混凝土泵車變量泵恒功率控制調試方法研究及應用

徐道雷，施慶永，蔣賀

（徐州徐工施維英機械有限公司，江蘇 徐州 221004）

0 前言

液壓泵將機械能（轉速和牛圈扭矩）轉化為液壓能（流量和壓力）。柱塞液壓泵因其結構緊湊、工作壓力高、易于變量控制和流量范圍大等優勢，在混凝土泵車液壓系統中廣泛使用。混凝土泵車開式液壓系統多采用斜盤式軸向變量泵。該變量泵具有壓力切斷、恒功率控制和電比例排量三種控制方式，其中恒功率控制優先級僅次于壓力切斷控制。恒功率控制調定不好，直接導致混凝土泵車泵送功率不足，易堵管，也可能導致整機功率匹配不佳，影響整機可靠性和使用經濟性。

1 斜盤式軸向柱塞變量泵工作原理簡述

某品牌斜盤式軸向柱塞變量泵原理如圖 1 所示，主要有以下部分組成：以電比例排量控制閥 1 為主，結合先導彈簧 4、先導柱塞 5 的電比例排量控制單元；以恒功率控制閥 11 為主，結合功率彈簧 2、功率設定柱塞3 的恒功率控制單元；以壓力切斷變量控制閥 10 為主的壓力切斷控制單元。三種控制單元可單獨控制，也可組合控制。主油泵 7 工作，液壓油從油箱中被吸入，進入液壓管路，帶有壓力的液壓油流經管路和控制閥（恒功率控制閥和電比例排量控制閥），作用在變量柱塞油缸 9 上，根據兩個控制閥的相位變化，變量柱塞油缸柱塞左右移動。變量柱塞油缸 9 與主油泵 7 由反饋桿 8 相連接，左右移動的柱塞，使反饋桿 8 順、逆時針旋轉，最終控制主油泵 7 的排量。使其適應不同的場合和工況。溢流閥 6 和減壓閥 12 為整個系統提供溢流和減壓保護。通過以上三種基本控制單元的組合，可以得到具有復雜輸出特性的組合控制[1-3]。

2 恒功率控制工作原理

液壓功率 P 為負載壓力 p 與輸出流量 q 的乘積，即 P = p q[4]。恒功率控制的目的是為了使發動機在變量泵的不同工況下都能工作在恒功率狀態，達到在恒定的驅動轉速下不超過預定的驅動功率，也就是 p 與 q 的乘積近似為定值，即液壓泵的輸出功率近似為恒定的，恒功率控制的壓力—流量曲線近似為雙曲線（如圖 2b 輸出特性虛線所示）。恒功率控制就是讓變量泵根據負載壓力的變化情況調整其輸出流量，使變量泵的輸出功率接近于負載所需要的功率，實現動力源和負載之間的功率適應和匹配，得到最佳的功率利用，從而達到節能目的。

圖 1 變量泵原理圖

圖 2 恒功率控制

圖 2a) 中所示為恒功率控制原理，工作壓力在活塞上施加一個力，控制活塞推動搖臂，一個可從外部調整的彈簧力作用在搖臂的另一側以確定功率設定值。如果工作壓力超過設定的彈簧力，則控制閥被搖臂操作，使泵超領輸出擺動，減小搖臂的有效力矩，從而使工作壓力以輸出流量減少的相同比率提高。液壓油路流向（加粗實線）如下：當負載壓力 p 增大時，液壓泵的壓力油通過單向閥進入功率設定柱塞腔，克服功率彈簧的彈簧力使恒功率變量控制閥閥芯向右移動，恒功率變量控制閥左位工作，連接至恒功率變量控制閥的壓力油進入變量柱塞油缸左大腔，因為變量柱塞油缸大小腔直徑不同，產在一個面積差，從而產生壓力差推動變量柱塞油缸活塞向右移動，變量柱塞油缸活塞帶動反饋桿順時針旋轉，使主油泵排量向小變化，同時變量柱塞油缸活塞帶動閥套右移，當到達中位時，關閉變量柱塞油缸大腔進油通道，調節完成；當負載減小壓力 p 時，調節動作過程與之相反。

控制閥閥芯位置是通過系統壓力與雙彈簧彈力的平衡決定的，這樣就可以利用雙彈簧的剛度特性用折線近似雙曲線。圖 2b) 中實線所示為雙彈簧作用下的控制線，兩段直線連接與恒功率理論曲線接近，故此種結構控制曲線也稱近似恒功率曲線[5]。圖 2b) 中 A 點是隨出口壓力升高流量自動減少的拐點，一般稱之為變量泵恒功率起調壓力點。A 點的壓力值稱之為恒功率起調壓力。

恒功率控制方式的標定一般通過恒功率起調壓力的調節來實現。斜盤式軸向柱塞變量泵恒功率起調壓力一般為 12～20MPa，以滿足主機廠對功率匹配的不同需求。恒功率起調壓力最常見的調定方式為試驗臺測試調定。一般在液壓泵生產廠家出廠前完成恒功率起調壓力的調定。該方法簡單經濟、準確性高。但實際上，受整機功率分配、整機傳動系統效率等因素影響，生產廠家標定恒功率起調壓力供貨的方式，往往無法滿足混凝土泵車生產廠對整機液壓泵功率控制和匹配的需求。因此，主機廠必須研究一種可以在整機上標定液壓泵恒功率起調壓力的方法，從而實現整機功率匹配驗證、恒功率性能整機調試驗證標定，保證整機動力性和使用經濟性（節能）。

3 恒功率起調壓力整機調試方法

根據混凝土泵車整機調試工況，采用自來水模擬混凝土充當負載介質，結合恒功率控制原理，當變量泵以最大排量工作時，通過設置合理的泵送出口節流工裝（圖 3），實現壓力控制，一般應確保此系統壓力高于變量泵恒功率起調壓力范圍上限值，不超過系統主溢流壓力。采集系統壓力值 P 和流量 Q，采集整機最大流量Qmax進行計算，得到變量泵恒功率起調壓力 P’，計算公式為：

實際中，在整機上采集系統實際流量較為困難，因泵送油缸容積固定，一般可通過整機系統泵送次數 N代換。

圖 3 節流工裝示意圖

混凝土泵車整機調試時，為滿足整機功率匹配，保證泵送作業時不出現發動機“掉油門”現象，恒功率起調壓力測試過程，發動機轉速波動應維持在 50rpm內。

以某型混凝土泵車為例，該車配置力士樂雙A11VLO190LRDU2 柱塞泵，泵送出口節流工裝孔徑為φ19，最大排量空載最大次數為 22.5 次/分鐘，最大排量下系統壓力為 25MPa，該系統壓力下，泵送次數為14.5 次/分鐘。

恒功率起調壓力：P’=25×14.5/22.5=16.1(MPa)

為保證恒功率起調壓力在整機調試環節的一致性，采用自主開發的整機自動測試臺進行數據采集驗證。如圖 4 所示。

圖 4 起調壓力采集和驗證

4 結束語

本文對斜盤式軸向柱塞變量泵的恒功率控制原理進行了闡述，并結合混凝土泵車整機調試工況，探索驗證恒功率起調壓力的方法，并在自主開發的整機自動調試臺上實際應用，為柱塞變量泵的恒功率控制功能的整機標定研究與應用提供參考。