V30D 負(fù)載敏感變量泵與PSV 比例多路換向閥在工程機(jī)械中的應(yīng)用

姜 鵬，王 濤，張金龍，呂秀梅，王占武

（1.遼寧瀚石機(jī)械制造有限公司，遼寧 阜新 123000；2.沈陽卓信機(jī)電設(shè)備有限公司，遼寧 沈陽 110000；3.遼寧北辰液壓氣動有限公司，遼寧 阜新 123000）

工程機(jī)械在露天礦開采中發(fā)揮著越來越大的作用，無論是鉆孔爆破常用的鉆機(jī)，還是挖掘運(yùn)輸?shù)囊簤赫P，都在礦石開采過程中發(fā)揮著不可替代的作用[1]。目前工程機(jī)械大多采用全液壓驅(qū)動模式，為了節(jié)約能量、降低油溫和提高控制精度，以及使同步動作的幾個執(zhí)行元件在運(yùn)動時互不干擾，較先進(jìn)的工程機(jī)械都采用了負(fù)載敏感泵與比例負(fù)載敏感多路閥技術(shù)。使用負(fù)載敏感泵和比例負(fù)載敏感多路閥則可使流量和壓力與系統(tǒng)所需達(dá)到最佳匹配要求，這是目前大流量液壓系統(tǒng)首選的控制方案[2]。

1 負(fù)載敏感變量泵和多路閥液壓系統(tǒng)

由于國內(nèi)負(fù)載敏感閥與負(fù)載敏感泵技術(shù)起步較晚，而且負(fù)載敏感閥與泵的專業(yè)生產(chǎn)廠家又很少。目前工程機(jī)械常用的負(fù)載敏感系統(tǒng)中主要液壓元件全部采用進(jìn)口，其中，在工程機(jī)械領(lǐng)域，哈威公司生產(chǎn)的V30D 系列泵與PSV 負(fù)載敏感閥組成的負(fù)載敏感系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛。V30D 系列負(fù)載敏感泵與PSV系列負(fù)載敏感比例多路閥組成的液壓系統(tǒng)原理圖，如圖1。

2 負(fù)載敏感泵

2.1 V30D 負(fù)載敏感泵簡介

圖1 負(fù)載敏感變量泵和多路閥組成的液壓系統(tǒng)原理圖

液壓泵是整個液壓系統(tǒng)的重要組成部分，相當(dāng)于整個工程機(jī)械的“心臟”部分，負(fù)責(zé)整個鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的動力輸出。工程機(jī)械常用的V30D 系列液壓泵具有壓力切斷－負(fù)載敏感等功能，D 系列V30 變量柱塞泵具有極高的安全可靠性。運(yùn)行噪音低，工作壓力高，最大峰值壓力可以達(dá)到42 MPa，連續(xù)工作壓力仍可達(dá)到35 MPa，比市場上常用的力士樂A4VO 系列泵（連續(xù)工作25 MPa）具有更高的工作壓力，而且V30D 系列泵具有極高的功率/質(zhì)量比及其廣泛的控制范圍，極為適合于各種工業(yè)設(shè)備及行走設(shè)備產(chǎn)品上使用。

V30D 系列柱塞泵基于斜盤原理：九柱塞副在每缸體旋轉(zhuǎn)1 次完成1 次的吸油和壓油的過程。該變量泵應(yīng)用于開式變量液壓系統(tǒng)。排量大小決定于斜盤擺角的大小。斜盤擺角的大小又可以無級調(diào)節(jié)達(dá)到合適的排量。同時最大排量可以通過設(shè)定螺釘機(jī)械限制。泵外表面設(shè)有擺角大小指示器，斜盤擺角的大小可以通過機(jī)械指示器看到[3]，從而直觀的監(jiān)測泵的排量大小，在不重要的場合，可以減少流量計的使用。

2.2 V30D 負(fù)載敏感泵變量原理

在常態(tài)時，泵的變量執(zhí)行機(jī)構(gòu)在彈簧力的作用下，使變量油缸處于最右端，此時，泵的斜盤擺角處于最大擺角，此時泵的排量最大。其中連接Ls 油口的閥為負(fù)載敏感閥。隨著油泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)壓力逐漸升高，由于多路閥不動作，故多路閥負(fù)載傳感口Ls無壓力反饋至泵，當(dāng)系統(tǒng)壓力升高到能克服負(fù)載傳感閥右端彈簧的壓力（200 psi，1 psi＝6.895 kPa）時，負(fù)載敏感閥被打開，高壓油經(jīng)負(fù)載敏感閥和壓力切斷閥后進(jìn)入油泵變量執(zhí)行機(jī)構(gòu)的無桿腔，同時，高壓油也進(jìn)入變量機(jī)構(gòu)的油缸的有桿腔，但是，此變量機(jī)構(gòu)的有桿腔和無桿腔的面積比為1∶4，因此，無桿腔產(chǎn)生的推力更大，克服變量機(jī)構(gòu)的有桿腔的彈簧力，使變量機(jī)構(gòu)向左移動，從而改變泵的擺角，減小油泵排量，直至近似接近于0，約為3～5 L/min，此時泵稱為待機(jī)狀態(tài)。待命壓力一般約為1.4～3 MPa，因此系統(tǒng)的功率損失較小，系統(tǒng)產(chǎn)熱量會很低[4]。系統(tǒng)這時，泵中少量的油液進(jìn)行空循環(huán)，從而建立液壓油膜，起到對軸承潤滑的作用，防止在泵高速旋轉(zhuǎn)下軸承發(fā)熱量過高，影響軸承的壽命，從而影響泵的使用[5]。

多路閥動作時，此時負(fù)載傳感閥中位被關(guān)閉，執(zhí)行元件的負(fù)載壓力經(jīng)閥的Ls 口反饋至液壓泵，變量執(zhí)行機(jī)構(gòu)無桿腔壓力卸荷，泵擺角開始增大，油泵排量迅速增加，以滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)流量需求[4]。

當(dāng)液壓缸的活塞運(yùn)動至頂端位置時，進(jìn)入多路換向閥的液流被阻止。此時，相當(dāng)于負(fù)載無窮大，負(fù)載通過負(fù)載多路換向閥的Ls 口反饋至負(fù)載敏感泵的控制口，作用于負(fù)載敏感閥的右端，此時，作用于負(fù)載敏感兩端的壓力幾乎相等。預(yù)調(diào)定的彈簧力（200 psi）將控制閥芯推至左端。高壓油不能通過負(fù)載敏感閥泄掉，導(dǎo)致泵壓迅速升至溢流閥調(diào)定的最大壓力限定值，溢流閥工作在右位，高壓油通過溢流閥進(jìn)入變量機(jī)構(gòu)的無桿腔，變量機(jī)構(gòu)向左運(yùn)動，油泵變量控制活塞的運(yùn)動使斜盤傾角轉(zhuǎn)至排量近乎為0的位置。液壓泵僅提供保持高壓的泄漏量。這種工況稱液壓泵的高壓待機(jī)狀態(tài)，直到高壓負(fù)載力消除或方向控制閥回到中位[4]。

2.3 V30D 負(fù)載敏感泵恒功率控制原理

V30D 系列泵還具有恒功率控制機(jī)制，目的是充分利用電動機(jī)的功率，根據(jù)工作壓力調(diào)節(jié)泵的排量，以避免被泵吸收的功率超過電動機(jī)提供的功率值。當(dāng)達(dá)到設(shè)定最大功率時，隨著壓力的增大，泵的排量開始減小，從而保護(hù)電機(jī)不被損壞，同時，又可以滿足工作要求，在執(zhí)行員元件力或扭矩的輸出不產(chǎn)生變化，只是速度的減小。恒功率控制時，液壓泵工作在特性曲線為拋物線段，恒功率特性曲線如圖2。

圖2 恒功率特性曲線

V30D 系列柱塞泵為通軸設(shè)計，可后接輔助泵或V30D 系列泵，可以多個泵直接串聯(lián)在一起，節(jié)省安裝空間。解決了工程機(jī)械 安裝結(jié)構(gòu)受限的難題。

3 負(fù)載敏感比例多路換向閥

3.1 PSV 負(fù)載敏感比例多路換向閥簡介

PSV 比例負(fù)載敏感多路閥是1 個能將壓力、流量和功率變化信號向閥進(jìn)行反饋，實(shí)現(xiàn)控制功能的閥，是在普通四通多路閥基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它主要針對普通多路閥易受負(fù)載變化影響的缺點(diǎn)，用定差式補(bǔ)償閥保持多路閥閥口壓差近似不變，從而解決負(fù)載壓力或油源壓力波動的干擾問題。被廣泛應(yīng)用于變量泵系統(tǒng)。

PSV 比例多路閥連接塊中常有減壓閥、溢流閥、三通流量控制閥。當(dāng)泵在啟動瞬間時，壓力油同時作用在三通流量控制閥兩側(cè)，但是三通流量控制閥的下側(cè)有用來消除和平衡進(jìn)油管路壓力沖擊的阻尼孔，當(dāng)油液流通阻尼孔時，會產(chǎn)生壓降，這時，上側(cè)的高壓油會克服閥下側(cè)的彈簧力（0.9 MPa），使三通流量閥打開，這時泵會溢流，防止泵啟動瞬間，泵擺角還沒擺到最小時候的大流量液壓沖擊，當(dāng)泵平穩(wěn)運(yùn)行時，油液充滿阻尼孔，不再有油液流動，此時不會產(chǎn)生壓降，此時，三通流量閥兩側(cè)的壓力相等，閥在彈簧力的作用下重新關(guān)閉[6]。

溢流閥主要起保護(hù)系統(tǒng)作用，當(dāng)負(fù)載敏感泵的壓力切斷功能出現(xiàn)故障時，可以通過多路閥溢流，保證系統(tǒng)的可靠性。

連接塊中還設(shè)有減壓閥，經(jīng)過減壓閥流出的油液（最大流量2 L/min），可以作為系統(tǒng)的先導(dǎo)控制油來使用，減壓閥前設(shè)有內(nèi)置的高壓過濾器，可以對油液進(jìn)行高精度過濾，從而保證流經(jīng)減壓閥的油液的清潔度，可以充分利用減壓閥的出口油液。如本原理的減壓閥流出的油液用來控制馬達(dá)的雙速切換；當(dāng)換向閥采用液控先導(dǎo)換向閥時，減壓閥的油液可以供給液控先導(dǎo)閥，從而控制多路比例閥的換向。減少了先導(dǎo)泵的使用[7]。

同時，連接塊設(shè)有測壓口M 口，可以方便測定液壓系統(tǒng)的壓力。

3.2 PSV 負(fù)載敏感比例多路流量分配原理

當(dāng)多聯(lián)閥同時工作時，多路閥能通過定差減壓閥（流量分配閥）進(jìn)行流量分配。通過的流量分配閥的流量可由下列計算公式得出[8]：

式中：Q 為通過閥的流量；Cd為流量系數(shù)；A 為面的面積；ρ 為油液黏度；△p 為閥前后壓差。

其中，只有△p 為變值，其余均為固定值，但是，流量分配閥選用的為定差減壓閥，從而確保△p 無論在負(fù)載如何變化時，都為一個固定值常數(shù)，保證了流過比例換向閥的流量為固定值，不受負(fù)載變化影響，保證執(zhí)行元件的運(yùn)行速度不發(fā)生改變。

同時負(fù)載敏感多路閥設(shè)置了感知各聯(lián)閥所控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載壓力大小的負(fù)載敏感通道。在比例多路換向閥的每片閥板上都單獨(dú)裝有1 個液壓梭閥，通過該梭閥可以對每片閥上的負(fù)載壓力進(jìn)行比較，并取出鉆機(jī)各個液壓之路工作工作時的最大的壓力值，通過Ls 口反饋到負(fù)載敏感式變量泵的排量控制口[9]。這樣，可以保證多個液壓執(zhí)行元件同時且獨(dú)立的工作，互不影響。

負(fù)載敏感多路可以根據(jù)工作負(fù)載需求，在需要的之路閥片中設(shè)置二次限壓溢流閥，從而確保每個之路的液壓壓力可以單獨(dú)限制。

3.3 PSV 負(fù)載敏感比例多路控制原理

PSV 系列比例多路閥控制方式具有多種方式可選擇，可以采用常規(guī)的手動手柄操作，通過手柄來控制閥的開口方向與開口量，從而控制執(zhí)行元件的換向與運(yùn)行速度要求；操縱方式還有比例電磁鐵，此款雙聯(lián)電磁鐵具有外部密封及回油路相連的銜接鐵腔，因此銜接鐵無需潤滑維修，由液壓油進(jìn)行保護(hù)防銹。通過改變比例電磁鐵的電流大小，從而控制多路閥的方向與開口量。還可以采用液控先導(dǎo)控制，通過液控先導(dǎo)手柄，控制多路閥的方向與開口量。而且多種控制方式可以疊加使用，滿足各種控制要求。

4 結(jié)語

V30D 系列負(fù)載敏感泵和PSV 系列負(fù)載敏感多路閥組合使用，廣泛應(yīng)用于行走機(jī)械液壓控制系統(tǒng)中。針對特定的負(fù)載敏感泵和比例多路閥，分別介紹了負(fù)載敏感泵和負(fù)載敏感閥的原理和工作過程，基于負(fù)載敏感的液壓系統(tǒng)在本公司生產(chǎn)的LWD－200系列鉆機(jī)產(chǎn)品中進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用表明，負(fù)載敏感系統(tǒng)同步動作的幾個執(zhí)行元件在運(yùn)動時互不干擾，提高了控制精度，同時降低液壓油溫和節(jié)約了能源，降低了設(shè)備運(yùn)行時的成本。