履带起重机液压系统设计-阀后阀前补偿.doc

第九章 履带起重机液压系统设计29.1 履带起重机液压系统概述29.1.1 履带起重机液压系统发展历程29.1.2 履带起重机液压系统的组成29.1.3 履带起重机液压系统的分类39.1.4 履带起重机液压系统设计步骤49.1.5 履带起重机对液压系统的要求49.1.6 液压系统设计方案和主要参数49.2 开式与闭式液压系统59.2.1 开式与闭式液压系统的工作原理与关键技术59.2.2 开式与闭式液压系统的特点比较99.2.3 开式与闭式液压系统在履带起重机中的应用109.3 主要工作机构的液压回路119.3.1 起升与变幅机构液压回路119.3.2 回转机构液压回路139.3.3 行走机构液压回路149.4 液压系统的设计计算及元件选择169.4.1 液压马达主要参数的计算169.4.2 液压缸主要参数的计算179.4.3 液压泵主要参数的计算179.4.4 油管的计算及选择189.4.5 其他液压元件设计和选择199.5 负荷传感与压力补偿原理及应用209.5.1 负荷传感控制系统209.5.2 负荷传感分流器系统22第九章 履带起重机液压系统设计9.1 履带起重机液压系统概述按照履带起重机工作装置和各个机构的传动要求，把各种液压元件用油管有机地连接起来的组合体，称为履带起重机液压系统。9.1.1 履带起重机液压系统发展历程上个世纪70年代初，液压系统开始应用于履带起重机。当时的液压系统十分简单，动力源为齿轮泵，由多路换向阀控制各执行装置，卷筒系统采用1个定量液压马达驱动，并通过离合器分别操纵多个卷筒机工作。70年代末稍作改进，液压系统中采用了变量泵和远控阀，用远控阀的二次压力控制变量泵的流量。但该系统的一个很大的缺陷，由于系统中所有变量泵都按同时承受载荷的工况预先设定了输入功率，当起重机只有1个或2个装置作业时，系统不能充分利用发动机功率。80年代初，斜盘式可变量串联泵开始应用于履带起重机，这种系统实行的是泵的全功率控制，即泵输入的是恒定扭矩。泵的全功率控制过程与由发动机转速引起的扭矩变化不相对应，为了避免低速下发动机熄火，将泵的最大输入扭矩设定得比较低。这种控制形式在一定程度上提高了发动机的功率利用率。80年代末，机电一体化技术开始应用于履带起重机液压系统。该系统可实现将卷筒压力反馈给操作杆的负载感应装置，根据发动机设定的最高工作转速与实时工作转速的差值，来控制液压泵的输入功率，从而进一步提高发动机的功率利用率。90年代初，机电一体化技术得到充分应用。由于发动机转速与泵的流量实行了一元化的联合控制，系统如同采用了液力变矩器传动。在不同情况下，泵的输出流量可随发动机的转速而改变，或泵的输出流量不随发动机转速而改变，使马达呈恒定转速。这种系统可通过对发动机负荷的检测，使其输出扭矩与液压泵的输入扭矩相匹配。90年代末及本世纪初，随之计算机技术的长足发展，现代控制理论在液压系统的应用成为可能，促进了液压技术的迅速发展。单片机控制的变量泵，大大提高了液压系统的效率。计算机技术与液压技术结合的深入，推动了液压系统计算机仿真的发展。9.1.2 履带起重机液压系统的组成履带起重机液压系统由五部分组成：动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油。1）动力元件指液压系统中的液压泵，其作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，从而向整个液压系统提供动力。2）执行元件包括液压缸和液压马达等，作用是将液体的压力能转换为机械能，驱动负载作直线往复运动或回转运动。3）液压系统中的控制元件指各种液压阀，用于控制和调节液体的压力、流量和方向。根据控制功能的不同，液压阀可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又分为溢流阀（又称安全阀）、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调速阀，分流集流阀等；方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、换向阀等。根据控制方式不同，液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。4）辅助元件包括油箱、滤油器、油管及管接头、密封圈、压力表、油位油温计、冷却器和加热器等。油箱中油液温度推荐在3050范围内，一般不超高过60，不低于15。履带起重机等行走机械的液压系统中的油液温度最高允许达到65。5）液压油是液压系统中传递能量的工作介质，分为矿物油、乳化液和合成型液压油等。9.1.3 履带起重机液压系统的分类按照油液的循环方式，液压系统可分为开式系统和闭式系统。开式系统是指液压泵从油箱吸油，把压力油输给执行元件，执行元件排出的油则直接流回油箱。开式系统油箱尺寸较大，液压油能够得到较好的冷却，油液中杂质易沉淀，但空气、脏物容易进入系统中，会导致工作机构运动的不平稳。在实际应用中多用于发热较多的液压系统，如具有节流调速回路的系统。闭式系统是指液压泵的排油腔直接与执行元件的进油管相连，执行元件的回油管直接与液压泵的吸油管相连，油液在系统的油管中进行封闭循环。闭式系统油箱尺寸小、结构紧凑、执行元件回油管和液压泵吸油腔直接连通，减少了空气及脏物进入系统的机会，但油液的冷却条件差，需要辅助泵进行换油冷却和补偿漏油，结构比较复杂。一般情况下，闭式系统中的执行元件若采用双作用单活塞杆液压缸时，由于两腔流量不等，在工作中会使功率利用下降。所以闭式系统的执行元件一般为马达。关于履带起重机的开、闭式系统，将在9.2节详细介绍。按照系统中液压泵的数目，可分为单泵系统和多泵系统。单泵系统由一个液压泵供油给动力转向和工作装置；多泵系统由两个或两个以上液压泵供油给动力转向和工作装置。为了合理利用功率、缩短作业循环时间和提高生产率，目前履带起重机液压系统多采用多泵系统，一般由主泵、回转泵和辅助泵等组成。按照所用液压泵的形式，可分为定量泵系统和变量泵系统。变量泵可分为手动变量、伺服变量、压力补偿变量、恒压变量、液压变量等多种方式。其优点是在排量调节范围内可充分利用发动机的功率，缺点是结构和制造工艺复杂，成本高。履带起重机液压系统的液压泵一般采用变量柱塞主泵加辅助齿轮泵的组合形式。按照向执行元件的供油方式，可分为串联系统和并联系统。串联系统中，上一个执行元件的回油即为下一个执行元件的进油，每通过一个执行元件压力就要降低一次。在串联系统中，当主泵向多路阀控制的各执行元件供油时，只要液压泵的出口压力足够，便可以实现各执行元件的运动的复合。但由于执行元件的压力是叠加的，所以系统克服外载的能力将随执行元件数量的增加而降低。并联系统中，当一台液压泵向一组执行元件供油时，进入各执行元件的流量只是液压泵输出流量的一部分。流量的分配随外载的不同而变化，液压油首先进入外载较小的执行元件，只有当各执行元件上外载相等时，才能实现同时动作。在履带起重机液压系统中采用的是并联系统，为了能实现复合动作，采用带压力补偿的多路阀。9.1.4 履带起重机液压系统设计步骤1）明确整机对液压系统的要求和有关参数；2）确定液压系统方案和主要参数；3）拟定液压系统工作原理图；4）液压系统的设计计算；5）选择标准的液压元件及设计非标准的液压元件；6）液压系统验算；7）绘制液压系统装配图；8）整理和编写技术文件。9.1.5 履带起重机对液压系统的要求1）具有足够的驱动力。根据整机技术性能要求，确定适宜的系统压力和流量，保证液压系统的执行元件有足够的驱动油压和速度。2）可靠和全面的安全保护装置。设置整个系统的超载限压保护，对起升、变幅、支腿等机构设有防爆管和防承重回缩装置，以及回转机构的缓冲补油，滤油器脏堵报警装置等。3）较大的调速范围和平稳的动作性能。结合发动机油门、换向阀节流、多台液压泵合/分流供油和变量系统的容积变化等进行调速。利用上述调速措施也可满足微动调速和定位性能要求。此外，还应有吊重空中悬停和起动的平稳性能，避免“点头”、“溜钩”、下降失速和回转制动时的过大摆振等现象。4）不仅能单机构作业，而且具有多机构复合动作的能力。5）合理利用功率，降低发动机能耗，充分发挥发动机的动力性和燃油经济性。待命作业时采用卸荷回路，减少发热，提高效率。6）抗污染能力强。液压系统的过滤精度应与所用液压元件的要求相适应，液压油性能要与工作环境相符，液压油箱设有空气滤油器，必要时设置冷却器和加热器等。7）系统较简单、紧凑、重量轻、“三化”（标准化、系列化、通用化）程度高、操纵简便，易于调试、安装和维护。9.1.6 液压系统设计方案和主要参数履带起重机液压系统设计方案要综合考虑整机对液压系统的要求，与总体设计方案相匹配。可分3个步骤确定液压系统设计方案。1）根据设计要求，对各种可能的传动方式做技术经济分析。在反复比较、研究国内外有关资料和充分了解制造厂、配套件厂产品的基础上，选定经济、可靠、较先进的液压系统型式。这涉及开式或闭式系统、定量或变量系统、单泵单路或多泵多路系统、串联与并联或串并联、各机构液压回路的相互关系等。2）确定起升、变幅、回转和行走等部分的液压回路，使它们既能满足整机作业的性能要求，又安全可靠。3）设计辅助液压回路，包括卸荷油路、补油油路、过载保护油路、缓冲油路、滤油油路、控制油路和其他满足特殊要求的油路等。液压系统的主参数包括系统工作压力和系统流量。通常先根据起重机工作的最大负载和有关的国家标准初定系统工作压力，再按各执行元件单个或可能的复合动作速度初定系统流量。系统工作压力是指系统正常工作状态下的最高压力。系统工作压力一般为三者之和：执行元件的最高工作压力、油管系统的压力损失和节流、滤油等引起的压力损失。系统工作压力应按整机性能要求，考虑经济性和液压技术现有水平确定。在给定外载下，系统的工作压力越高，各液压元件及油管系统的尺寸就越小，重量越轻，结构越紧凑，但由此导致对密封、制造加工精度和元件材质的要求越严，维护和修理也越困难。系统工作压力高到一定程度后，随着高压力对壁厚和密封要求的提高，系统的尺寸和重量反而会增加。履带起重机液压系统采用的工作压力一般为25MPa32MPa。系统工作压力初定后，可根据负载计算液压缸缸径、活塞杆直径和液压马达排量等，这些都是确定系统流量的重要依据。系统流量是指整机正常作业状态下所需最大流量，它为同时动作的、非串联执行元件的流量峰值与系统各液压元件的泄漏量之和。单泵串联系统中，系统流量是单个动作的执行元件中所需流量的最大值。单泵并联系统中，系统流量则是同时动作的执行元件所需最大流量之和。而对多泵与多回路系统，要全面分析多泵合流和多回路的具体情况，取合流流量或较大流量回路的流量为系统流量。9.2 开式与闭式液压系统9.2.1 开式与闭式液压系统的工作原理与关键技术1）开式系统的工作原理开式液压系统，最基本的回路是由一个定量泵驱动一个定量液压马达，如图9.1所示。液压泵从油箱吸油，把压力油输给液压马达，液压马达排出的油则直接流回油箱。通过改变换向阀阀口开度和阀芯位置，可以改变马达的转速和方向。在实际的应用中，为防止马达失速，通常需要加上平衡阀。有的需加单向平衡阀，如在用于升降重物的液压回路中，平衡阀可以防止在下放重物时马达在重物的作用下失速下降，保证重物平稳下落；有的需加双向平衡阀，如在用于行走的开式液压回路中，平衡阀可保证在有一定坡度的场地平稳行驶。图9.1 开式液压系统理论模型图9.2 加单向平衡阀的开式液压系统模型2）闭式系统的工作原理闭式液压系统，最基本的回路是由一个变量泵驱动一个定量液压马达，如图9.3所示。泵的高压油口直接与马达进油口相连，而马达的出油口与泵的吸油口相连。闭式变量泵随着斜盘角度的改变可以实现无级变速，当斜盘摆过中位时，可以平稳地改变液流流动方向，从而实现马达方向改变。从理论上来说，液压负载需要多大的流量，油泵便提供多大的流量；液压负载需要多大的压力，液压系统便提供多大的压力。因此闭式泵控系统较其他控制系统能量消耗最少，相应地系统发热也最少，尤其适用于大、中功率的调速系统。然而图9.3所示的闭式泵控系统仅是理论模型，在实际使用中是不能正常使用的。图9.3 闭式液压系统理论模型首先，由于闭式系统的工作油液是在一个封闭的泵-马达回路中周而复始地运行，而无论是泵还是液压马达都有内泄漏，随着时间的推移，在闭式系统中的油液越来越少，进而引起液压元件吸空，因此，为了保证闭式系统的正常工作，一个适当的双向补油系统是必须的。其次，尽管闭式系统有较低的发热量，但是闭式系统的散热条件较差，不能通过回油与外界进行热交换。因此一个冷却更油系统是必不可少的，它的作用是将从油箱吸来的冷油通过辅泵输入到闭式回路的低压侧，使低压侧的部分热油流回油箱，从而实现系统的冷却。最后，对于任何一个液压系统来说，高压油路的压力保护都是必不可少的，闭式泵控系统也不例外。对于闭式系统应至少包括以下子系统： 斜盘变量系统：控制斜盘的摆角以对马达进行速度调节； 补油系统：维持闭式系统的吸油压力稳定，保证不因吸空而导致泵的配油盘由于气蚀而过早磨损； 冷却系统：保证闭式系统的温度不会超过产品的允许范围； 高压保护系统：防止液压元件因为意外工况形成的超高压力而导致损坏。一个实际中使用的闭式系统原理图如图9.4所示：图9.4 实用闭式液压原理图3）开、闭式系统关键技术的比较履带起重机的核心在于起升回路的设计，下面就起升时的二次起升控制和下放时的重物速度控制，分别比较开式系统和闭式系统的区别。 二次起升控制起升回路的特点是负载力恒定，若起升机构二次起升重物时，在油液压力未充分建立前便打开制动器，会导致重物下滑，即二次下滑现象。二次下滑现象不仅存在于开式系统中，也同样存在于闭式系统中，而且在闭式系统中会更加严重。闭式系统中，泵的出油口与马达进油口之间的管路越长，压力建立的容性特性就越明显，二次下滑现象越严重。当发生二次下滑现象时，马达会出现反转现象，重物下滑，并伴随着压力震荡和吸空等现象，产生强烈的惯性冲击载荷。这将恶化结构受力情况，影响了整机的稳定性，降低液压元件的工作寿命，降低了起升机构的微动能力，因此在二次起升控制中要避免二次下滑现象的发生。在开式系统中，由于有平衡阀的存在，可以有效减小二次下滑现象，而且可以通过平衡阀与制动器的合理匹配，使制动器的打开较平衡阀的打开滞后，避免重物在起升油压未充分建立前下滑。在闭式系统中，目前常用的解决方法为压力记忆控制，即在起重机起吊重物的过程中，液压系统的压力传感器可以检测马达处的压力，然后把这个压力信号传输到控制器，控制器需要记录马达处的压力值。一旦控制器接收到需要在空中再次起升载荷的命令时，控制系统先监测起升回路是否已经达到足够支撑载荷的压力，然后执行机构才进行动作。 重物下放控制无论是开式还是闭式回路，在重物下放时，都存在马达超速控制及负扭矩吸收问题。在开式系统中，当重物下放时，由平衡阀控制下放速度，避免由于液压马达超速而引起的供油压力不足，下放功率由回油管路中串接的液压元件吸收或流回油箱。在闭式液压系统中，下放功率主要是通过变量泵向外传递，大部分被发动机吸收，部分传递给串联的开式回路，在紧急情况时可人为地调高开式回路的系统压力来吸收负功率。下放速度控制也是由变量泵实现，因此闭式回路下放控制的关键是闭式泵的控制。重物下放过程的另一个特点是供油侧为低压，回油侧为高压。在开式系统中，回油侧高压容腔由平衡阀锁定，容腔小，压力容易建立，且此时马达吸油油路与油箱相通并配有补油系统，因此不会产生强烈的压力振荡和吸空现象。但在闭式系统中，高压侧容腔包括马达到泵之间的管路，压力建立所产生的容积变化大，马达会出现短时失速现象，从而引起强烈的压力振荡和吸空现象。9.2.2 开式与闭式液压系统的特点比较开式系统与闭式系统各有其特点，见表9.1所示。但总的来说，闭式系统较开式系统有诸多优点，通过表9.1的比较，可以看出闭式系统在传动平稳性、控制系统的技术含量、散热、环保、节能及结构易布置性等特点上占有很大的优势。表9.1 开、闭式液压系统的特点比较方面开式系统闭式系统动力传动一个动力元件可以同时为多个机构供油，可以减少泵的数量；空气易于渗入系统，而且换向阀因素影响大，机构传动不平稳，液压冲击和能量损失大大多是单泵单马达系统，机构动作不相互影响；没有换向阀的影响，空气不易渗入系统，故传动较平稳，液压冲击和能量损失小；控制技术由液压实现防止二次下滑和下放失速功能；全电控实现防止二次下滑和下放失速功能；散热环保节能油箱面积大，液压油经过油箱沉淀杂质；系统发热大，需要大功率的散热器才能散热充分；油箱体积小，无换向阀的节流损失，小功率的散热器就能满足要求；不从油箱直接吸油，避免交叉污染，减少污染几率；结构结构复杂,加有多种换向阀,故阀块布置分散,管路连接多；结构简单,管路连接少,布置方便；维修阀块较多, 故障点多；抗污染较泵和马达差，更易发生故障；阀块相对便于维修和更换,维修成本低；油路简单，阀块少，出现故障的几率低；出现故障时,一般为油泵或油马达,维修成本高；安全性安全性主要由液压系统保障，电控系统作为补充，主要是平衡阀的可靠性影响安全性。除了液压系统硬件保障外，电控系统设计的可靠与否对安全性至关重要。9.2.3 开式与闭式液压系统在履带起重机中的应用国内外发展现状如下：1）利勃海尔(LIEHERR) -闭式目前在大吨位履带起重机市场，利勃海尔是应用全闭式系统的典型代表，型号LR1280(280吨)，LR1350(350吨)，LR1400(400吨)，LR1750(750吨)，LR1800(800吨)，LR11200(1200)都是采用全闭式系统，在闭式系统领域技术已经非常成熟。2）马尼托瓦克(MANITOWOC)-闭式马尼托瓦克生产的履带起重机系列产品，型号21000(907吨)，型号18000(600/750吨)，型号16000(400吨)，型号15000(250吨)等都是采用了全闭式系统。起重机的性能也是居于世界一流水平。3） 特雷克斯-德马格(TEREX-DEMAG)-开式特雷克斯-德马格的产品遵循其一贯的设计风格，不管是小吨位(50吨)还是超大吨位(1250吨)，都是开闭式结合系统(回转系统是闭式，其它系统为开式)，也在其产品上将开式系统发挥得淋漓尽致。4）三一科技-大部分闭式三一科技是目前履带起重机业务发展最为迅速的企业之一，在其开发的400吨履带起重机上，回转机构和起升机构都采用了闭式系统，变幅机构采用了开式系统。在其推出的900吨级履带起重机中，已经采用了全闭式液压系统。因此，可以看出，三一已经基本掌握了闭式系统的核心技术，产品性能也在实际作业过程中得到了检验，三一科技在闭式系统技术的产品应用程度上已经走在了国内的前列。5） 徐工、抚挖、浦沅等-开闭式结合从目前国内其他厂家的产品看，大部分厂家的大吨位起重机除了回转是闭式外，最关键的起升系统都是采用开式系统。总结国内外闭式系统在履带起重机中应用的发展现状可知： 小吨位(200吨以下)以开式系统为主，国内和国外相类似； 技术领先型企业大多走闭式系统道路：大吨位起重机技术力量走在最前面的两家公司，LIEBHERR和MANITOWOC采用了全闭式系统，而传统的起重机厂商DEMAG考虑产品的继承性，则一直沿用其开式系统； 国内已经开始掌握闭式系统关键技术，并逐步在产品上得到应用，但仍需要一段时间的摸索和尝试； 老牌传统企业由于受当时技术条件的限制，只能做开式系统；随着闭式系统技术成熟，后起之秀大多做闭式系统。9.3 主要工作机构的液压回路履带起重机起升、变幅、回转、行走等工作机构的液压系统一般是变量系统，一般有三种组合形式：1）变量泵定量马达。在该回路中，用变量泵调速，变量泵的排量可在零到最大值之间变化，调速范围广，而且变量泵可通过零点实现换向，因此可应用在闭式回路中。2）定量泵变量马达。在该回路中，用变量马达进行调速，但随着马达排量的减小，马达内部的摩擦阻力会迅速增加，使其不能正常工作，故该组合调速比小，只有34。且变量马达不能通过零点进行换向，因此只能应用在开式回路。3）变量泵变量马达。在该回路中，用变量泵换向和调速，以变量马达辅助调速，以达到更大的调速范围。9.3.1 起升与变幅机构液压回路在履带起重机液压系统中，起升机构和变幅机构都通过马达驱动减速机并带动卷筒转动，其结构形式和液压回路基本相同。履带起重机起升机构液压系统多采用变量泵变量马达的驱动形式，可通过变量泵与变量马达实现大范围调速。变幅机构的液压回路与起升机构不同点在于，变幅不需要很大的调速范围，所以变幅机构一般为变量泵定量马达的液压回路。履带起重机的液压系统一般有液控和电控两种控制方式，液控系统即采用液动式主阀和液控手柄，调节液控手柄的开度可以给主阀以不同的压力信号，从而调节主阀不同的阀口开度；电控系统即采用电动式或电液动式主阀和电控手柄，调节电控手柄的开度可以给主阀以不同的电信号，从而调节主阀不同的阀口开度。图9.5和图9.6分别为起升机构的液控和电控开式回路。图9.5 起升机构的液控开式回路的原理图1）滤油器；2）主泵；3）压力补偿阀；4）先导泵；5）溢流阀；6）操作手柄；7）平衡阀；8）变量马达；9）制动器；10）制动器控制阀；11）梭阀；12）主阀；13）安全阀主阀12的阀芯方向及其阀口开度由操作手柄6进行调节，当主阀12置于右位时，油液经滤油器1进入主泵2，经平衡阀7使马达8正转，带动重物上升。与此同时，油液经梭阀11引入制动器控制阀10的进油口P口，依次经过阀10的顺序阀、减压阀，从油口A口进入制动器，打开制动器。当操作手柄6不动作时，主阀12在对中弹簧的作用下恢复到中位，制动器中的油液经阀10的A口、L口流回油箱。当主阀12置于左位时，油液带动马达8反转，使重物下落，此时平衡阀7的远控口受到压力油的作用，推动平衡阀7的阀芯，调节其开度，使重物平稳下落。先导泵4一般为齿轮泵，其出口压力为溢流阀5的调定压力，通过操作手柄控制先导油液的压力以控制主阀的动作。阀13为安全阀，限制整个液压系统的最高压力，当系统压力高于安全阀设定压力时，安全阀打开进行卸荷，以保护整个液压系统。阀3称为旁通式压力补偿阀，通过梭阀11，将系统的最高负载压力传递给压力补偿阀3，假设此时的压力为p2，令压力补偿阀5的弹簧力为F，阀芯作用面积为A，泵的出口压力为p1，则p1A=p2A+F，即p=p1-p2=F/A，p即是主阀12阀芯两端压差。由流体流过节流口的伯努利流量方程可知，当节流口两端压差p恒定，通过节流口的流量只与节流口的开度有关，即通过换向阀的流量与换向阀阀芯的位移量成正比，可以方便的实现流量控制。图9.6为电控式液压回路，采用的是电液动式主阀，主阀11的换向及阀口开度的大小，是通过给主阀11的电磁铁以不同的电信号进行控制的。制动器的开启和关闭，是通过电磁阀6的得电与失电进行控制的。通过电磁阀6的延时给电，可使制动器的打开滞后，可防止在驱动力矩未充分建立前重物下落。图9.6 起升机构的电控开式回路的原理图1）滤油器；2）主泵；3）压力补偿阀；4）先导泵；5）溢流阀；6）电磁阀；7）平衡阀；8）制动器；9）变量马达；10）梭阀；11）主阀；12）安全阀9.3.2 回转机构液压回路为保证履带起重机正常工作，回转时回转速度不能太大，但又要同时兼顾作业效率，一般回转速度为12转/分钟。回转机构回转时要平稳可靠，起、制动时冲击要小，因此履带起重机回转液压回路多采用变量泵定量马达组合的闭式回路。图9.7为回转机构的闭式液压回路原理图。图9.7 回转机构闭式回路的原理图1）主泵；2）补油泵；3）油箱；4）滤油器；5）溢流阀；6）二次溢流阀；7）压力切断阀；8）电磁阀；9）定量马达；10）电比例阀闭式回路中，主泵1的出油口直接与液压马达9的进油口相连，在这个系统中，主泵1既是液压能源，又是主要的控制组件，通过给电比例阀10输入不同的电信号，调节主泵1的排量，从而改变其流量的大小和方向，就可以改变液压马达输出速度的大小和方向。因为泵和马达存在泄漏现象，故补油泵2通过二次溢流阀6的单向阀向系统的低压管道补油，补油压力是由溢流阀5设定的。系统的最大工作压力由阀6的高压溢流阀所限定。阀7为压力切断阀，它将系统的压力通过梭阀引到溢流阀的远控口，当达到设定的压力值之后，溢流阀打开，泵的排量迅速调整为零，该阀在回转机构加速或减速时可阻止高压溢流阀的开启。压力切断阀的设定值比高压溢流阀的设定值低3MPa左右。当给以电信号时，电磁阀8打开，回转马达的进油口与回油口相通，可实现自由滑转。若履带起重机吨位较大，一个马达提供不了足够的驱动力矩，可在回路中并联两个或多个马达，以达到回转所需的驱动力矩。补油泵2的作用是：向系统的低压管道补油；在低压管道形成一定的低压，改善泵的吸入性能，防止气蚀现象和空气渗入系统，可容许主泵提高工作转速；通过补油油路中油液的循环，使系统温度下降。9.3.3 行走机构液压回路履带起重机一般用于工作性和短距离运输性移动，且运行速度较低，要求行使时稳定性好、运行冲击小。目前履带起重机多采用双速行走马达。图9.8为行走机构开式液压回路的原理图。图9.8 行走机构开式液压回路的原理图1）滤油器；2）主泵；3）压力补偿阀；4）先导泵；5）溢流阀；6）主阀；7）梭阀；8）减压阀；9）双向平衡阀；10）缓冲阀；11）制动器；12）行走马达；13）安全阀主阀6采用电液动控制，给主阀6的电磁铁以不同的电信号，可以控制其不同的阀口开度。当主阀在左位或右位时，油液经双向平衡阀9，驱动马达转动。与此同时，油液经梭阀7和减压阀8引入制动器，打开制动器以实现马达旋转。当主阀位于中位时，制动器中的油液在制动器弹簧力的作用下，经减压阀8的A口、L口流回油箱。阀9为双向平衡阀，用于避免在行走中出现不希望的前冲或后退。阀10为行走缓冲阀，可吸收在行走过程中出现的压力冲击。行走机构的驱动马达多采用双速行走马达，图9.9为液控两点变量马达工作原理，可通过在X油口施加控制压力和不施加控制压力使马达排量分别为最小和最大。图9.9 液控两点变量马达的原理图9.4 液压系统的设计计算及元件选择履带起重机液压系统的设计计算通过液压元件主要参数的计算和选择来完成，需设计或选用的液压元件包括液压马达、液压缸、液压泵、液压油管，以及阀类元件、滤油器、蓄能器、冷却器和加热器、油箱等。9.4.1 液压马达主要参数的计算起重机常用的液压马达分为高速液压马达和低速液压马达。高速液压马达的主要性能特点是转速高、负载扭矩小、体积紧凑、重量轻，在机构传动中需与相应的减速器配套使用，以满足机构工作的低速重载要求。高速液压马达应用较多的有摆线齿轮马达和轴向柱塞马达等。低速液压马达的负载扭矩大、转速较低、平稳性较好，可直接或只需一级减速驱动机构，但体积和重量较大。内曲线径向柱塞或球塞马达和轴向球塞式马达是低速液压马达较常用的型式。履带起重机常用的是高速液压马达。液压马达的工作负载转矩包括稳定工作状态下的负载静转矩、传动摩擦阻力矩，起动惯性负载转矩，且。工作负载大多是非恒定的，有时为阻力负载（又称正负载），如起升机构在提升吊重时所受的负载；有时为超越负载（又称负负载），如起升机构在下放吊重时所受的负载。摩擦负载如传动摩擦、密封件对运动件的阻滞和回油阻力等，是一种阻力负载，通常用效率和回油背压表示。惯性负载是执行元件的运动部分质量及其相联的机构运动件与负载质量在运动状态改变时产生的惯性力或力矩，一般由工作静负载乘以动载系数来计算。为全面、可靠地分析负载，应按最不利工况下的载荷组合计算执行元件所受的负载。液压马达的主要参数包括液压马达的排量和输入流量。式中，液压马达排量；T液压马达输出工作转矩；液压马达进出口的压力差；液压马达机械效率，齿轮马达=0.750.85，轴向柱塞马达=0.800.92。式中，液压马达输入流量；液压马达的转速；液压马达容积效率，约为0.850.98，齿轮马达取低值，柱塞马达取高值。9.4.2 液压缸主要参数的计算液压缸的主要参数为：缸筒内径（简称缸径）D、活塞杆外径d、工作行程S。对单活塞杆的双作用液压缸而言，如果伸和缩两个相反的行程以相同流量q进油，那么两个行程的速度是不同的，但这两个行程速度之比，即速比是恒定的。速比是液压缸设计计算中的重要参数之一，可表示为：式中，无杆腔进油时的速度；有杆腔进油时的速度。液压缸的内、外部结构取决于其应用要求和安装条件，因此在不同应用场合，其结构大都不能通用，加上D、d、S等参数的差别，许多情况很难从市场上买到完全符合需要的产品，往往需要设计人员自行设汁。9.4.3 液压泵主要参数的计算液压泵型式、规格和数量的选择需要考虑液压系统的型式、调速方式和工作条件，液压泵的额定工作压力、排量和流量，以及液压泵的驱动布置和吸油条件等因素。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。叶片泵运动平稳、噪声小、容积效率高，但其工作压力低，吸油能力差，对液压油的污染比较敏感，在履带起重机上很少应用。柱塞泵工作压力高、转速高、容积效率较高，在结构上容易实现变量。齿轮泵成本低、体积小、工作可靠、对液压油污染不太敏感。因此，柱塞泵与齿轮广泛应用在履带起重机液压系统中液压泵主要参数包括额定正作压力、液压泵流量和排量、驱动功率P。1）液压泵的额定工作压力式中，A储备系数，常取1.051.25；p系统工作压力；分别是系统的沿程阻力损失之和局部阻力损失之和，对节流调速的简单回路，这两项之和为0.20.5MPa，节流调速的复杂回路取0.51.5MPa，高压大流量时取高值。2）液压泵流量和排量式中，液压泵输出流量；K系统渗漏系数，一般取1.11.3；系统最大流量。式中，液压泵排量；液压泵容积效率，齿轮泵=0.800.95，柱塞泵=0.880.95；液压泵的转速。3）液压泵的驱动功率P式中，P液压泵的驱动功率；液压泵的总效率，齿轮泵=0.770.87，柱塞泵=0.810.88；n液压系统中液压泵的总数。9.4.4 油管的计算及选择油管在液压系统中主要用来把各种元件及装置连接起来传输能量。用于履带起重机液压系统中的油管主要有无缝钢管和高压软管两种。对油管的基本要求是要有足够的强度，能承受系统的最高冲击压力和工作压力。油管与各元件及装置的连接处要密封可靠、不泄漏、不松动。1）油管内径的计算式中，d油管内径；q流经油管的最大流量；v油管内液体的推荐流速。表9.2 液压系统油管推荐流速吸油管压油管回油管流速（m/s）运动粘度（mm2/s）流速（m/s）压力（MPa）流速（m/s）1500.62.52.531.74.51000.7553.54501.2104.55301.320562067油管内液流流速越高，油管的尺寸越小，但沿程损失和液流冲击会随液流流速呈平方关系增加，系统传动效率下降。同时，油温升高，回油背压加大，振动与噪声加剧，液压元件的寿命下降。因此，不可盲目提高油管内的油液流速。2）油管壁厚的计算式中，油管壁厚；p管内可能的最大油压；管材许用应力，MPa。，管材抗拉强度；n安全系数，当p7MPa时，取n=8；当p17.5MPa时，取n=4。9.4.5 其他液压元件设计和选择1）阀类元件的设计与选择阀类元件需按其承受的最大工作压力和流量进行设计或选择，同时保证它们的使用工况和安装型式符合主机要求。压力控制阀根据工作压力和通过的最大流量来选取，其调定压力的上限一般是系统工作压力的1.1倍。流量控制阀根据工作压力、通过的最大流量和最小稳定流量来选取。方向控制阀根据工作压力、最大流量和所需的滑阀机能来选取。背压阀或补油阀的开启压力应达0.5MPa左右。对平衡阀的选择，应满足其性能要求和安装条件，尤其是流量，因为在液压缸驱动的工作机构中，当使用同一系统流量，有杆腔进油而无杆腔回油时，回油量比进油量大得多。平衡阀的先导压力应大于制动器的开启压力。选择阀类元件时，应注意以下几个问题：尽量选择标准定型产品；阀类元件的额定流量一般大于或等于通过该阀的最大流量，必要时，也允许实际流量大于额定流量，但不应超过20%；流量阀按系统所需的流量调节范围来选取，其最小稳定流量应满足执行元件最低速度要求。2）滤油器的选择滤油器是液压系统中对油液进行过滤净化的重要元件。通常根据系统中液压元件情况选取相应的滤油器及其安装位置。在液压泵的进油口常用网式滤油器，以减少进油阻力，并起一定的滤油保护作用。在系统的回油油管中多装有较高滤油精度、大流量规格、带脏堵报警和保护的可换滤芯式滤油器。对滤油精度有特别要求的液压元件，可按该液压元件所处油管最大工作压力和流量及相应的滤油要求，选取高压管式纸质滤油器、烧结式滤油器或金属滤芯滤油器。在滤油器的选择中，还应注意液压油必须与滤油器材料相容，流量规格的匹配，不选用明显小于相应油管流量的滤油器。虽然选择高过滤精度的滤油器可显著提高液压系统工作可靠性和液压元件的寿命，但是过滤精度越高，滤油器的滤芯往往堵塞的就越快，清洗或更换滤芯就越频繁，加上高精度滤油器价格贵成本高，因此，应根据具体情况选择适当过滤精度的滤油器，达到所需的油液清洁度。此外，还要考虑滤油器的压降特性、纳垢容量、工作温度和安装条件等。3）蓄能器的选择蓄能器在液压系统中能储存能量，吸收脉动压力和冲击，补充泄漏液体，保持恒压和用作辅助或紧急动力源。因此，在选取蓄能器时，应按系统允作的最低、最高工作压力和蓄能器的有效工作容积与用途，确定它的结构型式，规格和安装条件等。4）冷却器和加热器的选择冷却器的选择主要依据液压油进入冷却器的温度、冷却器应带走的热量、通过冷却器的液压油流量与压力，工作压力与安装条件等。加热器主要用于严寒地区工作的起重机液压系统。选择加热器时，主要根据加热液压油品质和容积，以及温升速率，确定加热器功率，再选取加热器的安装方式和结构型式。也可采用在较小温升速率时的泵油加热方式。5）油箱的选择或设计油箱在液压系统中的主要功能是：贮存供系统工作循环所需的液压油；散发系统工作过程中产生的一部分热量；促进油液中的空气分离及消除泡沫。油箱的容积通常是指油箱液面高度为油箱总高度的80%时油箱的贮油体积。在行走机械中，为了保证整机的机动性，减轻自重，便于行驶，油箱的容积一般为系统最大流量的1.11.5倍。履带起重机常取1.1倍，油缸机构较多的机器取较大值。9.5 负荷传感与压力补偿原理及应用9.5.1 负荷传感控制系统20世纪90年代初，履带起重机液压系统开始采用负荷传感控制系统（Load sensing，简称LS）。负荷传感控制系统具有感知负载工况流量、压力，从而调整供油单元的运行状态，向系统提供负载所需的压力、流量等特点。与传统液压系统比较，采用负荷传感控制的液压系统的主要优点如下：1）节能效果显著。传统的液压系统，无论采用定量泵还是变量泵，总要有一部分液压油经溢流阀溢流回油箱，浪费了一定能量。而使用负荷传感变量系统，泵的流量几乎全部用于负载上，减少了流量损失。2）流量控制精度高，不受负荷压力变化的影响。3）几个执行元件可以同步运动或以某种速比运动，且互不干扰。负荷传感控制系统有阀控制负荷传感和泵控制负荷传感两种基本方式，但以微处理器为核心的泵阀联合控制方式是发展趋势。图9.10为典型的负荷传感控制回路。图9.10 负荷传感控制阀系统1）LS变量泵；2）LS调节阀；3）压力补偿阀；4）节流阀；5）执行机构A；6）执行机构B；7）节流阀；8）梭阀；9）压力补偿阀负荷传感控制阀的基本原理可用流体流过节流口