闭式液压系统.doc

闭式液压系统为什么常用变量泵和定量马达？它的调速特点是什么？

1、变量泵最大的麻烦就是发热,系统设计的主要工作就是想办法减小发热.
变量泵操作方便,可以根据工况减小排量,从而减小发动机功耗,减小发热
定量马达的好处是价格便宜,因为马达的工作范围较宽,可以适应流量变化,这样系统布置简单,马达的转速需要调节时,直接改变油泵的排量,逐步接近所需要的转速.

特别大的系统(盾构机),马达也需要变量的,因为负载变化剧烈.转速控制要求准确,这时只能控制马达..马达的信号反馈给油泵,油泵随着马达变量.能进一步完善系统,减小发热

2、闭式系统基本都是采用变量泵，这是由于系统地启动扭矩决定的，泵的启动扭矩在压力一定的情况下与排量成正比，而一般的原动机（发动机、电动机等）都要求在小的扭矩下启动，这就要求泵为变量的。并且变量泵可以实现无级调速和平稳换向。
而马达则以定量居多

典型的泵-马达闭式循环回路分析
杨　兵

1　前言
　　RM80全断面枕底清筛机是铁道部从奥地利普拉塞-陶依尔公司引进的当今世界上最先进的铁路大型养路机械，它的走行驱动系统采用了典型的变量泵-变量马达容积调速闭式循环液压回路。该系统结构紧凑，传动效率高，无级调速范围大。机械的调速和换向靠调节泵和马达的变量机构实现，传动平稳，发热少，升温慢，无节流和溢流损失，能量利用率高。系统的液压元件均采用世界名牌产品，系统工作可靠。
2　组成及参数
　　RM80清筛机走行装置由装在2套转向架上的4只动力轴组成。闭式循环系统由1只变量泵及2只变量马达构成，变量泵向2只马达供油，驱动马达旋转，2只马达输入的流量各为变量泵输出流量的一半。2套完全相同的且同步工作的闭式循环液压系统的4只马达分别驱动走行装置的4只动力轴旋转，使机械走行。泵和马达的参数见表1。　　
表1　泵和马达的参数

名称
型号
额定
压力
(MPa)
高最
压力
(MPa)
最小
排量
(mL／r)
最大
排量
(mL／r)
数
量
斜轴式恒压双向变量马达
A6VM10HA1T
36
40
30.8
107
4
通轴斜盘式轴向柱塞双向变量泵
A4V-250HD
36
40
0
250
2

　　当机械反向走行时，液压回路各元件所起的作用与机械正向走行时相同，只是动作相反。
3　液压回路分析
　　以下均以机械前进方向为例，分析一套闭式循环液压回路（见图1），当分析马达时，只分析马达Ⅰ，马达Ⅱ的工作情况与马达Ⅰ相同。向右扳动先导阀13的手柄，当阀口A的输出压力＞0.55 MPa时，前进压力开关b1闭合，使电液阀11、电磁阀20的b端通电，闭式循环回路压力油管23和回油管24的通道被电液阀 11断开，主走行变量泵1向油管23供应压力油，驱动马达旋转，机械则正向走行。马达的回油经管路24被吸入泵内，不断循环。

图1　闭式循环液压回路
3.1　补油冲洗回路
　　当机械正向走行时，主走行变量泵1经油管23和电液阀11的b端向马达供油，驱动马达旋转，马达回油经管路24和电液阀11的b端被吸入泵内，形成闭式循环回路。此时管路23内的液压油为高压油，最高压力由截止阀25（36 MPa）控制。单向安全阀5的旁通单向阀在管路23的高压油的压力作用下单向截止。管路24的回油为低压油。当管路23的高压油与管路24的低压油的压差大于某一定数值时，液压马达Ⅰ上的冲洗阀26被液压力推向低压侧（左侧）。这样冲洗阀就将低压管路的油引到冲洗溢流阀27（2.3 MPa)的进油口，低压油的一部分（10%～30%)经冲洗溢流阀27溢流后回到油箱，对闭式循环回路起到清洗和散热的作用。同时补油泵6从油箱吸入清洁冷却的液压油，经单向安全阀4的旁通单向阀，向低压油路24补入等量液压油。当高低压管路的油压差很小时，冲洗阀26在复位弹簧的作用下回到中位，关闭了低压管路与冲洗溢流阀27的通道。补油泵6供给的多余油液就经主变量泵1内部的补油溢流阀33（2.5 MPa)溢流回油箱。补油溢流阀33的设定压力值应略高于冲洗溢流阀27(2.3 MPa)的设定压力值0.1～0．2 MPa，以保证冲洗阀能够将回路低压侧油路中的部分热油排回油箱，冷油又能补入低压侧管路中而不会从补油溢流阀33流掉。
3.2　手动减压阀式先导操纵回路
　　向右扳动先导阀13的手柄，由控制泵3提供的控制压力油（压力由溢流阀8（6 MPa）设定）进入先导阀13的压力油阀口P，经先导阀减压后从阀口A到主变量泵1的变量伺服阀12的右端，变量伺服阀左端回油经先导阀口B和回油阀口O流回油箱，伺服阀12左移，当伺服阀右端控制油压力与伺服阀左端复位弹簧的弹簧力相互平衡时，伺服阀停止左移。伺服阀口开启量与先导阀口A输出油的压力成正比。补油泵6提供的压力油（压力由溢流阀33（2.5 MPa）设定）经截止阀25和变量伺服阀12的右端口节流减压后，通过直径1.8 mm节流孔(节流孔在此起稳定压力抗干扰作用)进入变量液压缸28的右腔,活塞杆在此油压的作用下,带动主变量泵1的斜盘变量机构,使斜盘从0倾角开始转动产生相应的倾角.当液压缸28的液压力与变量机构的反力相互平衡时,斜盘的倾角就固定了。主变量泵以与此倾角相应的排量向高压管路23供油,驱动马达旋转。
　　先导阀13的手柄扳动角度与变量伺服阀12的阀口开启量及变量液压缸28的活塞杆的位移量一一对应，也就是与主变量泵1的斜盘倾角及主变量泵1的供油排量一一对应，即主变量泵1的供油排量与先导阀13的手柄扳动角度成正比。当先导阀手柄在中位时，主变量泵的斜盘倾角为0，其供油排量为0，走行马达不旋转。先导阀手柄偏离中位的角度越大，泵的斜盘倾角越大，泵的供油排量就越大。
3.3　卸载回路
　　清筛机在运行过程中会遇到各种线路，运行阻力随着线路变化而变化。运行阻力突然增大会给液压走行系统带来冲击，为避免这种危害，液压走行系统配备了卸载回路，由溢流截止阀25(36 MPa)，单向安全阀4、5(40 MPa)等组成。
　　当运行阻力增大导致运行液压力上升时，由于单向安全阀5直接与压力油管23相连，此压力直接作用在安全阀5上，安全阀限制走行压力在40 MPa以内。同时，走行压力油经单向阀31(单向阀30与低压回油管24相连，故处在截止状态)和遥控油管作用在截止阀25上，当系统压力高于36 MPa时，使截止阀25截止，切断了补油泵6经伺服阀12向主变量泵1的斜盘变量调整液压缸28右腔的供油通道。液压缸的活塞在活塞弹簧的推动下，向右移动，液压缸右腔的油液经直径0.7 mm的节流孔被推到左腔。活塞杆在移动过程中带动主泵的斜盘使其倾角减小，导致主变量泵1的供油排量减少，走行压力就会降低。当系统走行压力低于36 MPa时，截止阀25导通，补油泵6提供的压力油经截止阀25和伺服阀12的右位，进入变量液压缸28调整主变量泵的排量，使其与走行阻力相适应。当截止阀25失效时，安全阀5(反向走行时为安全阀4)限制系统压力不超过40 MPa。
3.4　换档控制回路
　　当清筛机爬坡或用于牵引车辆时，走行阻力增大，此时机械应挂低速档，以获得较大的牵引力；而机械正常行驶时，又需要较高的行驶速度，机械应挂高速档。为满足以上工况，清筛机走行系统设置了高、低档换档控制回路。
　　(1) 低速档
　　当换档三通阀19在低速档时，控制液压泵3提供的压力油(6 MPa)经三通阀19和走行马达Ⅰ的变量控制伺服阀29上部的右控制油管作用在伺服阀上。
　　当机械刚起步时，走行阻力最大，马达高压腔23内液压油的瞬间起步压力可达40 MPa，此压力经马达Ⅰ上的单向阀17，伺服阀29上部的左控制油管作用在马达变量控制伺服阀上，在左、右两腔控制油管液压力共同作用下，伺服阀克服复位弹簧的弹簧力下移，由于起步时马达液压驱动力最大，所以马达进油腔油压最高，伺服阀29的阀口开启量可达最大，此时它的节流减压效果最差。马达进油腔压力油经单向阀17直接进入马达斜轴变量液压缸32的有杆腔，马达进油腔压力油经伺服阀29的上位进入马达变量液压缸的无杆腔。由于液压缸32的有杆腔、无杆腔存在面积差，变量活塞上移至极限位，它带动马达斜轴使其倾角增至最大，马达的排量随之达到最大，此刻马达输出转矩最大，机械具有最大的牵引力。
　　当机械起步后，随着走行阻力的下降，马达进油腔的油压随之降低。马达变量伺服阀29上部的左控制油管内的油压力也降低，伺服阀在弹簧力的作用下克服伺服阀上左、右控制油管内的油压力上移，伺服阀口的开启量减小，节流减压效果增强，当以上的力相互平衡时，伺服阀口开启量才达到稳定状态。此时马达进油腔的压力油经伺服阀29减压后进入变量液压缸32的无杆腔，而进入液压缸32有杆腔的压力油是不经减压的马达进油腔的压力油，故有杆腔所受的液压力大于无杆腔所受的液压力，活塞下移，带动马达斜轴变量机构使斜轴倾角减小，马达排量减小，马达的转速随之提高，车速变快。当活塞所受的液压合力与斜轴变量机构的反力相互平衡时，斜轴的倾角就不变了。由于马达Ⅰ的变量伺服阀29上部的右控制油管一直有6 MPa控制压力油，即使马达的进油腔压力降至最低时，伺服阀29的阀口仍有一定开启量，变量液压缸32使马达斜轴的倾角仍大于最小倾角，低速档时马达的排量总大于马达的最小排量。马达排量根据机械走行阻力的变化自动调节。低速档走行时机械最高时速可达45 km／h。
　　(2) 高速档
　　当换档三通阀19在高速档时，机械的运行情况与低速档相似。根据外界走行阻力的变化，变量马达自动调节排量而与之相适应。只是马达变量伺服阀29的右控制油管内的油经三通阀19流回油箱，伺服阀29的阀口开启量完全由进入伺服阀上部的左控制油管的马达进油腔压力油来控制。当机械走行阻力降低时，马达进油腔的油压随之降低，马达伺服阀29上部的左控制油管内的油压也随之下降，伺服阀29在复位弹簧的弹簧力作用下克服左控制油管内的油压力向上移动。当上移至极限位时，伺服阀29使变量液压缸32的无杆腔与油箱导通，液压缸的活塞在有杆腔油压的作用下下移至极限位，液压缸无杆腔的油液经伺服阀流回油箱，活塞杆带动马达斜轴变量机构使马达的斜轴倾角减至最小。此时马达的排量为最小排量，输出的转矩最小，机械行驶速度最高。高速档运行时机械最高时速可达80 km／h。
3.5　液压制动回路
　　当正常行驶的机械需要减速时，把减压阀式先导阀13的手柄从工作位扳向中位，主变量泵1的变量机构带动斜盘，使斜盘倾角减小，主变量泵排量逐渐减小。由于机械的惯性作用（机械下长坡道时的状态与此相同），走行液压马达仍高速旋转，此时的液压马达处于液压泵的工作状态。马达的原输入压力油端（管路23）变成吸油端，原回油端（管路24）变成排油端而使此端油压升高。液压马达排出的压力油被主变量泵1的吸油端吸入，由泵再供向马达此刻的吸油端。同时马达排出的压力油经电液换向阀11的b端（下位）作用在背压阀9（10 MPa)上，此阀的设置，把处于泵的工作状态下的马达的排油压力限制在10 MPa以内，也就是给马达设置了10 MPa的液压制动力，使液压马达转速降低。马达排油端一部分压力油经背压阀9溢流后到马达的吸油端。同时液压制动压力经遥控油管控制顺序阀10(8 MPa)，当制动压力高于8 MPa时，顺序阀10导通，控制液压泵3提供的控制压力油经顺序阀10，电磁阀20的b端(下位)及单向阀15到变量泵1的控制油路输入端X3进入变量泵的变量液压缸28的右腔，使变量泵的斜盘倾角增大，加大变量泵1向管路23——马达吸油端的供油量，防止马达吸油端形成局部真空。当液压制动力低于8 MPa时，顺序阀10又断开，变量泵1的斜盘倾角减小到顺序阀开启前的状态，变量泵1恢复先前的供油排量。
　　当先导阀13的手柄逐渐扳到中位时，先导阀压力油阀口P到阀口A的通道被断开，先导阀口A、阀口B与回油箱接通，变量泵1的伺服阀12左、右两端油路经先导阀13的A口、B口与回油箱接通，变量泵伺服阀12在复位弹簧的推动下向右移动，回到中位。变量泵1的变量液压缸28失去压力油，在液压缸复位弹簧的弹簧力作用下，活塞右移至中位，变量泵1的斜盘倾角逐渐变成0，变量泵的排量此时为0。由于先导阀13的A口与油箱接通，其管路内的油压低于0.55 MPa，使前进压力开关b1断开，导致电液阀11、电磁阀20断电，两阀处于中位。由于电液阀11的液动阀是“H”型阀，它使马达的排油端与吸油端导通，此时液压制动被解除。被马达排出的油液经马达吸油端进入马达，不断循环，马达在惯性力的作用下继续旋转。
3.6　变量泵-变量马达调速回路(见图2)

图2　调速特性曲线

　　变量泵-变量马达容积调速回路主要靠手动减压式先导阀13及伺服变量泵1来调速和换向，并以恒压变量马达来辅助调速。 调速过程分作2个阶段：
　　第1阶段（恒转矩调速阶段）相当于变量泵-定量马达容积调速。机械从静止状态到运动状态，其负载基本不变，马达输出转矩M2为恒值（如图2线段ab），而与马达转速n2的变化无直接关系。马达输出功率N＝M.n／974(kW)，所以马达输出功率N与马达转速呈线性关系。由于机械起步阶段负载大，故马达的输出转矩必须足够大才能驱动 机械起步，此时马达的排量q2保持最大。泵的输出转速n1不变。而马达转速，n2与泵的排量q1成正比。随着变量泵斜盘倾角增大，泵的排量q1随之增大，使马达转速n2上升，马达的输出功率N2增大(如图2线段de)。随着变量泵从最小排量qmin调到最大排量q1max，马达转速相应从最小转速nmin逐渐提高到与泵最大排量q1max相应的转速n为止，调速比为。
　　第2阶段(恒功率调速阶段)相当于定量泵-变量马达容积调速。此阶段泵的排量q1保持不变。恒压式变量马达的排量可随负载的变化自动调节，负载增大，马达排量增大，负载减小，马达排量减小，而马达压力则保持恒定，故泵的输出压力p1亦恒定。则泵的输入功率(式中γ为泵的输出压力，q为泵的排量，n为泵的转速)保持恒定。若不计效率，则马达的输出功率就等于泵的输入功率，它也应为恒值。根据马达的功率可知，在变负载工况下若马达功率N为定值(如图2线段ef)，则其输出转矩M与转速n按双曲线关系自动调节(如图2曲线段bc)。随着负载的减小，马达从最大排量q2max自动减小到某一限定值q2min，转速相应从继续提高到马达所能容许的最大转速nmax为止。当机械正常运行时，由于无工作负载，变量马达排量最小，其输出转矩最小，转速则最高。此阶段马达转速随负载变化自动调节，保持马达输出功率恒定。其调速比为。
　　全过程总的调速比为。此调速回路具有较大的调速范围，调速比可达100左右。
4　结论
　　该液压系统经过几年数10台机械的工作实践证明其性能优秀、工作可靠，充分显示了变量泵-变量马达闭式回路的优越性，对今后设计同类系统具有实际借鉴意义。
作者单位：中国铁道建筑总公司昆明机械厂大型养路机械培训中心，云南省昆明市　650215 　电话：[phone]-71146