挖掘机行走液压系统换向阀改造方案探讨.pdf

2 0 1 4年 1 月 第 4 2卷 第 2期 机床与液压 MACHI NE T O0L ＆ HYDRAUL I CS J a n ． 2 01 4 V0 1 ． 4 2 No ． 2 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 2 0 挖掘机行走液压系统换向阀改造方案探讨 孟武龙 ， 盛锋 ， 郭元聪 ，邹少军 1 ． 7 3 9 1 1部队 ，江 苏南京 2 1 0 o 1 2； 2 ． 6 3 9 8 3部 队 ，江 苏无锡 2 l 4 0 3 5 ； 3 ．江苏柳工机械有限公司，江苏镇江2 1 2 0 0 5 摘要介绍我国挖掘机液压系统的基本情况 ；针对其行走液压系统换向阀大都依赖进口且价格昂贵的问题 ，提出一种 换向阀的电控化改造方案和两种应用方案。改造后的换向阀可替代高压、大流量进 口换向阀，提高国内主机厂的利润。 关键词挖掘机 ；行走液压系统；换向阀；电控化改造 中图分类号 T M5 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 2 0 5 73 Di s c u s s i o n o n I mp r o v e me n t P r o j e c t f o r D i r e c t i o n a l C o n t r o l Va l v e o f E x c a v a t o r W a l k Hy dr a ul i c S y s t e m ME N G Wu l o n g ，S H E N G F e n g ，G U O Y u a n c o n g ，Z 0 U S h a u n 1 ． P L A 7 3 9 1 1 U n i t ，N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 1 2 ，C h i n a ； 2 ． P L A 6 3 9 8 3 Un i t ，Wu x i J i a n g s u 2 1 4 0 3 5，C h i n a； 3 ． J i a n g s u L i u g o n g Ma c h i n e r y C o ． ， L t d ． ， Z h e n j i a n g J i a n g s u 2 1 2 0 0 5，C h i n a Ab s t r a c t T h e b a s i c s i t u a t i o n o f d o m e s t i c e x c a v a t o r h y d r a u l i c s y s t e m w a s i n t r o d u c e d ．T h e m a j o r i t i e s o f d i r e c t i o n a l c o n t r o l v a l v e s f o r w a l k i n g h y d r a u l i c s y s t e m w e r e e x p e n s i v e ，a n d d e p e n d e d o n i mp o r t s ． T o s o l v e t h e p r o b l e m ，a n e l e c t r i c a l c o n t r o l i mp r o v e me n t s c h e m e f o r d i r e c t i o n a l c o n t r o l v alv e s a n d t w o a p p l i c a t i o n p r o j e c t s w e r e p u t for w a r d ． T h e i m p r o v e d v a l v e c a n s u b s t i t u t e h i g h p r e s s u r e a n d l a r g e fl o w i mp o rte d v a l v e ，S O t h e p r o f i t o f t h e d o me s t i c ma n u f a c t u r e r i s i n c r e a s e d ． Ke y wo r d s Ex c a v a t o r ；W alk h y d r a u l i c s y s t e m ；Di r e c t i o n a l c o n t r o l v alv e ；E l e c t r i c al c o n t r o l i mp r o v e me n t 2 0 1 1 年我 国挖掘 机产 量 已超 过 1 9 ． 5万 台 ，2 0 1 2 年预测产量将达到 2 1 ． 8万台。我国现 已是名副其实 的生产大国，但远不是生产强国。其中的主要原因之 一 是挖掘机的高压、大流量液压元件均依赖进口，国 内产 品难以满足要求 ，基本控制在德 国 、日本 、韩 国 和意大利等生产厂家 ，使国内主机厂的供货来源更加 受制于人 。 目前 ，我国挖掘机行业有两种型式一种是外资 品牌，占市场份额 7 0 ％左右 ；一种是国产 品牌，占 市场份额 3 0 ％左右。国产品牌近十年几乎是从零开 始，发展到年产近4万台的规模 ，实属不易。随着国 内各主机厂投入的加大，国产品牌的挖掘机市场占有 率会稳步提高 ，市场前景看好。但是，挖掘机用高端 液压元件依赖进口的局面尚未改变 ，挖掘机较多的利 润来 自液压系统，均被国外液压元件厂家 占有。因 此 ，进行液压元件国产化改造 ，提高国内液压元件生 产厂家的实力十分急迫。 1 挖掘机液压 系统分析 从挖掘机液压 系统和元件来看 ，有两点值得注 意 1 产量大，参与其 中一个小元件的生产或技 术改进 ，就会有很大的市场； 2 从挖掘机液压系 统来分析，对作业装置液压系统的要求比对行走液压 系统要求高得多。作业装置液压系统操纵频繁，复合 动作 多 ，对整机 的性 能影响大 。因此 ，换 向阀、泵 和发动机往往需要很好的匹配，达到节约燃料的 目 的 ；然而行走液压系统一般无此要求，操纵比较 单一，对整机性能影响不大。 目前，国产挖掘机液压系统大都采用液压先导操 纵主阀进行挖掘作业和行走 ，其液压先导多路换向阀 选用进 口的整体或整体拼装型式多路换向阀。优点是 性能好 ，可靠性高；缺点是价格极高。以玉柴重工某 型挖掘机为例 ，其德国力士乐主阀价格为 2 ． 4～2 ． 5 万元，每个操纵单元为0 ． 4万元。 2 换向阀电控化改造方案和 目的 2 ． 1 电机驱动式 多路换向阀 液压多路换 向阀作为液压系统核心的控制元件， 收稿 日期 2 0 1 2 1 21 0 作者简介孟武龙 1 9 8 5 一 ，男 ，学士 ，助理工程师，研究方向为液压技术。Em a i l 4 3 5 4 2 8 8 8 4 q q ． c o rn。 5 8 机床与液压 第 4 2卷 其发展主要经历 了 4个阶段 ，分别为手动换 向阀 、电 磁换 向阀、液控换 向阀、电液 比例换 向阀 。表 1 列 出了 4种换 向阀的性能对 比。 由于挖掘机行走液压系统对阀的要求低 ，采用手 动换向阀亦可满足它完成动作的要求，但其控制精度 差、需要的操纵力较大，故现在的挖掘机上已经很少 采用 。 目前 ，挖 掘 机行 走液 压 系统 采用 的进 口换 向 阀，其价格是普通手动换向阀的几倍 ，这使主机厂的 利 润大大降低 。 表 1 4种换 向阀性能 比较 现改造设计 了一种 电机驱动式换 向阀 ，它是 由电 机通过齿轮 、齿条直接驱 动阀芯 的换 向阀 ，其性 能满 足挖掘机行走液压系统工作需要 ，结构见图 1 ，原理 图见图2 。该换向阀具有结构简单、价格低廉、操纵 方便 轻 松 、布 置 灵 活 等 优 点 ，缺 点 是 外 形 尺 寸 较 大 。 1 一液压阀2 一机械连接3 一齿轮齿条机构4 一步进 电机 图 l 电机驱动多路换向阀 图 2 电机驱动式多路换向阀原理 图 2 ． 2电控 化 改造 目的 挖掘机行走液压系统多路换向阀电控化改造方案 中，液压 阀是 国内生产 的普通手动换 向阀 ，步进 电机 和辅助装置均是国内成熟产品，改造完成后使主机制 造厂元件的国产化率提高并降低其制造成本。 3 应用方案探讨 目前 ，大多数挖掘机行走液压系统为液压先导手 柄通过先导阀控制多路阀组中的行走换向阀，上车油 路通过 液压回转 接头传 到下 车 ，驱动 两个液 压 马达 ， 见示意 图3 。 图3 液压先导控制方式 3 ． 1 应用方案探讨一 方案一是 由电控手柄 通过 非接触 式 电 回转 接头 ， 控制安装在 挖 掘机 下 车 的换 向 阀电机 ，电机 通 过齿 轮 、齿条推动 阀 芯 ，进 而驱 动 液 压 马达 ，见 示 意 图 4。 图4 非接触电控制方式 由于挖掘机上 、下车通过 回转平 台相连接 ，液压 动力通过 回转接头传递，与回转接头的连接油管较 多。采用非接触式电回转接头可以减少两路回转接头 油管及相应的管接头 ，并使回转接头结构更加简单。 非接触式电回转接头通过内圈产生磁场 ，由外圈切割 磁感线产生电流 一 。一个非接触式回转接头可同时 带动两个以上的电机。其优点为非接触式传输电力， 无磨损 ，可靠性高，寿命长，且可将非接触式电回转 接头与液压回转接头集成制成电液回转接头。 方案一需解决两个关键问题 1 将 挖掘 机换 向主 阀 的两片 行走 阀从 主 阀中 第 2期 孟武龙 等挖掘机行走液压系统换向阀改造方案探讨 5 9 分离出来，进行国产化及电控化改进。目前，挖掘机 使用的高压、大流量主阀基本都由外国品牌控制。高 压阀生产难度大、要求高，国内液压件生产厂家少有 涉及。为解决国产化的问题 ，其可行性分析如下 ①从阀的结构型式来看 ，单片阀或双联阀要比三 联以上的阀制造容易；多片拼装阀比多联整体阀制造 也要容易。因此分离出来的行走换向阀相比来讲设计 和制造较容易，可以国产化。 ②从挖掘机的作业时间分析。行驶时间最多占整 机工作时间2 0 ％，相 比来讲 ，对阀的磨损要小 ，寿 命要求较低。 ③国内已有厂家批量生产起重机用高压换向阀。 挖掘机主阀由于工作频率高、工作时间长，相比起重 机用高压阀要求要高许多，但与挖掘机行走阀基本相 当。综合上述分析，分离出的挖掘机行走换向阀的国 产化和电控化是可行的。 2 试制非接触式电液 回转接头。目前 ，国内 已有企 业掌握 了非 接触 电传 输技术 ，传输效 率在 8 0 ％以上，已用在某些直线传输产品中。现仅需将直 线传输改为环形传输 ，试制出电与液压回转接头相融 合的电液一体回转接头。 方案一的特点是以电控操纵取代液压先导操纵 ， 以电线取代先导油管及管接头 ，减少了上车油路油管 及管接 头 ，液 压 回转接头可减少两路 。 3 ． 2应 用方 案探 讨二 方案二是将分离 出的行走换 向阀安装 在挖掘机 的 上部，不使用非接触式回转接头而直接用电驱动改造 后的换向阀，见图5 。 图5 直接电控制方式 咖 螓 骧 耀 稍 方案二的特点是以电控操纵取代液压先导操纵 ，以 电线取代先导油管及管接头 ，并且行走液压系统的 整体布置与原机相比变动较小 ，继承性好 ，实现容 易 。 4结论 文中提出的 电控化改造方案创新地将液压先导换 向阀改进为电机驱动液压换向阀，响应速度快，操纵 轻便，减少了液压管路和泄漏点。改造后的换向阀， 可部分替代进口换向阀，为挖掘机液压元件国产化起 到先导作用 ，减轻国外对我国挖掘机产业的控制。国 产化后价格更低 ，预计每台挖掘机可降低成本近0 ． 4 万元 。 应用方案二对整机改动较小，可先进行此方案的 研制。选择国内已批量生产起重机用高压液压阀制造 厂试制并批量生产换 向阀，并对其进行电控化改进， 将其应用于国内主机厂 ，达到提高利润、提高国产化 水平的目的。 参考文献 【 1 】张铁． 液压挖掘机结构与使用原理[ M] ． 东营 石油大学 出版社， 2 0 0 2 ． 【 2 】陈国俊． 液压挖掘机下册[ M] ． 武汉 华中科技大学出版 社 ， 2 0 1 1 ． 【 3 】 韩军， 张德恩， 杨宏 ， 等． 军用工程机械原理与技术[ M] ． 北京 国防工业大学出版社， 2 0 1 1 ． 【 4 】 杨翔． 挖掘机用新型电液比例多路阀的控制策略研究 [ D ] ． 长沙 中南大学， 2 0 0 8 ． 【 5 】 邹少军 ， 吴昆雁， 汤久望， 等． 液压阀电控驱动技术在军 用工程机械上应用分析 [ J ] ． 工兵装备研究 ， 2 0 1 1 4 3 33 6 ． 【 6 】 秦海鸿 ， 王慧贞， 严仰光． 非接触式松耦合感应电能传输 系统原理分析与设计[ J ] ． 电源技术应用， 2 0 0 4 5 2 5 7 2 6 2． 【 7 】 赵彪， 冷志伟， 吕良， 等． 小型非接触式电能传输系统的 设计与实现[ J ] ． 电力电子技术 ， 2 o o 9 1 4 9 5 1 ．