關于裝載機常見液壓系統分類及性能分析

張海波

摘 要： 裝載機作為一種土石方作業的非路面機械車輛， 普遍應用于各類型的建筑施工中， 隨著近年來基礎設施建設增速放緩， 裝載機的銷量增速有所放緩甚至出現下降的趨勢， 這勢必帶來裝載機市場競爭的加劇， 所以改善液壓系統的性能以提高燃油經濟性并優化工作時鏟斗和動臂的操縱性將是提高產品競爭力的一種有效方式。本文介紹了幾種常用于的裝載機的液壓系統，分析各自的性能并著重介紹負載敏感系統的工作原理。

關鍵詞：工程機械 ；液壓系統 ；負載敏感；裝載機；性能分析

裝載機主要用于鏟裝土壤、砂石、石灰等散狀物料，也可對礦石、硬土等作輕度鏟挖作業。換裝不同的輔助工作裝置還可進行推土、起重和其他物料如木材的裝卸作業。在道路、特別是在高等級公路施工中，裝載機用于路基工程的填挖、瀝青混合料和水泥混凝土料場的集料與裝料等作業。此外還可進行推運土壤、刮平地面和牽引其他機械等作業。由于裝載機具有作業速度快、效率高、機動性好、操作輕便等優點，因此它成為工程建設中土石方施工的主要機種之一。裝載機的動力來源于內燃機（一般為柴油機）， 柴油機消耗燃油將動力轉化為液壓泵輸出流量和壓力， 通過換向閥操縱斗桿及動臂油缸來完成裝載機的裝載， 卸載工作， 其中柴油機和液壓元件經過幾十年的發展， 國內外制造商已經將其等油耗及效率指標提升到較高的水平， 所以從原件的角度可挖掘的節能和優化操縱的潛力已經不大了， 但不同液壓元件的匹配可以得到不同的系統性能， 不同的系統之間的能耗和操縱性能差別巨大， 通過選擇適當的液壓系統將非常有助于改善燃油經濟性和操縱性能。

目前市場上常見的裝載機液壓系統主要有基于齒輪泵，中位開芯多路閥的定量系統， 以及基于變量柱塞泵， 以下逐一分析這兩大類系統的原理及性能：

1定量系統原理性能分析

定量系統主要由定量泵（一般為齒輪泵居多）， 中位開芯多路閥及執行機構組成，該系統中立位不工作時處于低壓大流量待機狀態， 此時的液壓系統并不做有用功， 功率損耗等于此時的系統流量與壓力損失的乘積。 工作中， 由于系統壓力由溢流閥調定， 為了達到調整執行機構運行速度的目的， 系統工作在節流調速工況下， 多余的流量通過溢流閥高壓溢流，造成大量的功率損耗， 進行作業時， 用戶需要控制動臂及鏟斗的運行速度以滿足作業需要， 此時該定量系統運行在節流調速的工況下， 由于節流調速的剛度差， 即使閥口開度相同的情況下， 由于負載的波動也會引起閥口前后壓差ΔP的變化， 從而導致流經閥口的流量Q不穩定， 反映到裝載機的操作中， 則體現出不同負載的情況下， 操縱控制閥在相同行程時， 動臂及鏟斗的運行速度不同， 負載越大， 調速范圍就越窄， 雖然定量系統具有以上的缺點， 但由于其系統簡單， 成本低廉， 目前仍然被廣泛使用。 有些機型在此基礎上做了一些調整， 例如在液壓轉向系統中加入優先分流閥， 使轉向不工作時轉向泵的流量與工作泵合流，這樣可以減小工作泵的排量， 達到節約成本， 降低功耗的目的， 另外還有一些系統使用雙泵合流， 高低壓切換的系統， 實現高壓時單泵工作低速運行， 低壓時雙泵合流高速運行， 也是為了實現節能的目的。

2變量系統原理性能分析

變量系統主要元件為負載敏感控制變量柱塞泵和負載敏感閉芯多路閥， 對比定量系統， 該變量系統具有如下特點： 1）負載敏感變量柱塞泵具有壓力補償器， 當多路閥處于中立位時（不工作待機）， 補償器使柱塞泵處于低壓待機狀態僅輸出少量流量用以補償泄漏， 并沒有全流量通過多路閥產生大量的能量損耗。2）某片閥執行工作時，補償器根據系統的流量需求（多路閥滑閥開度變化）提供可調整的流量從而使工作速度可調。

當系統沒有啟動，也就是發動機沒開動的時候，泵也沒有流量輸出，此時柱塞泵在變量系統的作用下，處于最大排量位置，然后當發動機啟動了，換向閥沒有動作處于中立位時，由于負載敏感多路閥是閉芯閥，中立位是封閉的，液壓油不能向開芯系統那樣通過開芯油路回油，所以液壓油是封閉在這一腔的， 補償器左端壓力會迅速提高，使補償閥處于左邊這位，可以看到，泵的油液通過補償器進入變量系統控制變量，使泵處于最小排量，0排量的位置，這時系統的壓力僅為壓力補償器的調定壓力，一般為20bar，這里只是認為泵是0排量，實際上泵會輸出很小的流量來位置補償器的20bar壓力以及補償泄露及潤滑柱塞泵，這個狀態就是低壓待機狀態。由于泵輸出流量非常小，而且壓力也很低，所以損耗的能量是很小的。當多路閥動作的時候，一開始P2是沒有壓力的，當多路閥打開了一個開口，P1和P2就接通了，而且通過節流口產生了一個壓差，P1-P2，同時P2由LS回路引到柱塞泵的補償器上，與彈簧同時作用在補償閥芯的另外一端，在P2和彈簧力的作用下，補償閥移動到右位進行變量，此時泵輸出的流量就增加了，通過節流口的特性有這樣的一個方程，Q=C*A*P^1/2，就是說流過節流口的流量與節流開口的面積以及節流口前后的壓力差是成正比的，剛才說到柱塞泵輸出的流量增加了，當流量增加到流過這個節流口產生的壓差等于彈簧調定的delta P，在P1的作用下，補償閥移動到左位使變量停止，這里的平衡是一個動態的平衡，閥芯是隨時在動作維持目前的流量，當節流口的開口增大，此時泵的流量還沒來得及增加，從Q=C*A*P來看，節流口前后的的壓力差P1-P2會降低，P2是由負載決定的，所以P1會降低，那么補償閥的平衡則會被打破，在P2和彈簧力的作用下，補償閥又到右位，控制變量系統變量使泵的排量增大，直到流過節流口前后產生的壓力差達到delta P的值。同理在節流口減小時也會使泵的排量變小，從Q=C*A*P^1/2來看，C是一個常數，流量就只跟A和P有關，負載敏感變量系統的原理就是使用壓力補償閥的補償作用來使節流口前后的壓差保持恒定，那么系統輸出的流量就只跟節流口的開口大小有關系了。

負載敏感變量系統不存在開芯定量系統的中位回油及節流調速時高壓溢流造成的功率損失， 其浪費浪費僅為維持壓力補償閥兩端壓差穩定的壓力與流量的乘積，由于此時流量很小，所以功率損失也非常小。此系統同時具有優良的調速性能，， 由于壓力補償器的作用，使滑閥前后一直保持恒定的壓差，與負載大小沒有關系，使得操縱執行機構的過程中，無論載荷及執行元件的運動速度如何變化，操作者操縱手柄的感覺都是相同的。

3液壓系統泄漏的防治

3.1 防止油液污染

液壓泵的吸油口應安裝粗濾器；出油口處應安裝高壓精濾器，且過濾效果應符合系統的工作要求，以防污物堵塞而引起液壓系統故障；液壓油箱隔板上應加裝過濾網，除去回油過濾器未濾去的雜質。液壓缸上應安裝金屬防護圈，以防污物被帶進缸內，液壓元器件安裝前應檢查、清理干凈其內部的鐵屑及雜質；定期檢查液壓油，一旦發現油液變質、沉淀物多、油水分離等現象應立即清洗系統并換油。

3.2 密封表面的粗糙度要適當

液壓系統相對運動副表面的粗糙度過高或出現軸向劃傷時將產生泄漏；粗糙度過低，達到鏡面時密封圈的唇邊會將油膜刮去，使油膜難以形成，密封刃口產生高溫，加劇磨損，所以密封表面的粗糙度不可過高也不能過低。

4 結語

根據本文介紹的工程機械常用的定量，變量系統的對比分析，可以看出變量系統在節能和操縱特性上的優勢是非常明顯的，但由于其元件成本較高，系統后期維護成本也要高于定量系統，目前并未大量應用于國內市場，但在歐美等發達國家和地區，變量系統已經成為主流，我想隨著我國經濟建設的進一步發展，特別是對于節能環保的迫切需求以及用戶對操縱舒適度及工作質量一致性要求的不斷提高，未來變量系統必將成為工程機械市場的主流。

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