工程機械液壓系統設計與優化分析

馬兵

（中鐵西南科學研究院有限公司，四川 成都 611731）

我國對重工業的發展異常重視，在液壓系統的運行中，最關鍵的步驟是利用液壓系統來保持正常運行所需的工作壓力。這正如大卡車在上坡過程中，引擎引力與摩擦力促使其向前移動，但維持這種動力保持卡車不會向下滑坡，就要平穩地控制剎車及油路壓力。保障工程機械保持穩定運行的正是液壓系統的平穩工作壓力。如液壓硫化機的壓力要在硫化周期的全過程保持穩定，才能有效對子午線輪胎硫化保證質量，避免輪胎產生氣泡、缺膠或邊緣厚度大等問題。通常液壓系統的設計是指應用液壓泵卸載回路及多相液壓泵等系統來保持正常穩定的工程機械運行壓力。但是，在實際液壓系統的運行中，液壓系統回路的保壓效果好壞與篩選保壓器件有著必然的聯系。所以，在實際的液壓系統的運行維護中，應合理挑選保壓器件，并總結其維持壓力的實際效果，來合理促進液壓系統回路的保壓成效。

1 工程機械液壓系統概述

液壓系統在實際的工程機械裝置運行中發揮著重要的作用，在某些液壓系統的運行環節中，要維持相應的工作壓力才可保持正常運轉。例如，子午線液壓輪胎硫化機的運動部件的主要動力來自液壓系統，液壓系統也是組成液壓輪胎硫化機的關鍵部分，液壓系統的安全性、穩定性、控制精確度、施壓保壓能力等可全面影響硫化機的整體性能。在設計工程機械設備中液壓裝置的保壓性能時，常用的設計方案是采用泵卸荷回路及多缸系統組成的缸保壓回路，以完成對工程機械設備的保壓運行。利用分析工程機械設備可以看出，液壓系統中回路的保壓效果是由保壓元件的質量直接決定的，若保壓元件具有良好的質量，回路保壓性能也隨之提升效果。所以，通過對液壓系統的維護及設計工作經驗，可以得出，單向閥、液控單向閥及蓄能器這幾種保壓器件具有良好的保壓效果，工程機械中液壓系統中可起到促進運行的作用。液壓系統的功率包括流量及壓力值，液壓閥可分配液壓站的輸出能量并進行合理的調整，實現液壓站電機的輸出能量由機械能轉變為液壓能，可為液壓系統提供能量來源，液壓油缸促進液壓能轉變為機械能，利用液壓泵驅動電機的轉速調整，來合理控制工程機械的動力、節能及效率等性能。

液壓系統在工作過程中，壓力值通過負載來決定，系統響應對外負荷的能力也會在一定程度上干擾液壓系統的流量。例如，液壓輪胎硫化機在進行輪胎硫化時，在硫化技術最優的前提下，需要開合模及加壓缸的運動及加壓，中心機構上/下回路運行、裝/卸胎機械手起落運動、活絡模系統驅動運動等的共同協作。其中開合模等在運動時，有著變化的速度和加速度，要在壓力及流量的控制范圍內快速、有效地進行轉換。這也造成了大功率的工程機械，在持續運行過程中，作業負荷逐步提升，這時液壓控制系統會按照液壓輪胎硫化機的所有動作順序，提供可滿足相應需求的壓力及能量，確保每個動作都可達成在傳動及控制系統中進行大規模的調速，用以實現整個系統的穩定運行。

2 工程機械液壓系統的設計與優化

如今我國提出節能減排的政策要求，工業液壓也隨之朝著節能減排的方向升級。而變頻油泵及電液伺服等系統可提供節能效果，已更多地被銅擠壓、鋁擠壓、塑膠、紡織、化工等各類機械行業所應用。變頻器一般在開環控制環境中工作，而伺服則是閉環的控制系統。變頻其實是伺服的一部分，伺服是基于變頻開展的閉環精確控制來實現更加完美的運行效果。我國多數將變頻用在空調的控制上，有效地節約了成本，而要實現最佳的節能效果及響應效果，則會更多地選擇伺服控制。

2.1 液壓泵流量控制的設計與優化

液壓系統具備三大組成元件，即執行、控制及動力元件，其作用是控制整機。液壓泵是利用控制液壓泵流量，來達到控制排量的目的。二次調節能量后，液壓泵完成并聯不同的液壓回路，計算出絕對值并顯示數值，通過這些可以發現，因液壓產生了波動范圍較大的壓力變化，通過控制流量來更改液壓泵排量，實現對液壓泵速度的調節控制。控制流量可分為泵控及閥控兩種控制方法。泵控是對液壓泵開展斜盤及傾角的調整，促進系統元件的運行。閥控是利用并聯回路的變化，達到控制系統流量的目標，流量余量會經控制閥返回油箱，合理降低無功流量，使液壓閥有效地改變開度，閥芯利用電磁鐵的推行開始移動，能夠將液壓閥中電磁鐵的響應頻率提升至大約20Hz。這時，通過調速形式的優勢互補得到良好的流量控制方法。通過操作信號來控制執行裝置的速度，運用液壓系統的成本控制及響應效率共同維護的形式，在流量負載的敏感控制方面達到最佳效果。

關于正流量的控制方面，液壓泵及液壓閥在開度方面的操作性控制，可提升液壓系統響應的效率。而主閥壓力則與操作信號以及外負載等均有聯系。在沒有良好的快速響應性時，工程機械會利用泵控系統實現經濟性能的提升。而對響應速度沒有過高要求的工程機械，如小型的挖掘機等，可通過單純的閥控裝置贏得更高的響應速度。伺服油泵能于低速狀態啟動，也可以在電液伺服系統中適應速度高低、壓力大小、正轉反轉、快速切換等不同的工況，電液伺服泵更改了我國長久以來伺服液壓系統產品依賴日本、德國生產的現狀，全面改善了我國液壓行業的環保節能性能。HES 電液伺服節能系統具有電液伺服驅動器、高性能專用伺服泵、三相交流永磁同步電機、壓力傳感器等組成部分。運用矢量+弱磁+專用PID 等控制算法，可在工作全過程中準確控制所需的壓力和流量，避免高壓節流產生的能源損耗，實現節約電能的效果，并降低系統內的油溫，最高可實現65%的節能率，平均可達30%以上的節能率。優化的機械液壓系統，通過控制流量的方式，利用液壓閥開度和流量的合理控制，改善液壓系統的運轉效率，泵控提升系統的經濟性，而閥控解決系統的效率問題。在精準性方面，可提升工業電子泵設備在運行過程中通過電子閉環控制，來實現工程機械液壓泵控制流量的更精準的要求。

2.2 液壓系統回路的完善設計

（1）優化裝煤器具回路。液壓系統自身的裝煤器具回路的主要組成部分為電磁波I 型控制元件的搓蓋運轉。搓蓋油缸的兩腔在此回路中運用電磁換向來控制閥門的I 型控制元件來實現封閉。但是，液壓系統會因調整變向控制的閥門結構而在運行中產生較大的誤差，控制閥門間存在較大縫隙，導致液壓系統達不到良好的運行效果。因此，這種相對簡單的設計液壓系統回路的方式并不科學，只可用于短時間封閉或者對封閉沒有嚴格要求的情形。這時，雙向液控單向閥在鎖緊回路添加三相機能電磁的換向閥回路可以作為更好的以錐面為結構的雙向液控單向閥閥芯的密封面，其密封性能及鎖閉效果均較好。所以，在工程、起重運輸等機械中對鎖緊有更高要求的使用情景中，此類鎖緊回路具有更普遍的應用。

（2）改善推焦車的提門回路。從液壓系統回路的設計可以發現，液壓系統在結束一次運行時，要通過電磁鐵來充電。但是，接通電磁鐵電源以后，通過單向壓力調節閥、三相電磁波變向控制閥門流通至機油回路系統，來有效提升液壓系統回路的運行效率，防止提門液壓泵的壓力超標。為避免高壓油的錯漏，在電磁鐵進行通電時，要提升電磁鐵的電子運動，來減少液壓系統的運行損耗，達到（2+3）次提門，促進提門油缸運行將由三相機能電磁換向閥1、2 共同供油。為了有效控制提門動作，在（2+3）次提門運行中，在一次提門減壓閥3 后添加單向液壓鎖8。這樣當（2+3）次提門動作時，Y4b 電磁鐵進行通電后，液壓系統被單向液壓控制閥門制約，極易產生機械故障，造成回路利用電磁波變向閥門2、液壓控制閥門、單向回路閥門等使電流進入液壓泵。

3 液壓系統回路設計試驗

現階段，液壓設備系統在實踐操作的整個過程內，不可避免地會造成各種安全隱患或事故。因此，以液壓系統開展回路試驗，確保其安全運行，保證蓄能器正常使用，明確其相關事項及關鍵點，以確保系統故障得到正確診斷，優化系統運行的多重安全保護設計，提升試驗水平。

3.1 液壓系統蓄能器使用的相關事項

蓄能器包括重錘、彈簧及氣體加載等三種類型。重錘式蓄能器通過變化重錘位置來實現能量的存儲及釋放。重錘是利用柱塞在液壓油上作用而產生壓力。重錘式蓄能器具有結構簡單、壓力穩定的優點，但其容量小、壓力低、體積大、笨重、慣性強、反應遲緩，所以常被用在大規模固定裝置的液壓系統中。彈簧式蓄能器利用彈簧來實現能量的存儲及釋放。彈簧憑借活塞將壓力施加在液壓系統的元件上，油液系統壓力是由彈簧反彈力及活塞受力面積來決定。此種蓄能器具有結構簡單、反應靈敏、儲存量小等特點，不建議用于高壓或高循環頻率的工作場景。氣體加載式蓄能器通過密封氣體的壓縮和膨脹實現能量的存儲及釋放。氣體通常選擇惰性氣體及氮氣，常見的有活塞、氣囊兩種類型。而氣囊式蓄能器的選擇要按相應的規格制定，也可按照其相應的計算公式，在此不過多贅述，在應用中可按實際數據進行計算獲得結果。

3.2 液壓系統蓄能器安裝的關鍵點

蓄能器是儲蓄能量的裝置，在液壓系統中起到不可替代的重要作用，為保障液壓系統的安全穩定運行，要科學選取蓄能器的型號并合理安裝。（1）在安裝蓄能器的時要正確擺放油口的方向（應為向下），安裝方式是垂直安裝。（2）安裝蓄能器的過程中應重視位置的擺放，以接近振動源頭為佳，用來吸收并緩和脈動沖擊，降低振動帶來的損失。（3）安裝蓄能器時，要遠離系統中的散熱位置。

3.3 液壓系統故障診斷及優化

液壓系統通常具有較為復雜的內部結構，一般是指機械電子設備運用的集成化運行設施。因此，液壓系統在運行過程中具備多種煩瑣的故障因素。工程機械液壓系統的維修和檢測不同于電氣電子系統，液壓系統的回路管道中機油及潤滑油無法正常流動、液壓系統元件密封不嚴等情況，導致的機械故障通常無法通過人體感觀來判斷，這造成了液壓系統在維修、保養及改善等方面的工作難度，然而，在液壓系統發生一般性的問題時，應先確定此液壓系統的全面工作運行機理、元件及內部※結構等，再通過故障的外在表現開展合理的分析和深入的研究，來明確系統故障的起因，即常見的“液壓系統故障分析方法”。此方法在應用時對維修人員的專業水平要求很高，特別對于表面沒有體現出問題因素的故障，需要維修工作人員利用自身的豐富經驗來解決。通常可見的液壓系統故障分為3 種：（1）液壓系統的溢流控制閥門故障，由于機械齒輪的磨損造成液壓系統發生機油返流，致使液壓系統失壓；（2）液壓系統的壓力控制閥門故障，如果這種故障問題發生，可能會導致液壓系統失去保壓性能，導致液壓系統中的電磁壓力控制閥門發生卡頓情況；（3）液壓系統中回路系統產生油滲漏，導致液壓系統維持壓力的性能急速下滑，通常采用截堵法來分析具體的故障位置。

4 結語

在液壓裝置的日常運轉中，液壓系統中回路保壓的效果好壞及保壓器件的篩選有著相應的聯系。液壓系統具備三大組成元件，即執行、控制及動力元件，其作用是控制整機。液壓系統目前已演變為工程機械的支柱系統。液壓系統具備很多優點，包括體積小、易安裝、可控制、響應快等。然而，液壓系統也存在明顯的不足之處，主要是性能不穩定、耗能多等。我國現階段的工程機械發展處于被動局面，應從市場、生產、開發及科技等多方面入手加以改善。利用工程機械液壓系統開展不間斷的探究及論證，持續完善設計思路，來優化改進策略，用以提升工程機械的安全穩定運行。現階段，液壓技術的迅速發展及在工程機械等領域的普遍應用，也隨之為機械行業提升了廣闊的發展空間。所以，液壓系統控制工程機械具有無數的原理，需要研究者堅持不懈地進行研究討論，通過探索和改進，以得到最適合的控制原理及方式。