工程機(jī)械液壓系統(tǒng)容積調(diào)速回路分析

徐成東

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與市政工程系，四川德陽618000）

0 引言

容積調(diào)速回路效率高、發(fā)熱少，適用于大型機(jī)床、液壓壓力機(jī)、工程機(jī)械、礦山機(jī)械等大功率液壓設(shè)備的液壓系統(tǒng)[1]。對工程機(jī)械液壓系統(tǒng)容積調(diào)速回路的分析研究，對工程機(jī)械的設(shè)計(jì)制造及使用維護(hù)具有重要意義。

1 工程機(jī)械液壓系統(tǒng)容積調(diào)速回路特點(diǎn)分析

1.1 回路多為閉式回路

容積調(diào)速回路按照油液循環(huán)方式的不同，可分為開式回路和閉式回路[2]。圖1所示為由變量泵和液壓缸組成的開式回路。在開式回路中，執(zhí)行元件的回油直接流回油箱，液壓泵再從油箱吸入油液。

工程機(jī)械往往在大功率、高轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下工作，這意味著液壓系統(tǒng)往往壓力比較高、流量比較大。在工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中，采用開式回路時(shí)，如果液壓泵的自吸性不好，容易造成泵的吸油不足，導(dǎo)致液壓泵的輸出壓力達(dá)不到規(guī)定值。開式回路中，油箱內(nèi)的油液與空氣接觸的機(jī)會較多，空氣容易混入油液，影響系統(tǒng)的工作平穩(wěn)性。此外，換向閥的存在客觀上是一個阻力，會形成一定的壓力損失，且在換向、調(diào)速和制動時(shí)會形成較大的液壓沖擊。

圖1 開式容積調(diào)速回路

由于上述諸多因素，工程機(jī)械液壓系統(tǒng)容積調(diào)速回路更多地使用了閉式回路，如圖2所示。在閉式回路中，執(zhí)行元件的油液直接流入泵的吸油口。換向閥油箱的容量僅僅滿足系統(tǒng)的泄漏量即可，油箱的容積較小，結(jié)構(gòu)緊湊，與空氣接觸的機(jī)會也較少，油液不容易混入空氣，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性較好。

1.2 回路多由雙向液壓泵和雙向液壓馬達(dá)組成

容積調(diào)速回路常用于多種自行式工程機(jī)械（挖掘機(jī)、裝載機(jī)、壓路機(jī)等）的行駛回路。工程機(jī)械在作業(yè)時(shí)經(jīng)常處于前進(jìn)或倒退的狀態(tài)，此時(shí)回路中配置了雙向泵和雙向馬達(dá)，通過液壓泵輸出油液方向的變化可使得液壓馬達(dá)處于正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)當(dāng)中，從而可滿足工程機(jī)械作業(yè)時(shí)前進(jìn)或倒退的工作狀態(tài)。

1.3 回路均帶有補(bǔ)油泵和補(bǔ)油閥

工程機(jī)械液壓系統(tǒng)工作時(shí)，泄漏是不可避免的。因此，為了滿足液壓系統(tǒng)正常工作，即系統(tǒng)能夠輸出足夠的壓力和流量，回路必須采取補(bǔ)油措施。在圖2所示的容積調(diào)速回路中，液壓泵3作為輔助泵，負(fù)責(zé)向回路中的低壓側(cè)補(bǔ)油，補(bǔ)油壓力由溢流閥6調(diào)定。單向閥4和5作為補(bǔ)油閥使用，起到方向選擇的作用。當(dāng)回路上方為高壓側(cè)時(shí)，下方即為低壓側(cè)，單向閥5打開后，油液進(jìn)入回路的低壓側(cè)；反之，當(dāng)回路上方為低壓側(cè)時(shí)，下方即為高壓側(cè)，單向閥4打開，油液進(jìn)入低壓側(cè)，實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)油。

圖2 閉式容積調(diào)速回路

2 容積調(diào)速回路在工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例

容積調(diào)速回路廣泛用于多種工程機(jī)械的行駛回路、振動壓路機(jī)的振動回路、混凝土攤鋪機(jī)的螺旋布料回路等。不同的回路具有不同的功能，因此其構(gòu)成也有不同。

2.1 變量泵-定量馬達(dá)容積調(diào)速回路

在圖2所示的回路中，設(shè)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為nM，轉(zhuǎn)矩為TM，排量為VM，工作壓力為pM，輸入功率為PMi，輸出功率為PMo，則有：

由于采用定量液壓馬達(dá)，VM為定值，馬達(dá)的最大工作壓力pM由安全閥限定不變，因此液壓馬達(dá)能輸出的最大轉(zhuǎn)矩TMmax為定值，故該回路為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

在閉式容積調(diào)速回路中，液壓泵輸出的油液流量全部供給執(zhí)行元件。若不考慮回路的泄漏，泵的輸出流量等于馬達(dá)的輸入流量。假設(shè)液壓泵的轉(zhuǎn)速為nP，排量為VP，則有：

由式（5）、式（6）可知，液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速nM由變量泵的排量VP決定且兩者成線性關(guān)系。在變量泵轉(zhuǎn)速nP不變的前提下，調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速nM的同時(shí)，馬達(dá)的輸出功率PMo也隨之改變?；芈返恼{(diào)速特性如圖3所示。該類型回路在全液壓式裝載機(jī)行走回路、振動壓路機(jī)振動回路、振動壓路機(jī)行駛回路、混凝土攤鋪機(jī)螺旋布料回路等有著較多的應(yīng)用[3]。

圖3 變量泵-定量馬達(dá)容積調(diào)速回路特性曲線

2.2 定量泵-變量馬達(dá)容積調(diào)速回路

圖4所示為由定量泵和變量馬達(dá)組成的容積調(diào)速回路。不考慮回路的能量損失，式(4)～式(6)依然成立。由式(5)可知，調(diào)節(jié)變量馬達(dá)排量VM的大小，可調(diào)節(jié)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速nM。當(dāng)VM變小時(shí)，nM就會增加；反之nM就會減小。由式（6）可知，由于液壓泵的排量VP為定值，轉(zhuǎn)速nP不變，回路的最大工作壓力pP由安全閥限定不變，液壓馬達(dá)的最大輸出功率PMomax也為定值，不因調(diào)速而發(fā)生變化，所以也稱為恒功率調(diào)速[4]?；芈返恼{(diào)速特性如圖5所示。

這種調(diào)速回路調(diào)速范圍小，當(dāng)VM過小時(shí)，液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩TM會變得很小，以致于無法克服負(fù)載。例如，當(dāng)該回路用于工程機(jī)械行駛回路時(shí)，可能造成工程機(jī)械在停車后無法啟動。這種回路不宜單獨(dú)使用。

2.3 變量泵-變量馬達(dá)容積調(diào)速回路

圖6所示為由雙向變量泵和雙向變量馬達(dá)組成的容積調(diào)速回路。這種調(diào)速回路結(jié)合了前兩種回路的優(yōu)點(diǎn)，是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速的組合，調(diào)速特性如圖7所示。

使用這種調(diào)速回路時(shí)，要經(jīng)歷低速和高速兩個階段。在低速段，先將液壓馬達(dá)的排量VM調(diào)至最大值VMmax，并固定不變（相當(dāng)于定量馬達(dá)），然后將變量泵的排量VP由零調(diào)至最大VPmax，液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速就會從0升至nM′，該段調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；在高速段，泵的排量已經(jīng)調(diào)到了最大值VPmax，可看成是定量泵，然后將變量馬達(dá)的排量從最大值VMmax逐漸調(diào)小，液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速就會從nM′進(jìn)一步升至nMmax，該段調(diào)速屬于恒功率調(diào)速。

圖4 定量泵-變量馬達(dá)容積調(diào)速回路

圖5 變量泵-定量馬達(dá)容積調(diào)速回路特性曲線

圖6 變量泵-變量馬達(dá)容積調(diào)速回路

圖7 變量泵-變量馬達(dá)容積調(diào)速回路特性曲線

這種調(diào)速回路調(diào)速范圍大，廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械行駛回路。工程機(jī)械行駛裝置起步時(shí)，速度很低，但是要具備較大的轉(zhuǎn)矩；待起步完成后，對轉(zhuǎn)矩的要求降低，但又要求具有較快的速度。該類型回路通過低速大轉(zhuǎn)矩和高速小轉(zhuǎn)矩的組合，正好滿足了行駛裝置的要求。全液壓式振動壓路機(jī)行駛回路采用的就是此種類型的回路。

3 結(jié)語

容積調(diào)速回路在工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。在充分了解各類工程機(jī)械的基礎(chǔ)上，正確分析各類型容積調(diào)速回路的特點(diǎn)，有利于工程機(jī)械液壓系統(tǒng)的分析及日后的故障診斷與排除。