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  液压小型挖掘机液压控制系统的研究

  伴随着全球能源危机和环境保护的要求,节能环保已成为发展的趋向。世界上一些品牌小型挖掘机生产厂商相继开发了一系列液压元件和节能控制技术,考虑到小型挖掘机的协调和复合动作,像小松、现代等品牌的小型挖掘机都开发了自己的多路阀液压系统,采用各种控制方法,既能保证各个元件的复合协调动作,又能够独立的动作。对液压泵的控制基本上都是通过调节泵的变量摆角来实现的,目前在小型挖掘机上常用的节能控制系统主要有:节流控制系统、负流量控制、正流量控制和负载敏感控制系统等。下面就针对这几种典型的控制系统,分析其工作的基本原理进行分析与比较。

  1 节流控制系统

  简单的节流控制系统目前只在小型小型挖掘机上比较常见,它是中位开式液压系统,采用三位六通阀,该阀有两条供油路,一条是直通供油路,另一条是并联供油路。这种油路的调速特性易受负荷压力和油泵流量的影响,所以其操纵性能、调速性能和微调性能差,当系统中有执行元件同时复合动作时,相互之间有干扰,使得操纵较难控制。而调速性能和复合动作性能对小型挖掘机来说是很重要的,所以这也是节流系统的一大缺点。但是节流系统结构简单,工作可靠,控制方便,制造成本低,目前只用在经济性要求不高的小型小型挖掘机上,在中、大型小型挖掘机上已基本不常见。
液压小型挖掘机液压控制系统的研究
  2  负流量控制系统

  负流量控制系统是一种采用了变量泵驱动的阀控系统,由日本小松公司在 20 世纪80 年代初期首先推出,因先导压力与泵排量成反比关系,故被称为负流量控制系统。

  其基本的原理如下:主泵调节机构的控制压力为节流阀的阀前压力,因此变量泵的排量由节流阀的阀前压力调定。

  在这种系统中,从主阀回油箱的浪费的流量得到了有效的控制  ,从而大大降低了液压系统的能耗,目前已被国内外的一些大型企业的小型挖掘机生厂商所采用,像三一,卡特等型号的小型挖掘机就采用了负流量控制系统。

  其工作的基本情况是:当驾驶员加大手柄偏角时先导阀的先导压力会使主阀芯移动,这时流向主阀芯的流量会增大,执行元件的运动速度会加快,这时通向油箱的流量就会减小,就会导致节流阀的阀前压力降低,主泵的排量就会在调节机构弹簧力的作用下变大,反之就会降低泵的排量。所以,主泵的排量会随着驾驶员手柄的变化而调整大小,这也就保证了执行元件所需流量和泵的排量之间的动态平衡。负流量系统使流量和功率的损失大大的降低,但由于仍旧有压力降,故还有一部分压力损失,但是流量损失得到了很好地控制。
液压小型挖掘机液压控制系统的研究
  由于负流压力主泵排量的调节,可以认为负流量控制成为一个闭环控制系统,系统处在一个平衡的状态。存在的一个缺点就是调速性能受外界的影响大,系统流量的匹配精度低,时间响应较长,其主要原因就在于中间经过的环节过多,引起了比较严重的响应滞后,进而降低了系统的匹配精度,其控制的准确性和实时性还有待提高。 世界上的很多品牌的小型挖掘机生产商都推出了类似的系统,如日立建机在早期推出的EX 系列小型挖掘机,如 EX200、卡特彼勒的 CAT300 系列等,都是负流量控制技术应用比较成功的范例。

  3  正流量控制系统

  正流量控制于 20 世纪七八十年代开始应用于小型挖掘机上。其基本的工作原理是:正流量系统直接利用了操纵手柄的先导压力来控制主泵油液的排量,主泵的排量随先导控制力的增大而增加,故称为正流量控制系统。它是在负流量控制的基础上改变了反馈压力的选取点而构成的。操纵手柄的先导压力同时并联控制主泵的摆角和主阀芯的位移,先导压力的变化同时直接控制了主阀芯的变化和液压泵的摆角的大小,克服了负流量控制系统中存在的中间环节过多和响应时间过长的问题。 该系统采用了常见的三位流通阀组,中位卸荷。其控制压力是由梭阀检测出的,梭阀检测出各个输出油口的最高压力,把它输出到液压泵的变量调节机构,然后控制主泵的排量。
液压小型挖掘机液压控制系统的研究
  其工作的基本情况是:当驾驶员操纵手柄处于中位时,执行元件不工作,主泵的调节机构内没有先导压力,这时变量泵的摆角最小,输出的流量也最小。当操纵手柄转过一定的角度时,首先会在先导油路中建立起一个与手柄偏转角成正比的先导压力,该压力会同时调整主泵的排量和换向阀的位移。主泵输出的流量和执行元件所需的流量基本相等,减少了系统的能量损失,而且理论上还可以实现执行元件所需流量和主泵流量的实时响应,克服了负流量系统响应慢的缺点。正流量控制调速,不需旁通回油流量,油泵变排量控制无能量损失,不但功率损失小,而且响应快速,匹配精度高。

  由于正流量控制需要一系列的梭阀,使得结构较为复杂,给系统的控制带来了较大的难度,曾一度影响了正流量系统的应用和推广。并且流量在一定程度上还受到负载的影响,尤其是随发动机转速变化时,系统的调速稳定性还无法得到保证,这也是正流量系统的主要缺陷所在。因正流量系统中泵的排量取决于各先导压力中的最高值,难以保证各机构的协调动作,但随着控制技术的发展,尤其是电子和液压技术相结合,使得正流量本身的有点日益被显现出来,越来越多的小型挖掘机生产商开始青睐这种技术,得到了越来越广泛的应用,目前还有国外的一些公司还在对其进行研究,已达到更好的控制效果。


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