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装载机液压系统实验研究分析

摘要：对装载机整机液压系统进行了全面的研究。对装载机液压系统若干理论问题进行了理论分析；分析了不同工况下装载机工作装置液压系统和转向液压系统的实验结果；讨论了换向阀控制工作油缸时的压力损失，对具有同轴流量放大转向器的转向系统的性能进行了分析。
　　　1、装载机整机液压系统的应用：
　　　1.1　装载机整机液压系统实验测试的工程背景及意义：
　　装载机是工程机械中重要的机种，是一种集铲、运、装、卸作业于一体的自行式机械。今后轮式装载机仍将是工程机械中最重要的机种之一。一个液压系统是由多个元件相互连接而成的，每个元件的工作性能往往不能代表整个液压系统的性能。因此有必要对整机液压系统进行较全面的分析研究。
　　1.2　实验准备及实验过程：
　　实验在实验室、试验沙场、野外原生土实验现场等场地进行。具体如下，针对产品特点设计了实验方案。对装载机液压系统如下参数进行了分工况测量，测量参数为：(1)工作泵出口压力；(2)动臂油缸无杆腔压力‘(3)动臂油缸有杆腔压力；(4)转斗油缸无杆腔压力；(5)转斗油缸有杆腔压力I(6)转向泵出口压力；(7)转向器人口压力；(8)转向油缸压力(左、右)；(9)先导控制减压阀控制压力；(10)动臂的角位移。分别在如下工况下进行测试空载工况；①标准载荷工况(1.4吨，2.0吨，3.6吨，5.0吨)；②沙场实时装载工况；③野外原生土实时装载工况。
　　2、装载机工作装置液压系统的实验分析：
　　2.1　概述：
　　所示为装载机工作装置液压系统。它由四个部分组成；
　　1　转斗液压缸；2　动臂液压缸；3　动臂液压缸换向阀；4　转斗液压缸换向阀；5　单向阀；6　液压泵；7　滤油器；8　溢流阀；9　缓冲补油阀；10　油箱
　　①动力元件——液压泵；②执行元件——两个转斗液压缸和两个动臂液压缸；③辅助元件；④控制调节装置——用来控制和调节系统各部分流体压力、流量和方向的阀。
　　在该系统中设有方向控制阀、过载阀和溢流阀。
　　(1)方向控制阀——设有动臂液压缸换向阀和转斗液压缸换向阀，用来控制转斗液压缸的和动臂液压缸的运动方向，使铲斗和动臂能停在某一位置，并可以通过控制换向阀的开度来获得液压缸的不同速度。转斗液压缸换向阀是三位六通滑阀，它可控制铲斗前倾、后倾和固定在某一位置等三个动作，动臂液压缸换向阀是四位六通滑阀，它可控制动臂上升、下降、固定和浮动等四个动作。动臂浮动位置可使装载机在平地堆积作业时，工作装置能随地面情况自由浮动。
　　(2)溢流阀——控制系统压力。
　　(3)缓冲补油阀(双作用阀)——它由过载阀和单向阀组成，并联装在转斗液压缸的回路上，其作用由三个：①当转斗液压缸滑阀在中位时，转斗液压缸前后腔均闭死，如铲斗受到额外冲击载荷，引起局部油路压力剧升，将导致换向阀和液压缸之间的元件、管路的破坏。设置过载阀即能缓冲该过载油压。②在动臂升降过程中，使转斗液压缸自动进行泄油和补油。装载机连杆机构上设有限位块，当动臂在升降至某一位置时，可能会出现连杆机构的干涉现象。③装载机在卸载时，能实现铲斗靠自重快速下翻。并顺势撞击限位块，使斗内剩料卸净。当卸料时，压力油进入转斗液压缸前腔实现转斗。当铲斗重心越过斗下饺点后，铲斗在重力作用下加速翻转。但其速度受到液压泵供油速度的限制，由于缓冲补油阎中的单向阀及时向转斗液压缸前腔补油，使铲斗能快速下翻，撞击限位块，实现撞斗卸料。为了提高装载机的作业效率，该系统采用双泵合流、分流、转向优先的卸荷系统。当转向时，转向泵向工作系统提供多余的油液。不转向时，转向泵的全部油液经合流单向阀进入工作装置系统。当工作装置系统压力达到卸荷阀调定的压力，转向泵提供给工作装置的油液经卸荷阀流回油箱，从而使液力机械传动系统提供更大的铲入力。合理的利用了发动机的功率，提高了整机的作业效率。
　　2.2　空载工况实验
　　2.2.1　空载实验的实验环境
　　空载实验是在工作装置无负载的情况下进行的，它表明了系统在无负载干扰的情况下系统自身的性能。通过对该工况的实验，可以了解整机液压系统的原始特性以及整机工作时的机构运动情况空载实验在实验室进行，分别在发动机低速、中速、高速等三种情况下，完成装载机工作装置的收斗、动臂起升、卸斗、动臂下降等动作。在此期间测试并纪录转向泵出口、工作泵出口、动臂油缸下腔、动臂油缸上腔、转斗油缸有杆腔、转斗油缸无杆腔等6个点的压力，以及动臂转角、铲斗转角等共计8个物理量的动态过程。
　　2.2.2　空载实验典型实验
　　分别是三种不同的发动机转速下工作装置5个物理量的时域阵列曲线。这5个物理量分别是：1通道：转向泵压力；2通道；工作泵压力；3通道：动臂油缸下腔的压力；4通道：转斗油缸无杆腔压力，5通道：转斗油缸有杆腔压力。其横坐标描述的时间历程包括了收斗、动臂上升、卸斗、铲斗放平、动臂下降等5个装载机完成铲装工作的动作。
　　2.3　工作装置连杆机构干涉状态实验
　　实验用装载机采用转斗油缸后置式反转六杆机构。这种机构有如下特点；(1)转斗油缸无杆腔进油时转斗铲取物料，并且连杆系统的倍力系数能设计成较大值，所以可以获得较大的铲取力；(2)恰当的选择各构件尺寸，不仅能得到良好的铲斗平动性能，而且可以实现铲斗的自动放平；(3)结构十分紧凑，前悬小，司机视野好。缺点是摇臂和连杆布置容易发生构件相互干涉。实验时将转斗油缸缩回，使铲斗处于完全卸斗状态。此时提升动臂，在动臂提升过程中，测试结果表明有明显的机构干涉现象。
　　3、装载机转向液压系统实验
　　3.1　空载原地转向实验
　　与装载机工作装置液压控制系统不同，转向液压系统常见的转向液压系统有：(1)助力型转向系统；(2)负荷传感器全液压转向器和优先阀组成的转向系统}(3)流量放大转向系统I(4)双泵卸荷转向系统空载实验是在铲斗内不装物料时进行原地转向，实验时分别在发动机不同工作转速下测试转向泵出口、转向器入口，左右转向油缸人口等4个压力值。实验结果表明，转向器自身是稳定的。
3.2　沙场模拟工况实验
　　模拟工作过程中装载机转向的性能，我们可以看到：转向时的压力振摆依然存在。转向压力损失较大。
　　.3、满载障碍转向实验
　　装载机在工作时转向阻力一般较小，而转向系统压力设定为14Mpa。主要是考虑到在转向遇到障碍时具有一定的越障能力。为此我们设计了障碍转向实验。实验时将装载机铲斗装满，小角度转向越过高15cm的垂直障碍。
　4、装载机工作装置液压系统特性分析
　　4.1　作为主换向阀的对称四通比例换向阀控制非对称液压油缸时的性能分析
实验样机工作装置液压控制系统所用的主换向阀为比例方向阀。比例方向阀的节流面积比通常只有两种，即对称型(面积比为1:1)的和非对称型(面积比为2:1)的。而面积比为1:1或接近1:1的液压缸由对称型的阀芯来控制，面积比为2:1或接近2:1的则由非对称型的阀芯来控制，由于实验样机所用的比例方向阀为对称型，而工作装置油缸为单活塞杆式油缸，在装载机的使用过程中为了避免由于对称型比例阀控制非对称型液压缸在换向过程中所带来的压力跃变，在控制换向过程中将操纵手柄的换向中位设计了一定的死区，从而有效的避免了上述情况的发生。
4.2　换向阀在液压系统中的压降损失
　　换向阀是具有液流方向控制功能和流量控制功能的复合阀。换向阀的压力损失使油液流经换向阀时造成能量损失，引起发热，使系统效率降低，严重时会造成阀不能正常工作。我们可依据换向阀的阀芯结构将其分为对称类(面积比为1:1)和不对称类(面积比为2:1)两种，对称类的有“O”型、“H”型等l不对称类的换向阀有“Y”型、“P”型、“M”型。同时我们也知道液压执行元件的负载也基本上是不对称的。如油缸的伸出和缩回时受力不同，液压马达的正转和反转时负载也不同。这样，我们就有机会组合油流方向和负载方向，使系统作功行程的压力损失最小。
　5、同轴流量放大转向系统分析
　　5.1　液压转向系统的工作原理
　　本系统为“双泵合分流同轴流量放大转向优先卸荷液压系统”，简称“同轴流量放大卸荷系统”。工作原理如下所示。
　　1、转向油缸；2、双向缓冲补油阎；3、同轴流量放大转；4、优先卸荷闽；5、转向泵；6、滤清器；7、机油箱；8、工作泵
　　5.2　同轴流量放大转向器的结构与工作原理
同轴流量放大转向器是在摆线转阀式全液压转向器的基础上加以改动而成的一种新型转向器，在原摆线转阀式全液压转向器的阀套上添加了一排油孔，作为放大油路通道。同时，增加负荷传感控制油路。
5.3　转向系统数学模型
　　5.3.1　建模时的假设
　　(1)油液的密度。粘度，弹性模量，阻尼孔的特征系数为定值；(2)泄漏流置忽略不计I(3)认为进人转向器的油液流量为恒流量；(4)系统中换向阀和单向阀的局部损失忽略不计。
　　5.3.2　转向教学模型
　　转向系统左转向模式与右转向模式工作原理完全相同，因此，以向左转向为例分析转向系统特性。如图3所示为向左转向时简化的油路图，A表示孔R与阀芯上槽j所形成的节流口；B表示孔短槽i与双号H孔所形成的节流口；C表示双号H孔与阀体上a孔所形成的节流口ID表示阀体上a孔与单号H孔所形成的节流口DE表示单号H孔与阀芯上槽j孔所形成的节流口；F表示阀套孔c1与阀芯上槽j所形成的节流口；G表示阀套孔c2与阀芯上槽K所形成的节流口。

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