现代全液压挖掘机多路阀的功能

1、第 21卷 第 3期 重 庆 建 筑 大 学 学 报 V ol. 21N o. 3 1999年 6月 Journal of Chon in Jianzhu Universit Jun. 1999现代全液压挖掘机多路阀的功能陈世教 , 洪昌银 , 刘 琛(重庆建筑大学 机电工程学院 400045摘 要 用川崎 K MX15R 挖掘机多路阀为例 , 分析了当今全液压挖掘机对多路阀所提出 的一些特殊功能的要求以及多路阀为实现这些功能的结构原理 。关键词 全液压挖掘机 ; 多路阀 ; 功能中图法分类号 T U621文献标识码 A随着世界性的技术进步 , 当今全液压挖掘机的液压系统将高效 、 节能 、

2、操作舒适 、 安全 、 可靠作 为其主要追求目标 , 相继开发出多种形式的液压系统和元件 。 作为液压系统的关键元件之一的多 路阀 , 除了要满足对动臂 、 斗杆 、 铲斗三组液压缸以及回转 , 左 、 右行走马达等六个执行元件进行换 向 、 单动 、 复合动作 , 双泵合流供油控制以及对元件的过载保护等功能外 , 当今液压挖掘机对多路阀 还提出了向主泵提供流量控制信号 , 节能 、 行驶与作业复合动作 , 主安全阀两级压力控制等多种功 能的要求 。 本文拟用日本川崎重工株式会社九十年代开发的 K MX15R 型多路阀为例 (图 1 , 分析现 代液压挖掘机对多路阀提出上述功能的原因以及多路阀

3、为实现这些功能的结构原理 。1主泵流量控制信号的提供当今全液压挖掘机在提高生产率的同时 , 为了尽量降低能量损失 , 要求回路中在没有执行元件 工作时使主泵的排量自动降到最小 ; 当执行元件工作时 , 若阀芯全开 , 主泵的排量自动增大提高作 业速度 ; 阀芯微动调速时 , 主泵的排量自动地与执行元件需要的流量相适应 。 从而减小阀芯处于中 位以及进行微动过程中系统的溢流损失 。 为此 , 液压挖掘机普遍采用了带负载敏感阀 (Load S ensin g Valve 的变量主泵 , 利用主泵与执行元件之间的节流压差 P 作为控制信号调节主泵排量 (见图 2 (a 。 当 P 升高时 , 主泵排

4、量减小 ; 而当 P 下降时 , 主泵排量增加 。 即所谓的“负流量控制” (Ne g ative F low C ontrol 。 为了满足主泵这种控制需要 , 液压挖掘机的多路阀要能够感受到系统对流 量需求的信号且对该信号进行采集并送到主泵 。K MX15R 型多路阀在两条中位回油油路上设置了簿壁小孔节流阀 NR1和 NR2以及与它们并 联的两个溢流阀如图 2(b , 将两回路中节流前的回油压力信号 P 1、 P 2分别从油口 F r 、 F l 取出送 到主泵的控制系统 。 这时 , 两条回路中换向阀阀芯开度分别与 NR1、 NR2组成了两个可变节流口的节流阀 。 节流前后压差由节流阀的

5、特性方程 P =2K A 2得到 。其中 , K 系数 ;Q 通过节流口的流量 ;A 节流口通流面积 。当回路中所有换向阀阀芯处于中位 , 泵的全部流量穿阀卸荷时 , 通过节流口的流量 Q 达到最大 值 。 由上述方程 P =P max (P max 由与 NR1或 NR2并联的溢流阀调定 由 F r 或 F l 取出的信号使主 泵的排量自动减到最小 。 当回路中某换向阀全开时 , 由于主泵的流量几乎全部进入相应的执行元 文章编号 :1006-7329(1999 03-0023-06收稿日期 :1998-04-27作者简介 :陈世教 (1949- , 男 , 湖南常德人 , 重庆建筑大学副教授

6、 , 主要从事工程机械研究。第 3期 陈世教等 :现代全液压挖掘机多路阀的功能 25 件 , 通过 NR1或 NR2的流量几乎为零 , 则 P =0。 由 F r 或 F l 取出的信号近似等于系统的回油背压 , 该信号使主泵的排量自动增加到最大 , 以满足作业速度的需要 。当回路中换向阀阀芯处于微动时 , 主泵的流量经换向阀的分流部分进入相应的执行元件 , 其余部分经 NR1或 NR2回 油箱 。 该部分流量介于上述两者之间 , 则 P 有 0<P <P max , 使主泵排量介于最大和最小排量之 间而与执行元件的需求相适应 , 既满足了速度的要求又降低了不必要的溢流损失 。2再

7、生回路的设置液压挖掘机作业过程中工作装置频繁提升和下降 , 当动臂 、斗杆举升时 , 液压能被转化为工作装置的势能 :当它们下降时 ,该势能又转化为液压能 。 在传统的多路阀中 , 往往通过在动臂缸大腔 、 斗杆缸小腔回油路上设置单向节流阀 , 限制工作装置因自重造成的超速下降 , 致使其下降过程由工作装置势能转化成的动能 , 经动能转化成的液压能因节流发热增加了系统的热负荷 , 降低了液压系统的效率 。 现代液压挖掘机的多路阀 , 通过设置再生回路 (Re g eneration C ircle 回收部分势能最终转化成的液压能 , 降低系统发热 , 既加快了工作装置的下降速度又防止了其超速下

8、降 。在 K MX15R 型多路阀中 , 斗杆 1换向阀有两个回油通道T 1、 T 2, 且在 T 1通油箱的通道上设置了一个二位二通阀 (如图 3 , 并从斗杆大腔进油通道上将压力油引至该二位阀底部 。 当斗杆缸大腔进油压力升高 , 作用于二位阀底部的力大于其上端弹簧力时 , 该二位阀向上换位 , T 1回油 通道接通 。 否则 , 二位阀处于图示位置 , T 1回油通道被切断 。当斗杆 1换向阀芯右移 , 主泵向斗杆缸小腔供油时 , 斗杆缸大腔回油 。 此时斗杆缸大腔经 T 2回 油畅通 , 压力不高 , 二位阀处于图示位置 。 大腔回油经 T 2返回油箱 , 斗杆上升 。 当斗杆 1换向

9、阀芯左 移而主泵对斗杆缸大腔供油 , 铲斗不触地时 , 在斗杆 、 铲斗及斗内物料自重的作用下 , 斗杆会迅速下 降致使斗杆缸大腔的压力降低 , 二位阀处于图示位置 。 由于此时斗杆缸小腔经 T 1通往油箱的通道 图 2(a 主泵负流量控制图 3斗杆缸传动回路中的再生油路 图 2(b K MX15R型多路阀向主泵提供负流量控制信号26重 庆 建 筑 大 学 学 报 第 21卷 被切断 , 该腔压力必然上升 , 当其高于大腔压力时 , 小腔压力油打开主阀芯内设置的单向阀进入斗 杆缸大腔对其补油防止大腔吸空 , 下降过程中由势能经动能转化的液压能被回收利用 。 若设斗杆 缸大 、 小腔作用面积以及

10、斗杆缸行程分别为 A 1、 A 2和 L , 当采用传统的多路阀时 , 斗杆缸伸出过程 中从小腔排出的压力油 A 2L 全部经节流阀返回油箱使系统发热 。 设泵的供油量为 Q , 则此时斗杆 A 1。 而设置了再生回路的 K MX15R 型多路阀在同样的过程中 , 若不计损失 , 从斗杆 缸小腔排出的这部分压力油被全部回收供给其大腔 , A 1-A 2, 在节 能的同时又加快了斗杆的下降速度 。当斗杆继续下降铲斗触地 , 由于斗杆缸继续伸出受阻 , 导致其大腔压力上升直到其大于小腔压 力时 , 换向阀芯内单向阀被关闭 。 由于小腔回油被切断又进一步使大腔压力升高 , 当大腔压力油产 生的作用力

11、足以克服二位阀上端弹簧作用力使二位阀换位时 , T 1回油箱通道被接通 , 小腔回油畅 通 , 斗杆缸即转入挖掘状态 。当今液压挖掘机的多路阀有的还在动臂缸大腔回油路上设置类似的再生回路 , 回收动臂下降 过程中的势能 , 其工作原理与上述相同 。3直线行驶阀的功能及主安全阀两级压力设定全液压挖掘机在一般情况下左 、 右行走马达工作时 , 两主泵分别向两行走马达供油 。 若主泵为 定量泵或全功率变量泵 , 无论由地面附着力所决定的两主泵的瞬时工作压力相等与否 , 两主泵向行 走马达的供油量均保持相等 (为简化起见 , 这里不考虑两主泵 、 两行走马达及其换向阀容积效率和两屐带张紧程度的差异 。

12、 下同 。 , 整机的直线行驶性能即可保证 。 若主泵为分功率变量泵 , 只要由地面附着力决定的两主泵的工作压力均小于各自的起始变量压力且两主泵最大流量相同时 , 由于 两主泵均向各自的行走马达供给最大流量的压力油 , 此时两屐带行走直线性也可保证 。 只是由地 面附着力决定的两个主泵的工作压力不相等且分别超过它们的起始变量压力时 , 整机的直线行驶 性能才不能保证 。 对于采用交叉恒功率调节的变量泵 , 往往与负流量控制配合使用 。 若两条屐带的 行走阻力相等 , 只要控制左 、 右行走马达的换向阀开度一致时 , 两主泵流量保持相等 , 挖掘机直线行驶性能也能保证 。 当今全液压挖掘机的多路

13、阀设置直线行驶阀(Strai g ht T ravel Valve 的目的并不是为了解决两行走马达同时驱动时整机直线行驶性能 , 而是为了在两个行走马达同时工作时还可与动臂 、 斗杆 、 铲斗三组液压缸及回转马达这四个执行元件之一或它们任意两者以上作复合动作 , 以满足挖掘机特殊作业之需要 。 为了实现这一功能 。 要求多路阀能自动地将一般作业状态下一个主泵向左 (右 行走马达 、回转马达 、斗杆液压缸供油 , 另一主泵向右(左 行走马达 、 动臂液压缸 、 铲斗液压缸供油的方式切换成一个主泵同时向左 、 右行走马达供油 , 另一主泵可同时向其余的执行元件供油的方式 。这时 , 只要两行走马达

14、的负载相同 , 液压系统即可保证整机边作业边行走的直线性能 。 图 4直线行驶阀及导阀在 K MX15R型多路阀中的作用第 3期 陈世教等 :现代全液压挖掘机多路阀的功能 27在 K MX15R 型多路阀中 , 通过设置直线行驶阀 T S 及导阀 SQ 以及换向阀中位的控制油道来实 现上述功能 。 由图 4可见 , 当换向阀全在中位时 , 来自控制泵的压力油经节流阀 NZ x , NZ y 分成两 路 。 一路经 NZ y 穿过左边的回转 、 动臂 2、 斗杆 1、 换向阀后经右边的铲斗 、 动臂 1、 备用阀 , 即穿过除 两行走马达以外的所有执行元件的换向阀中位油道回油箱 。而另一路则经

15、NZ y 依次穿过左行马 达 、 右行马达的换向阀中位油道之后也回油箱 。 此时 , 两路控制油的压力均等于回油背压 , 阀 T S 和 SQ 处在图示位置 。 由图 4还可看到 , 所有这些阀芯一旦离开中位进行换向 , 两路控制油的回油通道 均被切断 。当三组液压缸和回转马达任意一个元件单动或者它们之间作复合动作时 , 经 NZ x 节流阀的第 一路控制油的回油通道则被相应的换向阀芯切断 , 该路油的压力随即上升至等于伺服控制压力 。 压力油在 SQ 阀的进油口处于待命状态 。 此时若不操作行走马达的换向阀 , 两主泵供油方式不会改 变 , 挖掘机即为正常挖掘状态 。 但若控制行走马达的换向

16、阀同时或任意一个换向 , 则经 NZ y 节流阀 的第二路控制油的回油通道也被切断而压力上升至等于伺服控制压力 。此压力油将导阀 SQ 下推 换位 。 而在其进油口待命的第一路控制油道的压力油经 SQ 阀的通道左推 T S 阀换位 , 两主泵原供油 方式立即被转换成泵 1同时向左边的回转 、 动臂 2、 斗杆 1以及右边的备用元件 、 动臂 1、 铲斗 、 斗杆 2供油 ; 泵 2则同时向左 、 右行走马达供油 , 液压系统即转入边行走边作业状态 。 以上供油方式的转 换 , 与操作行走马达换向阀和操作其余四个执行元件换向阀的先后顺序无关 。 从上面的分析看到 , 将 T S 阀称为 “直线行

17、驶阀” 并不确切 , 该阀名称的字面意义与其实现的功能之间不能划等号 。 类似 情况在国外其他挖掘机的多路阀中也存在 。由图 4还可看到 , 经 NZ y 节流阀的控制油路的另一分支 P y 被引入系统主安全阀的弹簧腔 。 当 行走马达动作时 , P y 的压力也随着该油路的回油通道被切断而上升 , 从而推动主安全阀弹簧腔内 的活塞使弹簧进一步压缩 , 使系统主安全阀的调定压力在行走工况升高 , 即所谓主安全阀两级压力 设定 。 行走时系统压力升高提高了行走马达的最大输出力矩 , 增大了整机的牵引力 , 改善了液压挖 掘机的爬坡性能 。4工作液压缸 (动臂 、 斗杆液压缸 锁定液压挖掘机将铲斗

18、举离地面后 , 由于种种原因控制动臂或斗杆液压缸的换向阀暂时回到中位且此时发动机又处于怠速状态 , 如果换向阀的阀芯与阀体之间的间隙过大 , 存 在泄漏 , 即使上述液压缸无内漏 , 工作装置也会在自重作用下自动下降 。 特别是当铲斗内装满物料或用铲斗上的吊钩吊起重物时 , 工作装置自动下降往往会酿成事故 。 为了保证液压挖掘机安全 、 可靠运行 , 现代液压挖掘机日益普遍地在动臂缸大腔 、 斗杆缸小腔与其相应的换向阀之间设置锁定阀 (Lock Valve , 且多用一个逻辑阀与一个导阀组合在一起 , 实现对动臂缸大腔 、 斗杆缸小腔回油的锁定功能 。 它们的安装或者是与多路阀分开安装或者以螺

19、纹插装形式与多路阀组成一体 。在 K MX15R 型多路阀上 , 设置了斗杆液压缸锁定阀 。 由图 5看到 , 只要 HV 阀左端的控制信号 P x 的压力小于 HV 阀右端弹簧力时 ,HV 阀便处于图示位置 。 在斗杆 、 铲斗及斗内物料自重作用下 , 斗杆缸小腔的压力油经斗杆缸换向阀的回油通道被逻辑阀切断 。 这是因为压力油要由 B 腔进入逻 辑阀的 C 腔必须使逻辑阀的阀芯压缩 A 腔的弹簧左移 。 由于导阀 HV 右位的油道使 A 、 B 两腔互 图 5工作液压缸锁定阀及导阀工作原理28重 庆 建 筑 大 学 学 报 第 21卷通 , 且 A 腔作用面积大于 B 腔作用面积加上 A 腔

20、弹簧的作用力 , 致使阀芯不可能左移将 B 、 C 两腔 切断 , 此时斗杆缸被锁定 。 当 P x 压力上升到作用在 HV 阀左端的力克服该阀右端弹簧作用力使其 向右换位时 , 逻辑阀 A 腔经 HV 阀左位油道与油箱连通 , 斗杆缸小腔压力油只须克服 A 腔弹簧作用 力即可使逻辑阀的阀芯左移 , B 、 C 两腔互通 。 斗杆缸小腔与其换向阀的油道被连通 , 解除对斗杆缸 的锁定 。 解除对斗杆缸锁定的信号 P x 即为本文 3中经节流阀 NZ x 的控制油 。 只要三组液压缸和回 转马达任一元件动作时 , P x 压力就上升并等于伺服控制压力 , 对斗杆缸解除锁定 。 此外 , P x

21、也可用 梭阀将使斗杆缸换向阀换位的先导控制信号检索出来 , 一旦斗杆缸动作即可解除其锁定 。 现代液 压挖掘机除设置斗杆缸锁定阀外 , 有的还设置了动臂缸的锁定阀 , 其结构原理与上述相同 。 K MX15R 型多路阀是九十年代比较典型的为适应全液压挖掘机液压系统发展而设计的集多种 功能于一体的多路阀 。 除上述功能外 , 还有回转优先 , 某些液压缸阀内合流供油 , 逻辑控制回路藏 于阀内等功能和特点 。 目前该多路阀已陆续在贵州詹阳机械工业有限公司生产的 J Y 320型液压挖 掘机以及柳工机械股份有限公司生产的 LG 40、 LG 20型液压挖掘机的液压系统中得到运用 , 提高了 国产液压挖掘机的技术性能 。 随着现代液压挖掘机的不断发展 , 为满足主机要求 , 具有崭新功能和 结构特点的多路阀将会不断问世装备主机 , 使当今液压挖掘机的性能更加完善 , 操作更加安全可 靠 。参 考 文 献1初 田 . 稔 . 建设机械用油压机器 发展动向 C.日中液压气动技术交流团日方介绍资料 . 19