工程機械液壓系統改進探析

李健

（中國鐵建國際集團，北京 100855）

工程機械液壓系統改進探析

李健

（中國鐵建國際集團，北京 100855）

工程機械由于作業條件艱苦、施工難度大等特點，其液壓系統容易出現很多問題，同時維修難度高造成較大的成本支出。本文在工程機械液壓系統分析的基礎上，針對現實中經常出現的液壓系統故障，提出了三個方面的改進措施。

工程機械；液壓控制；改進

液壓系統是大型工程機械中最重要的組成部分之一，由于工程機械大多在野外使用，一旦液壓系統出現問題，維修難度很高，同時延誤工期將帶來巨大的經濟損失。有基于此，通過對工程機械液壓系統的改進，能夠提高工程機械的環境適應性和可靠性，具有重大的現實意義。

1 工程機械液壓系統技術分析

工程機械液壓系統在進行作業過程中，需要利用液壓泵將發動機輸出的機械能轉化為液壓能。在這一過程中，液壓閥負責分配和調節液壓泵的輸出功率，同時系統輸出的壓力和流量的參數也受到液壓閥的控制。將機械能轉化為液壓能只是液壓系統工作的第一步，而后通過液壓馬達和液壓油缸將液壓能轉換為機械能，驅動機械運轉完成作業動作。工程機械液壓控制系統需要通過調節液壓泵排量、發動機的轉速以及控制閥的開度來實現動力、節能和效率的改進。

1.1 液壓系統功率控制分析

液壓功率P0=pq/60，液壓系統的壓力大小由負載的大小決定，由此看來，壓力不在液壓系統控制的范圍之內，真正對液壓系統功率有影響的參數是流量。在此分別從液壓閥和液壓泵的流量兩個方面進行探討。液壓泵流量公式為q0=V×n，由此看來可以通以下兩種方法來進行調節：首先通過液壓泵的轉速進行調節，稱之為變頻調速方式；其次，可以通過排量的調節完成，稱之為容積調速控制。在現實使用中，發動機轉速要求相對平穩，故而有效的調節手段是對流量的控制，液壓泵輸出的流量通過液壓閥的二次調節實現更為精確的控制。

1.2 液壓系統流量控制分析

想要實現閥控調速對于流量的控制，需要降低并聯回路中的相對液阻，這其中大部分的流量能量浪費在對外做功中。在工程機械液壓系統中，液壓閥電磁鐵的響應頻率較低，主要集中在10Hz左右，但是高速電磁鐵能達到20Hz響應頻率，將高頻控制和低頻控制相結合，通過優化設計，使用液壓泵和比例閥共同對流量進行控制。在進行液壓控制時，首次排量通過變量泵實現，然后比例閥自動進行二次調節。目前應用最廣泛的控制方式有負流量控制方式、負載敏感控制和正流量控制方式，如圖1、圖2所示。

圖1 負流量控制系統原理圖

圖2 正流量控制系統原理圖

在負流量控制過程中，變量泵的排量通過主閥中位的流量泵實現，兩者的安裝方向相反；而在正流量控制中，液壓泵和液壓閥由同一個信號進行控制，能夠有效提高響應速度。

2 工程機械液壓系統常見故障分析

（1）液壓系統動力不足。產生這一問題的主要原因有以下幾個方面：①溢流回路或者壓力回路短接。②發生嚴重泄漏。③液壓油沒有進入液壓系統。④液壓泵輸出功率不足。針對于這一問題，下面進行具體的分析：首先，應該對液壓泵的輸油功能進行檢測，可能的原因有零件磨損，液面過低，吸油阻力過大等；其次，應該檢查回油管，查明有無漏油缺口，可能的原因有調定壓力過低，溢流閥被卡死或者因臟物侵入導致不能工作，阻尼孔堵塞等。

（2）液壓系統噪聲過大或者振動。振動和噪聲通常是同時出現的，產生這類問題的主要原因在于：液壓油中混入空氣，輸油量波動劇烈，液壓元件與液壓系統產生共振，管線過長及固定不牢等。

（3）液壓系統執行元件出現爬行現象。爬行現象工程機械液壓系統經常出現的一種故障，主要發生在低速運行過程中。導致爬行現象的主要原因有以下幾類：液壓泵和閥門等部件磨損嚴重、液壓油被污染、液壓缸內阻力超出、空氣侵入液壓缸內等。

3 液壓系統改進研究

（1）液壓系統保壓設計與改進。工程機械液壓系統在保壓設計方面采取的常規設計通過使用多缸系統和泵卸荷回路來保證壓力輸出。這種設計在實際應用中發現，其保壓效果的好壞與保壓元件的性能有較大關系。本文研究了蓄能器、單向閥和液控單向閥三種常用的保壓元件的保壓效果。

實驗方案簡述如下：構建一個由油泵、電磁換向閥、液壓缸和溢流閥等組成的基本液壓回路，分別將上述保壓元件加入其中，測試液壓系統在10MPa條件下的壓力變化，通過保壓時間和壓力降幅來評價保壓元件的效果。

實驗結果分析如下：①單向閥通過截止的原理實現保壓效果，保壓時間較短，2min后壓力開始下降，其保壓性能可靠性較差，如圖3所示。②液控單向閥的保壓效果有一定提升，10min內壓力變化在0.1MPa之內，表明其反向密封效果較好。③效果最好的蓄能器在24h之內保壓效果很好，壓力下降保持在0.1MPa之內，如圖4所示。

圖3 單向閥或者液控單向閥液壓回路

圖4 蓄能器液壓回路

比較可知，蓄能器的保壓效果最好。結合具體使用情況，分析可知，雖然液控單向閥具有較好的保壓效果，但結構設計不合理，在使用過程中容器磨損錐閥或者污油侵入，導致液壓油的泄漏，最終導致保壓性能降低。在使用蓄能器的液壓系統中，保壓效果普遍較好，即使在發動機熄火的情況下，仍可以保證工作裝置安全放下。因此在此推薦蓄能器作為工程機械液壓系統的保壓元件。

（2）蓄能器改進蓄能器主要有氣囊式、活塞式、隔膜式、重錘式、彈簧式等幾種結構形式。氣囊式最高工作壓力可達200MPa；活塞式最高工作壓力可達21MPa；隔膜式主要應用用于航空機械；重錘式常用于大型固定設備，最高工作壓力可達45MPa；彈簧式用于小容量及小于1.2MPa的低壓系統。其中，氣囊式蓄能器由氣囊將氣腔與油腔分開，不會產生油氣混合，而且膠囊慣性小，反應靈敏，易維護，因此被廣泛使用。

實際應用中由于充氣壓力不當、工作壓力過高、工作壓力過低或相鄰液壓元件泄漏均可能引發蓄能器出現故障。為了減少液壓元件泄漏，除了采用傳統的密封圈方式外，還可以采用先進的密封膠方式，如將SL8081液態墊涂布于結合面，它會在高溫下逐漸生成不溶的無機高分子聚合物，不但具有耐壓力高、涂布工藝性好、無毒、不燃的優點而且拆卸方便。

（3）節能改進。工程機械液壓系統由于工作條件惡劣，載荷變化大，通常會造成較大的能量損失。其損失主要包括以下幾點：①發動機與油泵功率匹配不合理而造成的能量損失。②液壓油流經控制閥中位時的空負荷回油流量壓力損失。③超載時的溢流損失。④液壓油流經管路的壓力損失。要使工程機械液壓系統減少能量損失，首先應從發動機與油泵的功率匹配著手，盡量減少流量損失。

目 前國內外對于工程機械液壓系統進行節能改進采用的主要手段有：①流量控制。通過流量控制進行節能改造，主要的設計思路是盡力控制設計主控多路閥門位于中位，在這種情況下油泵的輸出流量可以達到最小，能夠有效的避免多余流量輸出造成的能源浪費。②負荷傳感控制技術。由于負荷傳感控制技術具有以下技術優勢，控制能力不受負荷壓力和油泵輸出流量的影響，在液壓系統的節能控制方面應用較多。其中主要控制壓力補償器到負荷傳感作用的閥門設計位置如下：操縱閥門與油泵之間；執行器與操縱閥門之間；回油路和執行器之間。雖然閥門位置有所不同導致的控制精度略有差距，但是均能有效的實現按需分配流量以達到節能的目的。

4 結語

工程機械的考核指標主要包括作業效率、可靠性、能耗和使用壽命等方面，液壓系統作為其中重要的組成部分，一旦出現問題會帶來嚴重的后果。在分析實際生產中工程機械液壓系統常見故障的基礎上，針對液壓系統保壓設計、蓄能器改進和節能方面的優化設計三個方面，進行了探討并提出改進意見。

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TH137

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1671-0711（2016）11（下）-0043-02