液压挖掘机多路换向阀中斗杆回路设计分析.pdf

液压挖掘机 多路换向阀中斗杆回路设计分析 李合永 ， 张杰 山东 中川液压有限公司 H ◆-◆-◆-◆- ◆_◆。◆- - l ib- ．◆---◆◆-◆-◆- ◆。◆。◆。◆。◆。 ’- ● 。● ◆ ◆ ◆ ． ． 。◆。 ◆‘ 摘要 针对目前市场上流行的挖掘机液压系统， 概述挖掘机液压系统中 ； 构特点和工作原理， 重点阐述多路换向阀中 斗杆回 路结构与 工作原理， 分析其 { 设计原理， 通过试验测试证明 数据的 可靠性、 可行I生 。 关键词 挖掘机 ； 液压系统； 斗杆； 再生 目前 国内液压挖掘机主要有两种油路 系统 开 心 直通 回油六 通阀系统和闭心负载敏感压力补偿 系统 ， 我 国国产大中型液压挖掘机大多采用开心系 统 。这种液压控制系统主要有负流量控制系统和正 流量控制系统 ，由于负流量控制系统 比较成熟 ， 而 正流量控制 电控系统复杂且价格较贵 ， 因此 国内大 部分液压挖掘机都使用负流量控制系统。本文重点 对 负流量控 制系统多路换 向阀中斗杆 阀芯 的工 作 原理以及设计思路作一分析介绍。 1 挖掘机液压系统中多路换 向阀结构特点 和工作原理 如 图 1 所示 的多路换 向阀主要是针对液压 挖 掘机负流量控制液压系统设计的阀。主控 阀主要性 能 特点 最 大流量 单泵 2 5 0 L ／ m i n ， 最 大压力 3 4 - 3 M P a ， 能实现动臂提升合流、 斗杆合流、 斗杆再生、 直 线行走 、 动臂提升优先 、 回转优先 、 斗杆闭锁 、 动 臂 闭锁 、 铲斗合流等功能 。 其工作原理如图 2所示 ， 当所有 阀芯位于 中位 时 ，从液压泵 P 1 输 出的压力油流经多路换 向阀通 过左行走 、 回转 、 动臂 2和斗杆 1的阀芯 ， 最后 回到 液压油箱。同时 ， 斗杆 l 侧 的负流量控制小孔上游 的压力 负流量控制信号压力 被从 F L口引向液压 泵 P 1 侧的伺服阀调节器， 控制泵的输出流量。从液 压泵 P 2输出的压力油通过多路换 向阀流经右行 ‘ 。 。 。 。 、 多路换向阀结 性能优势以 及 ； l ● ◆_．-◆。， 图 1多路换 向阀外形 图 走 、 液压破碎锤 备用 、 动臂 1 、 铲斗和斗杆 2的阀 芯 ， 最后 回到液压油箱 。同时， 斗杆 2 侧 的负流量控 制小孔上游的压力 负流量控制信号压力 被从 F R 口引向液压泵 P 2 侧的伺服阀调节器，控制泵的输 出流量。 带有负流量控制液压泵 的液压系统可 以实现 当系统各阀杆处于中位时 ， 通过负流量控制阀产生 反馈信号 ， 输出外 控压力 油到主泵伺服 阀 ， 使主泵 的流量随外控压力油的增大而减小， 避免了传统的 挖掘机靠溢流阀溢流控制的方式 ， 从而最大限度地 减少功率 的溢流损失和系统发热 。 作者简介 李合永 1 9 8 2 一 ， 男， 山东沂南人， 工程师， 研究方向 挖掘机液压系统元件的开发与研究。 一 5l一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 右行走 X B tr B t r XA t r At r l厂一 备 用 X B o l B o X A o [ A o r 动臂1 X B b l B b l 降落 X Ab l A b l 升 D 一 B C h 2 霹 R 2 P 2 P y P G }r T S 1 I L r J ] j 一一 j J j 1 i L C b l I i t I 一一j j u P b 1． 铲斗 B k 1亲 XA k A k l 挖掘 斗杆2 XA a 2 XB a 2 B k R Ak R 厂 L C a 2 一 一 r P x P H Rl 直线行走 X A t L发行走 B t L XB t l At L 一 一 -一 一 C C t i { l J 1 一 B童 1 R L L一 回转 As X B P s P XA b 2 动臂2 X Aa lg X B a l 斗l枰1 B a l 抬起 XA a l A a l 收嗣 U； B P D p 图 2 多路换 向阀工作原理图 2 多路换 向阀内斗杆 回路结构与工作原理 2 ． 1 斗杆伸出过程 液压挖掘机工作时斗杆伸出动作如图3 所示， 其工作原理如图 4 。 驾驶员操纵斗杆先导阀换向， 使先导压力油同 时作用于斗杆 1阀芯、 斗杆 2阀芯的 XB a l 、 X B a 2油 口， 斗杆阀芯被推动换 向， 主油路 P l 、 P 2同时供油 ， 汇合后的压力油经过锁定 阀后流人斗杆液压缸有 一 5 2一 斗杆锁定阀 D r 3 图3 斗杆伸出动作过程 ● ●． L 鏖 l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 6 斗杆收 回动作液压原理 图 一 5 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 驾驶员操纵斗杆先导阀换向， 使先导压力油同 时作用于斗杆阀 1 、斗杆阀2的X A a l 、 X A a 2 油口， 斗杆阀芯被推动换向，主油路 P 1 、 P 2 同时供油， 通 过 阀内通道汇合后 的压力油进入斗杆液压缸无杆 腔口， 使斗杆液压缸伸出。另一方面， 从斗杆液压缸 有杆腔 口来 的回油经过斗杆 1 和斗杆 2阀芯后流 人锁定 阀， 此 时锁定 阀开启 ， 压力油经过多路换 向 阀内部油路回到油箱。 2 ． 3 斗杆再生与斗杆锁定 2 ． 3 ． 1 斗杆再生 2 3 4 在斗杆收 回动作中 ， 仅在轻载过程 中 ， 由于重 力的作用， 斗杆液压缸有杆腔一侧的回油被斗杆的 自重加压并 回到斗杆 1 滑阀组件 图 7 中的滑阀 2 人 口 b处 ， 此时进油压力较低 ， 回油路上 回流 阀此 时在弹簧作用力下处于节流位置， 回油受阻， 压力 上升 ， 此时压力油会推开斗杆 1 滑阀组件内部 的单 向阀阀芯 6 ，经油 口 a 将 回油收入进油侧 ，实现再 生 。再生功能一方面防止斗杆收回时 ， 斗杆液压缸 出现吸空现象， 斗杆出现短暂停留现象 ； 另一方面 增加斗杆收回速度。 9 1 ． 螺杆2 ． 滑阀3 ， 5 ， 8 ． 弹簧4 ． 小阀芯6 ． 单向阀阀芯7 ． 回流阀阀芯9 ． 螺栓 图 7 斗杆 1 滑阀组件结构图 当铲斗接触到土壤时， 负载增加， 液压缸无杆 腔压力上升， 两位两通阀右移， 单向阀阀芯 6 关闭， 实现正常供油， 液压缸得到较大推力。 随着斗杆液压缸无杆腔一侧内的压力升高 ， 当 无杆腔人 口的压力升高到 3 M P a时 ， 斗杆 1滑阀组 件内的单向阀阀芯 6关闭 ， 而 回路 中的斗杆 回流阀 开启 ，从有杆腔一侧来 的回油经过滑阀 2上的孔 c 全部流回油箱 ， 这就结束了斗杆的再生动作。 2 ． 3 ． 2 斗杆闭锁 斗杆锁定 阀安装于斗杆液压 缸和主控 制阀之 - - - 5 4--- 间， 用于停止操作 时斗杆液压缸 由于系统泄漏和机 器 自重引起 的 自然下滑 。它 由控制阀 图 8 和止 回 阀 n v 参见 图 l O 构成 ， 其工作原理如图 9所示 ， 当 P a L口无先导油压力时，液压油只可以单方向从 A 流 向 B； 当 P a L口有先导油压力时 ， 控制阀换 向 ， 液 压油既可从 A流向 B， 也可从 B流向 A。 斗杆液压 阀的合流再生技术 ，具有作业效 率高 、 能耗低 、 安全可靠 、 操作舒适可控等诸多 优 点 。 图 8 控制阀结构剖视图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 9 斗杆锁定 阀工作原理图 斗杆 1 斗杆2 3 斗杆回路设计原理 挖掘机中多路换向阀的斗杆回路结构剖视如 图 1 0 。 在挖掘机液压系统中，主要是通过手柄控制先 导阀， 再 由先导阀的压力油推动主阀阀芯调整位移 ， 达到调整通流面积的目的。而在调整 阀芯位移的同 时，需要在阀芯上 由相应的节流 口形状及节流 口的 4 6 1 ， 8 ． 内弹簧2 ， 7 ． 外弹簧3 ． 止回阀Hv 4 ． 斗杆 1阀芯5 ． 安全补油阀6 ． 斗杆 2阀芯 图 1 O 多路换 向阀斗杆部位结构剖视 图 组合方式与其配合，从而达到准确控制液压缸速度 的 目的。阀芯节流 口的形状和结构不仅要满足控制 流量的要求 ， 还必须考虑其他方面的问题， 如噪声、 气穴、执行机构的动态稳定性以及整个液压系统的 节能性 。图 1 1与图 1 2分别为斗杆 1 、 斗杆 2阀芯位 移与开 口面积 曲线 ， 其图中代号同时参见图 1 0 。 先导压力油同时作用于斗杆 1 与斗杆 2阀芯 侧端 ， 而斗杆 回路结构 图 1 O 中内弹簧 1 、 外弹簧 2 与内弹簧 8 、 外弹簧 7 性能参数不同。 因此相同的先 导压力使阀芯移动的位移有差异。 表 l为斗杆 1与斗杆 2阀芯在先 导压力作用 下达到不同位置时理论设计计算要求数值。表中P 。 为阀芯开始移动时的先导压力值； p 为阀芯开始接 通时的先导压力值； p 为阀芯通流全部打开时先导 压力值。可以发现在先导压力接通时， 斗杆 1 阀芯 先开启 ， 当斗杆 1 通流面积接近全部开启 时， 斗杆 2 阀芯也开始打开，这样使得斗杆的微操作性能、 动 态稳定性能增加 ， 加强了动作 的操作性能。 4 斗杆回路性能测试 对斗杆部分进行 了大量 的数据采集 、性 能测 试 。图 1 3与图 1 4所示为在试验 台上进行斗杆 阀芯 二次压力与流量测试试验结果 。从测试的结果进一 步验证研发设计时的设计要求 。 一 5 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 斗杆阀芯开启对应二次先导压力计算数值 阀芯 先导油口 P 0 ／ M P a P l ／ M P a P 2 ／ M P a XAal 0．43 0． 5 4 1 ． 83 斗杆 1 XBal 0． 4 3 O． 5 4 1 ． 83 XAa 2 0． 98 1 ． 4 6 2． 6 9 斗杆 2 XB a 2 0 ． 9 8 1 ． 4 6 2 ． 6 9 同时对挖掘机液压 阀控制系统也进行 了多次 的装机试验 以及长时间的工业性考核 ， 图 1 5为装 一 5 6一 机测试 中斗杆动作时执行液压元件以及前 、后泵 压力流量 变化曲线 图。通过测试 曲线进行液压系 统的性能调试 ，使各种工况下挖掘机复合动作更 加协调合理 。经过多次试验调试 ， 无论从试验测试 数据上，还是从操作经验丰富的挖掘机操作人员 的感觉上，我公司开发调试的液压系统的操作舒 适性和动作平稳性都不低于国内外的同类液压挖 掘机系统 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 1 I 1 ． 镗刀2 ． 紧 固螺栓3 ． 立板4 ． 镗杆5 ． 镗杆套6 ． 上 封板7 ． 下封板8 ． F形夹具9 ． 水平工作平台l O ． 后加 强筋板1 1 ． 主侧板l 2 ． 下支撑板1 3 ． 底板l 4 ． 工件 图2 利用摇臂钻床镗削臂架孔坡口用镗模工装 加工臂架孔坡口时便于及时将加工的铁屑排除。在 上下镗杆套 5中穿装镗杆 4 ，镗杆 4上端的莫氏锥 柄与摇臂钻床主轴孔相连 ，镗杆 4的下端 开有方 孔 ， 用于安装镗刀 l ， 并用紧固螺栓 2紧固。 加工臂架孔坡口时， 先把镗模固定安装在摇臂 钻床的工作台上 镗模工装与摇臂钻床通过底板 1 3 上的腰 圆孔连接 ，然后在镗模 的水平工作平 台 9 上放置 已钻孔的臂架板 ， 用 F形夹具 8固定工件 ， F 形夹具 8 保证 了工件的安装定位 ， 有利于提高孔坡 口的加工精度。利用摇臂钻床的主轴旋转运动带动 镗杆 4上的镗刀 1 对工件进行坡 口的加工 。根据生 产需要 ， 当不需要加工臂架孔坡 口时 ， 还可 以把镗 模工装拆卸下来， 使其恢复钻床功能。 2 结论 摇臂钻床镗削臂架孔坡 口用镗模工装 的设计 ， 解决了企业在加工臂架孔坡口时， 对大型镗床依赖 的难题。充分利用企业现有的机床， 降低了生产成 本 ； 在批量生产时， 保证 了生产进度和产品质量。 参考文献 [ 1 】成大先． 机械设计手册[ M 】 ． 北京 化学工业出版社， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 袁哲俊， 刘华明． 金属切削刀具设计手册【 M 】 ． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． 通信地址安徽省马鞍山市雨山经济开发区红旗南路 1 1 8号 华菱星马汽车 集团 股份有限公司技术中心 2 4 3 0 6 1 收稿日期 2 0 1 3 0 6 2 1 上接 第 5 7页 多路换 向阀为现代挖掘机液压系统 中的核心 元件， 对整个挖掘机性能影响很大。本文重点讲述 了多路换向阀内最复杂、 最典型的斗杆 回路 的工作 原理以及开发设计过程， 阀内其他回路的设计思路 不尽相同， 在此不再赘述。 通过对 阀节流 口开 口面积 的调节 以及优先动 作 的设置 ， 可实现挖掘机不同的复合 动作 ， 从而满 足用户不 同的工况需求。希望通过以上对液压挖掘 机多路换向阀中斗杆回路的设计分析， 能为专业人 员在研发设计以及挖掘机液压系统的调试维修等 方面提供参考。 一 62一 参考文献 f 1 ]1 雷天觉． 新编液压工程手册 f M 】 ． 北京 北京理工大学出 版社 ， 1 9 9 8 ． [ 2 ]何存兴， 张铁华． 液压传动与气压传动【 M】 ． 武汉 华中科 技大学出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 3 】张海平． 测试是液压的灵魂[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 1 0 6 1 - 5 ． f 4 ]王四新， 吴元道． 浅谈挖掘机的液压系统和元件【 J ] ． 液压 气动与密封， 2 0 0 0 4 2 7 2 9 ． [ 5 ]陈世教， 樊万锁． 川崎 K MX I 5 R挖掘机多路阀的功能与 结构 们． 建筑机械， 1 9 9 9 6 5 0 5 4 ． 通信地址山东省青岛经济技术开发区前湾港路 5 7 9号 山 海花园实验研发楼 3 - 3 0 2 2 6 6 5 1 0 收稿日期 2 0 1 3 0 5 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m