1、6.0000圖文2.1原系統工作原理及節流損失分析2.1.1裝載機工作裝置動臂部分概述下圖為裝載機工作裝置動臂部分的結構簡圖。就目前國內大部分裝載機而言，其工作裝置的動臂液壓缸換向閥 2用來控制動臂液壓缸的運動方向，使動臂能停在某一位置， 并可以通過控制換向閥的開度來獲得液壓缸的不同速度。動臂液壓缸換向閥是四位六通滑閥，它可控制動臂上升、下降、固定和浮動等四個動作。動臂浮動位置可使裝載機在平地堆積作業時， 工作裝置能隨地面情況自由浮動，在鏟掘礦石作業時可使鏟斗刃避開大塊礦石進行鏟掘，提高作業效率。當動臂舉升的時候多路換向閥執行圖示B位置的機能，液壓缸無桿腔進油，有桿腔回油，上升階段的速度靠控制

2、節流口開度，油液經過節流口有能量損失。當動臂下降的時候多路換向閥執行圖示A位置的機能，液壓缸有桿腔進油，無桿腔回油，為了控制鏟斗下降的速度，液壓油要通過多路閥節流口返回油箱，鏟斗和重物靠自身的重力就可下落，而工作泵在這個過程中并不泄荷，仍然不斷的給系統供油提供壓力和流量，這部分壓力能通過節流口轉變為熱能 ，嚴重影響液壓系統熱平衡。2.1.2能量損失部位分析裝載機的液壓系統能量損失主要體現在壓力能的損失上，在工作時壓力損失主要體現在液壓油經過多路換向閥時的壓力損失以及當工作油缸工作腔壓力達到或超過工作壓力時而引 起的溢流損失1, 溢流閥功率損失是很大的， 為了減少溢流損失應該在系統中安裝限位閥，

3、當系統運動到快限位時，限位閥配合系統動作，使多路閥回到中位，并且使工作泵卸荷，這樣就可以減少通過溢流閥的能量損失。2, 換向閥節流引起的損失：為了控制工作裝置的運動速度， 換向閥要對油液進行節流控制，裝載機工作裝置液壓控制系統所用的多路換向閥實際上就是比例方向閥，能對進口和出口同時進行節流控制。換向閥的節流使油液流經換向閥時造成能量損失，引起發熱，使系統效率降低，嚴重時會造成閥不能正常工作。尤其是當動臂下降時，是靠自重下降的，動臂下降很快，為了控制速度穩定， 多路換向閥通過節流產生很大背壓，來保持下降速度穩定。動臂從頂端限位到換向閥開始換向，動臂處于下降狀態，壓力急劇下降，動臂油缸下腔的壓力趨

4、于穩定狀態，但是為了保證下降的穩定，油缸下腔要通過多路換向閥節流產生背壓，從下圖可以看出，空載下降的背壓為3.2aMP，滿載下降的背壓達到 8aMP左右，顯然背壓很大，會造成很大背壓損失，由功率損失公式：N =專 Apflf (W) 式屮一工作周期一通過動秤液IE缸換向閥的CE力蓋i b迅)Q 通過勸晉液JK忙換向閥的流hl ( Z/min)J 一動臂下降的時問(s)從上面式子可以看出，為了減少背壓產生的能量損失，要盡量減少通過多路換向閥的流 量控制好換向閥節流不但減少換向閥本身消耗的能量損失，而且也可以減少管路上單向閥的壓損失。從而能減少工作裝置工作過程消耗的能量。所以在保持系統穩定情況下，

5、減小換向閥的節流是猶為重要的問題。2.2改進系統工作原理及能量損失分析閥的結構設計上，這方面的工作已趨于完善。因此，進一步的研究工作要擴展到換向閥 結構以外的范圍。手動先導比例減壓閥液控換向閥：1事二乞罔2. 8鯊載機1作裝迓先導挖制卜型竹濡彷茂進更理揃閨L腳臂灌壓缸 N話臂潘廂証換向閥3,溢流利仏油箱滾逋袖掘 &.液壓泵了臧希樂佝取I &飽益利如圖2.8為裝載機工作裝置先導控制下動臂部分改進原理簡圖，當動臂上升的時候，多 路閥處于A位置，與原系統相同，當動臂下降的時候，多路閥處于B位，從先導系統過來的壓力油打開液控單向閥 7,油缸兩腔實現差動連接，并且此時卸荷閥8打開，工作泵

6、直接泄荷回到油箱，無桿腔的油液一部分流入有桿腔給有桿腔補油，多余的油液經過多路閥節流回到油箱，實現對動臂下降速度的控制，這樣，由于工作泵的泄荷并且系統實現差動，通過多路閥節流回到油箱的油液減少，從而減少了經過多路閥的節流損失。223改進系統能量損失的分析當無桿腔進油，有桿腔回油時，即動臂處于舉升階段，此時系統執行功能和原系統相同， 為阻性負載壓降的回路系統，能量損失和原系統一樣再此不在介紹。當動臂處于下降階段時采執行差動連接的形式， 此時工作泵泄荷，動臂下降靠自重，無桿腔排出的油液給有桿腔補 油，多余的液壓油經節流回到油箱以控制下降的速度。2.4改進系統下降穩定性分析陽珂兒）乍流口的流電系敵越

7、巧-閥芯槍移為xF的通流面積Q液壓汕的密度由式（2.52）可知Cd、P、（A1_A2）為定值，每次的負載F也是定值，所以要控制下降的速度，只需要根據不同的F適當控制A（x）的大小，所以可以控制動臂下降的速度，系統可以達到穩定程度。第三章蓄能器為先導系統供油節能研究由動臂和鏟斗組成的，裝載機工作裝置的操縱控制，主要是通過軟軸操縱多路閥進行控 制的，這種操縱方式操縱力很大，勞動強度大，作業效率低。近年來在少數的裝載機上采用了液壓先導控制多路閥，液壓先導操縱具有安全、舒適、布置靈活及易于實現無級調速，工 作液壓系統采用了小流量的先導油路控制高壓大流量的主油路，使工作裝置的操縱力大為降低等優點，而日益

8、廣泛地采用， 這種控制系統需要除了工作和轉向泵以外的獨立壓力源，由于各個生產廠家不同、車型不同，所以它的壓力源也就有不同的形式。3.1液壓先導系統壓力源的形式1）先導泵+穩流閥、溢流閥+選擇閥此系統當發動機轉速在千轉以上，先導壓力油通過穩流閥使先導油流量穩定在8 12L/min （視不同機型確定），溢流閥將先導壓力穩定在 2.5 3.5MPa選擇閥起發動機熄火降臂 作用。該系統又分卡特型（圖3.1）和普通型（圖3.2）12)1£11宀Q f卜詁1 rLF9i_L2）制動泵+充液閥+穩流閥、溢流閥+選擇閥由于液壓濕式制動橋在工程機械上的應用逐漸普遍，許多制動系統采用充液閥，這就為 先導

9、系統提供了又一個壓力源。可以采用沖液閥口接穩流閥、溢流閥的方式獲得先導油源， 這個方式可優先保證沖液的情況下提供穩定的先導油源，如下圖（ 3.3）3）工作泵+多路閥內置減壓閥這種系統（如下圖 3.4）是美國HUSCO公司7100系列多路閥所提供的內置減壓閥，它 將主系統的油壓減小到 3MPa供給先導回路。A3MFa) -a.=IB3.3制動力洱工3 1菲路閥內專減壓網成壓力說4）力士樂先導壓力閥塊這種系統（下圖 3.5）是德國力士樂公司的MHSTE5G型先導供油系統，它通過梭閥將主系統的最高油壓取出后減小到3.5MPa供給先導回路Pl P2二學性山32-0. ThxvA1 3.5/5MFai|

10、 Irtajc 0. 2MPa陽玄鼻力七樂先聊廂力贈頼式汗力瀝3.2先導泵為先導系統供油分析3.2.1先導泵供油系統的原理雖然，液壓先導系統壓力源有很多種不同的形式，但是，目前國內裝載機采用液壓先 導系統控制多路閥的壓力源，大都是用定量齒輪泵做先導泵給其提供的。 了片ims先泉他先導油対I w裁魚潰圧糸逾心js n動畔油肛 丄轉斗湘乩 玄#躋腳先導閥 彳先導錄&轉I訕泵先導工作液壓系統主要由液壓油箱、工作泵、多路閥、先導閥、動臂油缸、轉斗油缸、 油管等部件組成它采用了掬于小流量的先導油路控制高壓大流量的主油路，并在低壓小流量的先導油路上設有油路安全鎖定閥，安全鎖定閥是為了防止誤操作而設

11、置的，它是一個二位二通電磁換向閥，當電磁鐵處于斷電位置時，也就是駕駛員將開關置于“關閉”的位置時， 對手柄的任何操作都不會對工作裝置產生任何動作。當安全鎖定閥的開關處于 “開啟”位置時，控制油液進入電液比例先導控制閥，通過操作手柄控制電液比例先導控制閥完成對動臂和鏟斗的動作控制。上圖中下部分是先導油路， 主要由先導泵、先導閥等組成。先導泵流出的先導油經油路 安全鎖定閥，再到先導閥，以控制多路閥主油路。 上部分是主油路，主要由工作泵、多路閥、 安全溢流閥、補油閥等組成。在先導控制油的作用下，通過多路閥滑閥不同的開啟方向，從 而改變工作油液的流動方向， 實現轉斗油缸和動臂油缸的不同的運動方向，或者

12、使鏟斗與動臂保持在某一位置以滿足裝載機各種作業動作的要求。從上圖及原理可以看出，這個系統的先導壓力源是有定量齒輪泵5通過一個溢流閥組成的，雖然定量齒輪泵的價格低廉，性能穩定，它可以穩定的給先導系統提供壓力油，但是由于系統的原理及工作過程決定，這種壓力源存在大量的能量損耗。322先導泵供油系統的缺陷用先導泵的液壓先導操縱有明顯的能量損耗。裝載機工作過程，大致為鏟裝、收斗、運輸，卸斗、動臂下降，在這個過程中如運輸等狀態，工作裝置不工作，多路閥處于中位狀態 時，整個先導系統也就處于封閉的狀態，這樣從先導泵流出的油液不給系統供油，全部經過溢流閥到油箱，溢流閥是元件中功率損失較大的元件，經過溢流閥損失的

13、壓力能最終會轉化為熱能，會嚴重影響到熱平衡， 對整個系統產生不良影響，而且只要裝載機發動機運轉先導泵就會不停的工作，這樣會給先導系統的可靠性帶來不良的影響，所以說用先導泵給先導系統供油對系統熱平衡和可靠性都會產生不良效果。3.3蓄能器為先導系統供油分析3.3.1蓄能器為先導系統供油概述蓄能器是一種用來貯存和釋放液壓能的裝置合理利用蓄能器是節約能源的手段之一。 因蓄能器是用來蓄積或儲存液壓能的容器，它的具體用途歸納如下：(1) 作儲存能量用。若機器在一個工作循環中其最大需油量比平均流量大很多時，可在系 統中裝一臺蓄能器來補充峰值流量的需要，以減少油泵和原動機的容量，并降低運轉費用。(2) 緩沖和

14、吸振。系統安裝蓄能器來吸收能量，可以減小系統的壓力沖擊和緩和壓力脈動。(3) 作應急能源。蓄能器可以作為油泵發生故障或突然停電時的應急能源。(4) 保壓。對于執行機構不動作而又需要保持恒定壓力的系統，設置蓄能器后，在保壓的 同時，油泵可卸荷，避免功率損耗。對于間歇運行的液壓系統.或在一個工作循環內速度差別很大.即對油泵供油量的要求差別很大，這樣的液壓系統使用蓄能器.在其需要供油量大時，讓蓄能器與泵一起供油，這樣便可選用較小流量的泵，不但減小傳動功率，還可減小泵 源占地面積，節省投資。基于蓄能器做動力源的作用，所以它可以給先導系統提供壓力油源。3.3.3蓄能器為先導系統供油原理nxs stt器個

15、先詁ttfer匸作裝買液壓廉統UJ1圏I動紬M 2.訶斗油泣3齢畸閥4.光制闕5蓄碟器出單向閔匸轉向豪此系統同先導泵為先導供油系統的差別如圖所示，用單向閥6和蓄能器5取代原來的先導泵，從裝載機工作過程來看， 出于安全方面的因素， 整個工作過程很少有工作裝置和轉向 系統同時工作的情況，這樣在轉向系統不工作時，轉向泵7通過單向閥6為蓄能器5充油,蓄能器充滿是個很短暫的過程，當蓄能器充滿時轉向泵 7多余的油液將回到油箱，當工作裝置需要動作時，蓄能器 5的油液迅速釋放，為先導系統提供壓力油，控制工作裝置的運動， 整個系統的原理來看，只要轉向系統不工作，轉向泵就為蓄能器充油， 直到充滿為止，這樣蓄能器就

16、可以有足夠的液壓油，源源不斷的為先導系統供油。334蓄能器為先導系統供油優點從以上介紹的兩種不同的壓力源為先導系統供油原理可以看出，用蓄能器為先導系統供油，這樣可以取代先導泵，減少油液的能量損失。所以蓄能器為先導系統提供油源，由轉向泵間歇性為蓄能器供油就原系統而言，無論是先導系統正常工作還是處于溢流統取消先導 泵，它相對于改后的系統都是能量損失，如果不分能量最終要由液壓能會轉為熱能，影響系統的熱平衡，而的動作，這樣也比原系統提高了可靠性。3.4.2整個工作液壓系統模型分析由蓄能器為先導系統供油， 工作泵為定量的齒輪泵， 且有溢流閥，當達到一定壓力時工 作泵溢流，所以整個工作裝置的系統模型的建立

17、可以把工作泵的壓力視為常數，又先導系統的換向閥只是起到換向的作用， 對先導系統的壓力影響可以忽略， 故液壓系統可簡化為下圖：H3.il上面為電液比例減壓閥從上式可以看出，負載的流量變化和比例減壓閥的輸出壓力是線性關系，也就是說，如果比例減壓閥的輸出壓力是穩定的那么負載的速度就是穩定的。由比例減壓閥的原理可以知道， 無論比例減壓閥的輸入壓力 P怎樣變化，系統的輸出壓力 Pc總是穩定的值，也就是說，雖 然蓄能器的輸出壓力是變化的，隨著氣體體積的增大而減小，但是蓄能器的輸出壓力P經過比例減壓閥后的輸出壓力 Pc是穩定的，對負載的運動是穩定的，系統的穩定程度取決于 比例減壓閥的動態特性，和整個系統的總

18、體匹配情況。第四章工作泵的節能研究裝載機在不同工況時動力源的能量消耗往往有很大差別。供過于求，動力源的輸出流量過剩和壓力過剩是造成能耗的根本原因。所以提高匹配效率是動力源節能的最有效辦法， 也就是要流量適應動力源，即泵供給系統的流量自動地和需要量相適應、沒有流量過剩，它能將流量損失減到最小的程度。但是要實現流量適應控制必須采用變量泵。而變量泵的價格高，裝載機的生產廠家為了占據市場，就要降低成本，所以目前國內的裝載機大部分的壓力源采用的是定量齒輪泵。定量泵具有簡單、價廉、可靠等許多優點，所以若能根據工況特點采用簡單措施合理利用其輸出能量，也能達到一定的節能效果。4.1單工作泵系統分析4.1.1單

19、工作泵系統結構和原理下圖為裝載機單工作泵工作裝置液壓系統原理圖，目前裝載機的工作液壓系統的實現方式有幾種不同的類型， 但大部分只是多路閥的控制方式不同，動力源部分基本相同， 所以本文就以下面的普通、常見的50型裝載機液壓系統來做以分析。動臂液壓缸換向閥 3和轉斗液壓缸換向閥 4，用來控制轉斗液壓缸的和動臂液壓缸的 運動方向，使鏟斗和動臂能停在某一位置，并可以通過控制換向閥的開度來獲得液壓缸的不 同速度。轉斗液壓缸換向閥是三位六通滑閥，它可控制鏟斗前傾、 后傾和固定在某一位置等三個動作；動臂液壓缸換向閥是四位六通滑閥，它可控制動臂上升、下降、固定和浮動等四個動作。動臂浮動位置可使裝載機在平地堆積

20、作業時，工作裝置能隨地面情況自由浮動，在鏟掘礦石作業時可使鏟斗刃避開大塊礦石進行鏟掘，提高作業效率。T 1 2裝迓嘰：杵書遙浹爪帀綢I I-AJI &|工T”驗1-.畝 工動竹決£E缸按向叫 L粘斗矗£亂按冋倒氏電旬呷6適和熬 6 iii fc-Hj g心樸況氣TViFI女住叫lo.幷葉腔用疋上哪II 9M無桿腔雙作用安全閥 9和有桿腔雙作用安全閥 10.它由過載閥和單向閥組成， 并聯裝在轉斗 液壓缸的回路上，過載閥一般壓力調定在，無桿腔雙作用安全閥為16aMP，有桿腔雙作用安全閥為8aMP其作用由三個：a）當轉斗液壓缸滑閥在中位時，轉斗液壓缸前后腔均閉死，如鏟斗受

21、到額外沖擊載荷，引起局部油路壓力劇升，將導致換向閥和液壓缸之間的元件、管路的破壞。設置過載閥即能緩沖該過載油壓。b）在動臂升降過程中，使轉斗液壓缸自動進行泄油和補油。裝載機連桿機構上設有限位塊，當動臂在升降至某一位置時，可能會出現連桿機構的干涉現象。例如動臂在提升至某一位置時，會迫使轉斗液壓缸的活塞桿向外拉出，造成轉斗液壓缸前腔壓力劇升，可能損壞油圭寸和油管，但由于有過載閥，可使困在液壓缸前腔中的油經過過載閥泄出，返回油箱。而同時后腔容積增大，造成局部真空，緩沖補油閥中的單向閥隨即打開，向轉斗油缸后腔補油。c）裝載機在卸載時，能實現鏟斗靠自重快速下翻，并順勢撞擊限位塊，使斗內剩料卸凈。當卸料時

22、，壓力油進入轉斗液壓缸前腔實現轉斗。當鏟斗重心越過斗下鉸點后，鏟斗在重力作用下加速翻轉，但其速度受到液壓泵供油速度的限制，由于緩沖補油閥中的單向閥及時向轉斗液壓缸前腔補油，使鏟斗能快速下翻，撞擊限位塊，實現撞斗卸料。4.1.2單工作泵系統缺陷從上面工作裝置液壓系統原理及結構可以看出，當動臂和鏟斗處于限位或動臂升降、鏟斗鏟掘遇到嚴重阻礙時，壓力會逐漸的升高，當壓力超過動臂和鏟斗的溢流閥調定的額定工 作壓力時，溢流閥打開，油液通過溢流閥回油箱，在這個過程中損失大量的壓力能，這部分壓力能最終要變成熱能，影響系統的熱平衡，這部分能量損失占裝載機液壓系統能量損失的 很大部分，因為處于系統安全的考慮，安全

23、閥一定要存在系統當中，并且系統保壓溢流也一 定要存在，但是通過溢流閥的油液過多，這是單泵系統的缺陷。由于裝載機的實際工作情況， 裝載機在鏟掘時，需要的是高壓小流量增加鏟掘力，而鏟斗離開料堆負載變小，所以升起的過程中，需要低壓大流量增加上升的速度，基于以上的工作特點就可以采用雙泵合分流系統，盡量讓流量和系統的需要所匹配，減小系統的能量損失。4.3改進系統分析4.3.1改進系統的結構及原理下圖為針對原系統的缺陷改進后的工作裝置結構及原理圖，和原系統的主要差別是動力源部分，由原來的單泵改為兩個等排量的串聯泵。m o 凸川裁戢耗I *；岀科濁h系的偉外枚" 7功阿観超柿，功肓址用肛加村。軸斗

24、曲艮換向5. t H & A H： « T.垃:曲棊H衛誰調9 .L樸晝虹ft川士全叫id 祚*卜珀敷件in扣令刖 UL2戟訂幽 13. yik 11 n脇啟1從上圖可以看出，系統的由兩個等排量泵，通過單向閥12和卸荷閥14合分流，除了動力源部分，其余的結構和原理和原系統相同。系統中的卸荷閥14卸荷壓力調定在8aMP，當裝載機進行工作的時候，主油路的壓力高于卸荷壓力調定在8aMP時，泵13卸荷回到油箱，當壓力不足以開啟卸荷壓力調定的壓力時，泵13通過單向閥12和泵6合流，給系統提供大的流量，當系統合流時和原系統是等同的。4.3.2雙工作泵系統的優點由于針對單工作泵系統的缺陷做

25、出系統改進，顯然改進后的系統自然是從減少能量損失為出發點，從改后系統的原理可以看出，動力源部分基本是通過雙泵的合分流，來盡量達到變量泵的效果，做到流量適應控制，以減少不必要的損失。當裝載機進行鏟掘動作時，需要大的壓力來提供鏟掘力，并且在這個過程中，鏟斗的收放斗和動臂的提升交替進行，并且速度比較慢，顯然，這個過程中油缸的運動速度，不能使油缸全部吸收工作泵排出的油液，因 此系統的壓力升高，部分油液要從溢流閥回到油箱，如果是原系統，那么工作泵的排出油液大部分要從高壓溢流閥流走，而對于改進后的系統，由于系統采用雙泵控制，并其中的一個 泵13聯有卸荷閥14,當壓力超過卸荷閥的壓力時，卸荷閥14打開，泵1

26、3低壓卸荷回到油箱。當裝載機工作過程中遇到嚴重阻力或限位時依然是一個泵卸荷，一個泵工作，顯然這些情況比原系統至少一半的流量通過溢流閥，因此少損失的很多的壓力能。如圖4.4雙泵共同工作滿載工況動臂上升時的壓力變化，動臂下腔壓力在鏟斗運動所產生的慣性力作業下，經過初期的壓力波動后，壓力平穩上升。這個過程兩個泵的壓力變化 一至，并且在上升過程中，兩個泵的壓力都在8MPa以下，所以這也是把一個工作泵的卸荷壓力調定在 8MPa的原因，如果卸荷壓力小于 8MPa那么就有可能在動臂滿載上升過程 中一泵卸荷不能實現快速上升，如果壓力大于8MPa，那么會有更多的壓力損失。在當動臂達到頂點限位時，一個泵立刻卸荷，壓力急劇下降，如圖虛線部分為卸荷泵壓力變化過程， 實線部分給系統提供壓力，頂端壓力為溢流閥開啟的壓力，這個壓力在多路閥換向時下降。圖4.5為雙泵系統動臂起升到極限位置，動臂處于機械限位的狀態，動臂下腔的壓力 急劇升高，當壓力達到其中泵13的卸荷壓力約 8MPa時，泵13的油液卸荷回到油箱，如虛線所示，虛線部分的