装载机液压系统设计

6.0000图文2.1原系统工作原理及节流损失分析2.1.1装载机工作装置动臂部分概述下图为装载机工作装置动臂部分的结构简图。

就目前国内大部分装载机而言，其工作装置的结构几乎一样，只是在多路阀控制上的区别。

动臂液压缸换向阀2用来控制动臂液压缸的运动方向，使动臂能停在某一位置，并可以通过控制换向阀的开度来获得液压缸的不同速度。

动臂液压缸换向阀是四位六通滑阀，它可控制动臂上升、下降、固定和浮动等四个动作。

动臂浮动位置可使装载机在平地堆积作业时，工作装置能随地面情况自由浮动，在铲掘矿石作业时可使铲斗刃避开大块矿石进行铲掘，提高作业效率。

当动臂举升的时候多路换向阀执行图示B位置的机能，液压缸无杆腔进油，有杆腔回油，上升阶段的速度靠控制节流口开度，油液经过节流口有能量损失。

当动臂下降的时候多路换向阀执行图示A位置的机能，液压缸有杆腔进油，无杆腔回油，为了控制铲斗下降的速度，液压油要通过多路阀节流口返回油箱,铲斗和重物靠自身的重力就可下落，而工作泵在这个过程中并不泄荷，仍然不断的给系统供油提供压力和流量，这部分压力能通过节流口转变为热能,严重影响液压系统热平衡。

2.1.2能量损失部位分析装载机的液压系统能量损失主要体现在压力能的损失上，在工作时压力损失主要体现在液压油经过多路换向阀时的压力损失以及当工作油缸工作腔压力达到或超过工作压力时而引起的溢流损失1，溢流阀功率损失是很大的，为了减少溢流损失应该在系统中安装限位阀，当系统运动到快限位时，限位阀配合系统动作，使多路阀回到中位，并且使工作泵卸荷，这样就可以减少通过溢流阀的能量损失。

2，换向阀节流引起的损失：为了控制工作装置的运动速度，换向阀要对油液进行节流控制，装载机工作装置液压控制系统所用的多路换向阀实际上就是比例方向阀，能对进口和出口同时进行节流控制。

换向阀的节流使油液流经换向阀时造成能量损失，引起发热，使系统效率降低，严重时会造成阀不能正常工作。

尤其是当动臂下降时，是靠自重下降的，动臂下降很快，为了控制速度稳定，多路换向阀通过节流产生很大背压，来保持下降速度稳定。

动臂从顶端限位到换向阀开始换向，动臂处于下降状态，压力急剧下降，动臂油缸下腔的压力趋于稳定状态，但是为了保证下降的稳定，油缸下腔要通过多路换向阀节流产生背压，从下图可以看出，空载下降的背压为3.2aMP，满载下降的背压达到8aMP左右，显然背压很大，会造成很大背压损失，由功率损失公式：从上面式子可以看出，为了减少背压产生的能量损失，要尽量减少通过多路换向阀的流量控制好换向阀节流不但减少换向阀本身消耗的能量损失，而且也可以减少管路上单向阀的压损失。

从而能减少工作装置工作过程消耗的能量。

所以在保持系统稳定情况下，减小换向阀的节流是犹为重要的问题。

2.2改进系统工作原理及能量损失分析阀的结构设计上，这方面的工作已趋于完善。

因此，进一步的研究工作要扩展到换向阀结构以外的范围。

手动先导比例减压阀液控换向阀：如图2.8为装载机工作装置先导控制下动臂部分改进原理简图，当动臂上升的时候，多路阀处于A位置，与原系统相同，当动臂下降的时候，多路阀处于B位，从先导系统过来的压力油打开液控单向阀7，油缸两腔实现差动连接，并且此时卸荷阀8打开，工作泵直接泄荷回到油箱，无杆腔的油液一部分流入有杆腔给有杆腔补油，多余的油液经过多路阀节流回到油箱，实现对动臂下降速度的控制，这样，由于工作泵的泄荷并且系统实现差动，通过多路阀节流回到油箱的油液减少，从而减少了经过多路阀的节流损失。

2.2.3改进系统能量损失的分析当无杆腔进油，有杆腔回油时，即动臂处于举升阶段，此时系统执行功能和原系统相同，为阻性负载压降的回路系统，能量损失和原系统一样再此不在介绍。

当动臂处于下降阶段时采执行差动连接的形式，此时工作泵泄荷，动臂下降靠自重，无杆腔排出的油液给有杆腔补油，多余的液压油经节流回到油箱以控制下降的速度。

2.4改进系统下降稳定性分析由式（2.52）可知Cd、ρ、(A1_A2)为定值，每次的负载F也是定值，所以要控制下降的速度，只需要根据不同的F适当控制A(x)的大小，所以可以控制动臂下降的速度，系统可以达到稳定程度。

第三章蓄能器为先导系统供油节能研究由动臂和铲斗组成的，装载机工作装置的操纵控制，主要是通过软轴操纵多路阀进行控制的，这种操纵方式操纵力很大，劳动强度大，作业效率低。

近年来在少数的装载机上采用了液压先导控制多路阀，液压先导操纵具有安全、舒适、布置灵活及易于实现无级调速，工作液压系统采用了小流量的先导油路控制高压大流量的主油路，使工作装置的操纵力大为降低等优点，而日益广泛地采用，这种控制系统需要除了工作和转向泵以外的独立压力源，由于各个生产厂家不同、车型不同，所以它的压力源也就有不同的形式。

3.1液压先导系统压力源的形式1）先导泵+稳流阀、溢流阀+选择阀此系统当发动机转速在千转以上，先导压力油通过稳流阀使先导油流量稳定在8—12 L/min（视不同机型确定），溢流阀将先导压力稳定在2.5—3.5MPa选择阀起发动机熄火降臂作用。

该系统又分卡特型（图3.1）和普通型（图3.2）[12]2）制动泵+充液阀+稳流阀、溢流阀+选择阀由于液压湿式制动桥在工程机械上的应用逐渐普遍，许多制动系统采用充液阀，这就为先导系统提供了又一个压力源。

可以采用冲液阀口接稳流阀、溢流阀的方式获得先导油源，这个方式可优先保证冲液的情况下提供稳定的先导油源，如下图（3.3）3）工作泵+多路阀内置减压阀这种系统（如下图3.4）是美国HUSCO公司7100系列多路阀所提供的内置减压阀，它将主系统的油压减小到3MPa供给先导回路。

4）力士乐先导压力阀块这种系统（下图3.5）是德国力士乐公司的MHSTE5G型先导供油系统，它通过梭阀将主系统的最高油压取出后减小到3.5MPa供给先导回路。

3.2先导泵为先导系统供油分析3.2.1先导泵供油系统的原理虽然，液压先导系统压力源有很多种不同的形式，但是，目前国内装载机采用液压先导系统控制多路阀的压力源，大都是用定量齿轮泵做先导泵给其提供的。

先导工作液压系统主要由液压油箱、工作泵、多路阀、先导阀、动臂油缸、转斗油缸、油管等部件组成它采用了掬于小流量的先导油路控制高压大流量的主油路，并在低压小流量的先导油路上设有油路安全锁定阀，安全锁定阀是为了防止误操作而设置的，它是一个二位二通电磁换向阀，当电磁铁处于断电位置时，也就是驾驶员将开关置于“关闭”的位置时，对手柄的任何操作都不会对工作装置产生任何动作。

当安全锁定阀的开关处于“开启”位置时，控制油液进入电液比例先导控制阀，通过操作手柄控制电液比例先导控制阀完成对动臂和铲斗的动作控制。

上图中下部分是先导油路，主要由先导泵、先导阀等组成。

先导泵流出的先导油经油路安全锁定阀，再到先导阀，以控制多路阀主油路。

上部分是主油路，主要由工作泵、多路阀、安全溢流阀、补油阀等组成。

在先导控制油的作用下，通过多路阀滑阀不同的开启方向，从而改变工作油液的流动方向，实现转斗油缸和动臂油缸的不同的运动方向，或者使铲斗与动臂保持在某一位置以满足装载机各种作业动作的要求。

从上图及原理可以看出，这个系统的先导压力源是有定量齿轮泵5通过一个溢流阀组成的，虽然定量齿轮泵的价格低廉，性能稳定，它可以稳定的给先导系统提供压力油，但是由于系统的原理及工作过程决定，这种压力源存在大量的能量损耗。

3.2.2先导泵供油系统的缺陷用先导泵的液压先导操纵有明显的能量损耗。

装载机工作过程，大致为铲装、收斗、运输，卸斗、动臂下降，在这个过程中如运输等状态，工作装置不工作，多路阀处于中位状态时，整个先导系统也就处于封闭的状态，这样从先导泵流出的油液不给系统供油，全部经过溢流阀到油箱，溢流阀是元件中功率损失较大的元件，经过溢流阀损失的压力能最终会转化为热能，会严重影响到热平衡，对整个系统产生不良影响，而且只要装载机发动机运转先导泵就会不停的工作，这样会给先导系统的可靠性带来不良的影响，所以说用先导泵给先导系统供油对系统热平衡和可靠性都会产生不良效果。

3.3蓄能器为先导系统供油分析3.3.1蓄能器为先导系统供油概述蓄能器是一种用来贮存和释放液压能的装置．合理利用蓄能器是节约能源的手段之一。

因蓄能器是用来蓄积或储存液压能的容器，它的具体用途归纳如下：(1)作储存能量用。

若机器在一个工作循环中其最大需油量比平均流量大很多时，可在系统中装一台蓄能器来补充峰值流量的需要，以减少油泵和原动机的容量，并降低运转费用。

(2)缓冲和吸振。

系统安装蓄能器来吸收能量，可以减小系统的压力冲击和缓和压力脉动。

(3)作应急能源。

蓄能器可以作为油泵发生故障或突然停电时的应急能源。

(4)保压。

对于执行机构不动作而又需要保持恒定压力的系统，设置蓄能器后，在保压的同时，油泵可卸荷，避免功率损耗。

对于间歇运行的液压系统．或在一个工作循环内速度差别很大．即对油泵供油量的要求差别很大，这样的液压系统使用蓄能器．在其需要供油量大时，让蓄能器与泵一起供油，这样便可选用较小流量的泵，不但减小传动功率，还可减小泵源占地面积，节省投资。

基于蓄能器做动力源的作用，所以它可以给先导系统提供压力油源。

3.3.3蓄能器为先导系统供油原理此系统同先导泵为先导供油系统的差别如图所示，用单向阀6和蓄能器5取代原来的先导泵，从装载机工作过程来看，出于安全方面的因素，整个工作过程很少有工作装置和转向系统同时工作的情况，这样在转向系统不工作时，转向泵7通过单向阀6为蓄能器5充油，蓄能器充满是个很短暂的过程，当蓄能器充满时转向泵7多余的油液将回到油箱，当工作装置需要动作时，蓄能器5的油液迅速释放，为先导系统提供压力油，控制工作装置的运动，整个系统的原理来看，只要转向系统不工作，转向泵就为蓄能器充油，直到充满为止，这样蓄能器就可以有足够的液压油，源源不断的为先导系统供油。

3.3.4蓄能器为先导系统供油优点从以上介绍的两种不同的压力源为先导系统供油原理可以看出，用蓄能器为先导系统供油，这样可以取代先导泵，减少油液的能量损失。

所以蓄能器为先导系统提供油源，由转向泵间歇性为蓄能器供油.就原系统而言，无论是先导系统正常工作还是处于溢流统取消先导泵，它相对于改后的系统都是能量损失，如果不分能量最终要由液压能会转为热能，影响系统的热平衡，而的动作，这样也比原系统提高了可靠性。

3.4.2整个工作液压系统模型分析由蓄能器为先导系统供油，工作泵为定量的齿轮泵，且有溢流阀，当达到一定压力时工作泵溢流，所以整个工作装置的系统模型的建立可以把工作泵的压力视为常数，又先导系统的换向阀只是起到换向的作用，对先导系统的压力影响可以忽略，故液压系统可简化为下图：上面为电液比例减压阀从上式可以看出，负载的流量变化和比例减压阀的输出压力是线性关系，也就是说，如果比例减压阀的输出压力是稳定的那么负载的速度就是稳定的。