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  液压小型挖掘机变量系统

  定量系统依靠节流调速,既浪费了功率又易引起系统发热,由于存在上述问题,20世纪 60 年代小型挖掘机上开始出现了变量系统。变量系统能够随负载的变化而自动改变液压泵的排量,目前几乎大中型小型挖掘机的液压系统都采用变量泵供油。在泵的变量范围内,流量可以随外负载的变化而变化,变量系统克服了定量系统的缺点,能够根据外负载自动调节流量,提高了作业速度,从而提高了生产率,可以充分利用发动机的功率,具有较好的节能作用。

  变量液压系统通常按照小型挖掘机所需克服的平均外载荷和正常的作业速度来确定发动机的功率,而定量系统要按最大外负荷来确定,在同等的作业速度的情况下,同等级的小型挖掘机定量系统所需功率约为变量系统的 1.3-1.4 倍,而功率利用率平均约为 60%,但变量系统在理论上可得到 100%的功率利用[。因此变量系统是目前应用最为广泛的的系统,因此对其基本原理进行分析相当有必要。
液压小型挖掘机变量系统
  1 恒功率变量系统

  现在很多品牌的小型挖掘机都采用恒功率变量系统。其特点是:根据变量泵出口压力调节输出流量使油泵输出流量与出口压力的乘积即输出功率近似保持恒定。由于变量泵的排量能够随着外负载的变化而改变,所以变量泵的特点是在其调节的范围内能充分利用发动机的功率,能够提高小型挖掘机的复合动作性能,因此越来越多的小型挖掘机采用恒功率液压系统。

  恒功率变量机构的原理如下:整个的过程可以分为两个阶段,第一个阶段是 a 恒流量区,此时外负载较小,液压泵的输出压力很小,还不足以克服变量泵调节机构的弹簧力,变量泵的摆角最大,流量和排量最大,在假设油泵输入转速不变的情况下,可以认为是恒定值,流量只随液压泵的转速而发生变化。当随着外负载的增大,使变量泵的出口压力达到泵的起调压力 Po 时,这时调节机构一端的油压力就会克服弹簧力,使变量泵的摆角减小,进而泵的输出流量和排量也变小,进入恒功率区 b。随着外负载的进一步增加,油泵的出口压力继续升高,直至阀芯达到极限位置,泵的输出流量就不再继续减小。反之,当外负载变小时,油泵的输出流量就随之增大,执行元件的速度也随之增大。泵的输出流量和出口压力存在着反比的关系,使系统运行在恒功率状态,从而充分发挥了发动机的功率,节约了能源,避免了能源的浪费。

  (1) 分功率控制变量系统

  分功率控制系统是指在双泵双回路系统中两台工作泵各有一个独立的恒功率调节机构来改变油泵的排量。每台油泵的排量只受自身所在回路的压力调节,每一台油泵各应有一半发动机的功率,只有当每条回路的压力都处在各自的调节范围之内时,即Po<P<P1max,Po<P<P2max 时,才能充分发挥发动机的功率。存在的唯一缺点就是,如果某一条回路的压力低于变量泵的起调压力时,即使另一个回路的压力在调节的范围之内,也不能充分利用发动机的功率。在工作状态时,每个回路的负载是不一样的,这也就决定了每个回路的流量是不一样的。优点在于每个液压泵的流量可以根据各自回路情况的变化而变化,具有很好的对负载的适应性。
液压小型挖掘机变量系统
  (2) 全功率控制变量系统

  全功率控制系统是指在双泵双回路系统中,两台变量泵共用一个变量调节机构,用两条回路的压力值和即总的压力来调节两个泵的排量,由于共用一个调节机构,两台泵的排量始终相等,两条回路始终相互关联。在全功率调节系统中,决定泵的排量的是两个泵的压力之和,因此,当两条回路的压力满足二者之和 2P0<P1+P2<2Pmax 时,就可以全部发挥发动机的功率。但在正常的情况下,虽然两台泵的流量相等,但每条回路的压力可能不等,因此每台泵发挥的功率可能不相等,但只要两条回路的压力之和在系统的调节范围之内,就能够发挥出泵的全部功率。可能存在的一种情况是一台泵超负荷运转,另外一台泵负荷为零。

  但在实际工作的情况下,液压泵处于最大功率、压力和流量的状态下工作,而小型挖掘机在实际工作时并不是这种情况。当柴油机处于空载运转、作业负载较小以及工作装置受到强阻力微动时,若按上述情况下工作必然造成能量浪费,因此总功率系统不可避免地存在功率损失。因此现代的小型挖掘机会和其它节流控制方式结合起来,以达到最优的节能控制。

  2  压力切断控制系统

  压力切断控制系统(CUT OFF)是为了消除系统过载溢流时的损失,任何一个系统,只要主回路压力达到或超过系统安全阀设定的压力时,液压油就会溢流回油箱。但由于此时系统的压力较高,会引起系统发热,油温升高及密封件失效等问题。为解决这个问题,大多数的液压小型挖掘机都采用了压力切断控制系统,即当泵的输出压力超过系统设置的压力切断点时,可以进一步降低泵的排量使其接近零排量,而输出压力仍旧保持在系统压力左右,这种功能被称为“压力补偿(Pressure Compensated)。其工作的基本原理是当某一回路的压力达到系统设定的值时,在液压泵调节机构的作用下减少变量泵的排量,使其仅提供补充内部泄露的油液,近似做无溢流、无能量损失的卸荷,从而减少了系统的损失,降低了系统的发热,避免了能量的损耗。
液压小型挖掘机变量系统
  变量泵的调节机构由节流阀前的压力Δp 来决定,正常情况下顺序阀处于关闭状态,当外负载的压力大到一定的值时,顺序阀开启,油液进入到控制油路,使油路具有了一定的压力差Δp,会使泵的摆角减小,输出流量进而减小,该过程会逐步使执行元件所需的流量和泵的输出流量达到一个动态的平衡。液压泵输出的流量除了系统的泄漏和少量控制油外,全部供给了执行元件,没有溢流损失。反之,会增大泵的摆角,泵的输出流量会增加,使系统处于一个平衡状态。在压力切断系统中,只要顺序阀处于工作状态,就保证了系统没有溢流损失。但当外负荷极大而导致执行元件不能运动时,系统可能存在少量溢流,为了保证系统的安全,还设置了安全阀,其调定压力略高于顺序阀的调定压力。


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