣、液壓3 個(gè)方面進(jìn)行檢查和分析。先分析機(jī)械方面的原因，泵送較慢或堵管需要檢查泵送系統(tǒng)元件的工作狀況，仔細(xì)檢查眼鏡板與切割環(huán)間隙，發(fā)現(xiàn)間隙正常，密封性能良好，無漏漿可能，無較嚴(yán)重磨損痕跡；擺動(dòng)缸接頭連接牢固，無松曠現(xiàn)象，擺動(dòng)無沖擊；砼輸送管無維修更換記錄，砼內(nèi)徑相同無臺(tái)肩光滑均勻，管內(nèi)無結(jié)料現(xiàn)象，混凝土坍落度正常，駕駛操作合理，因此，不會(huì)造成堵管現(xiàn)象。

分析電氣、液壓方面的原因，泵送混凝土?xí)r不出料，其主要原因是泵送壓力不足，泵送速度較慢，與泵的排量有關(guān)，兩者均與電比例閥相關(guān)。根據(jù)K5V變量泵控制機(jī)構(gòu)原理圖3分析，影響泵送壓力和排量的因素如下：①減壓閥輸出壓力即Psv口壓力；②電比例閥電壓及電流參數(shù)；③主油泵壓力切斷值；④功率控制閥設(shè)置；⑤主溢流閥設(shè)定值等［8］。

2.3 故障診斷思路及排除方法

查泵車中K5V 變量泵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：Psv 口壓力4.8～5.0 MPa，測(cè)壓口口壓力0.66～2.66 MPa；比例電磁閥電流333～686 mA，電壓15 V；壓力切斷閥壓力值（31.5±0.5）MPa；根據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用專用檢測(cè)工具對(duì)相關(guān)元件進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)不合理的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整或更換元件。

2.3.1 排量的調(diào)整

最大排量時(shí)打泵次數(shù)少與減壓閥出口壓力低或電比例閥電壓低有關(guān)，進(jìn)行以下檢測(cè)：

（1）減壓閥出口壓力檢測(cè)。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升至（1 750±100）r/min時(shí)，用6 MPa壓力表和測(cè)壓管連接檢測(cè)減壓閥出口壓力，如果壓力異常，調(diào)整圖4中壓力螺桿使壓力值在4.8～5.0 MPa。

圖4 減壓閥外形及各接口Fig.4 Outline and interfaces of pressure reducing valve

（2）電比例閥的檢測(cè)。在測(cè)壓口接上壓力表，調(diào)整電比例閥尾部螺釘，在泵的排量達(dá)到70%左右時(shí)，測(cè)壓口壓力為2.0～2.2 MPa，在最大排量時(shí)壓力為2.55～3.20 MPa，然后鎖緊螺釘。

2.3.2 功率控制閥的調(diào)整

當(dāng)壓力比較小，泵送困難時(shí)，應(yīng)調(diào)整泵的功率控制閥：先將主泵上壓力切斷閥調(diào)整螺桿鎖死，調(diào)整換向溢流和攪拌溢流壓力到相應(yīng)值，并關(guān)閉攪拌馬達(dá)進(jìn)油球閥。

（1）在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升至（1 750±100）r/min時(shí)點(diǎn)動(dòng)憋壓，調(diào)整主溢流壓力到約21 MPa，先松開大鎖緊螺母，調(diào)節(jié)大螺桿，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速掉速（150±10）r/min，然后鎖緊大螺母。

（2）繼續(xù)點(diǎn)動(dòng)憋壓，調(diào)整主溢流壓力約27 MPa，松開小鎖緊螺母，調(diào)節(jié)小螺桿，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速掉速（150±10）r/min，然后再鎖緊小螺母。

（3）功率調(diào)整完畢后，再調(diào)節(jié)主溢流閥壓力約35 MPa。

（4）主溢流閥壓力調(diào)整完畢后，再調(diào)節(jié)切斷壓力螺桿使主泵切斷壓力約32 MPa。

3 結(jié)語(yǔ)

K5V 變量柱塞泵集電比例排量控制、恒功率控制、壓力切斷控制于一體，其電比例排量控制特點(diǎn)如下：電流增大，二次輸出壓力增大，泵的排量增大；恒功率控制的作用是保持泵的輸出功率接近于發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率最大化和運(yùn)行穩(wěn)定；壓力切斷控制的作用是使變量泵工作在安全的壓力之下，防止泵超壓損壞。K5V 變量泵具備控制精準(zhǔn)、運(yùn)行穩(wěn)定、高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，在混凝土泵車的運(yùn)用中需要結(jié)合具體的工作需求對(duì)泵的控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。