关于装载机常见液压系统分类及性能分析

张海波

摘 要： 装载机作为一种土石方作业的非路面机械车辆， 普遍应用于各类型的建筑施工中， 随着近年来基础设施建设增速放缓， 装载机的销量增速有所放缓甚至出现下降的趋势， 这势必带来装载机市场竞争的加剧， 所以改善液压系统的性能以提高燃油经济性并优化工作时铲斗和动臂的操纵性将是提高产品竞争力的一种有效方式。本文介绍了几种常用于的装载机的液压系统，分析各自的性能并着重介绍负载敏感系统的工作原理。

关键词：工程机械 ；液压系统 ；负载敏感；装载机；性能分析

装载机主要用于铲装土壤、砂石、石灰等散状物料，也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业。换装不同的辅助工作装置还可进行推土、起重和其他物料如木材的装卸作业。在道路、特别是在高等级公路施工中，装载机用于路基工程的填挖、沥青混合料和水泥混凝土料场的集料与装料等作业。此外还可进行推运土壤、刮平地面和牵引其他机械等作业。由于装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，因此它成为工程建设中土石方施工的主要机种之一。装载机的动力来源于内燃机（一般为柴油机）， 柴油机消耗燃油将动力转化为液压泵输出流量和压力， 通过换向阀操纵斗杆及动臂油缸来完成装载机的装载， 卸载工作， 其中柴油机和液压元件经过几十年的发展， 国内外制造商已经将其等油耗及效率指标提升到较高的水平， 所以从原件的角度可挖掘的节能和优化操纵的潜力已经不大了， 但不同液压元件的匹配可以得到不同的系统性能， 不同的系统之间的能耗和操纵性能差别巨大， 通过选择适当的液压系统将非常有助于改善燃油经济性和操纵性能。

目前市场上常见的装载机液压系统主要有基于齿轮泵，中位开芯多路阀的定量系统， 以及基于变量柱塞泵， 以下逐一分析这两大类系统的原理及性能：

1定量系统原理性能分析

定量系统主要由定量泵（一般为齿轮泵居多）， 中位开芯多路阀及执行机构组成，该系统中立位不工作时处于低压大流量待机状态， 此时的液压系统并不做有用功， 功率损耗等于此时的系统流量与压力损失的乘积。 工作中， 由于系统压力由溢流阀调定， 为了达到调整执行机构运行速度的目的， 系统工作在节流调速工况下， 多余的流量通过溢流阀高压溢流，造成大量的功率损耗， 进行作业时， 用户需要控制动臂及铲斗的运行速度以满足作业需要， 此时该定量系统运行在节流调速的工况下， 由于节流调速的刚度差， 即使阀口开度相同的情况下， 由于负载的波动也会引起阀口前后压差ΔP的变化， 从而导致流经阀口的流量Q不稳定， 反映到装载机的操作中， 则体现出不同负载的情况下， 操纵控制阀在相同行程时， 动臂及铲斗的运行速度不同， 负载越大， 调速范围就越窄， 虽然定量系统具有以上的缺点， 但由于其系统简单， 成本低廉， 目前仍然被广泛使用。 有些机型在此基础上做了一些调整， 例如在液压转向系统中加入优先分流阀， 使转向不工作时转向泵的流量与工作泵合流，这样可以减小工作泵的排量， 达到节约成本， 降低功耗的目的， 另外还有一些系统使用双泵合流， 高低压切换的系统， 实现高压时单泵工作低速运行， 低压时双泵合流高速运行， 也是为了实现节能的目的。

2变量系统原理性能分析

变量系统主要元件为负载敏感控制变量柱塞泵和负载敏感闭芯多路阀， 对比定量系统， 该变量系统具有如下特点： 1）负载敏感变量柱塞泵具有压力补偿器， 当多路阀处于中立位时（不工作待机）， 补偿器使柱塞泵处于低压待机状态仅输出少量流量用以补偿泄漏， 并没有全流量通过多路阀产生大量的能量损耗。2）某片阀执行工作时，补偿器根据系统的流量需求（多路阀滑阀开度变化）提供可调整的流量从而使工作速度可调。

当系统没有启动，也就是发动机没开动的时候，泵也没有流量输出，此时柱塞泵在变量系统的作用下，处于最大排量位置，然后当发动机启动了，换向阀没有动作处于中立位时，由于负载敏感多路阀是闭芯阀，中立位是封闭的，液压油不能向开芯系统那样通过开芯油路回油，所以液压油是封闭在这一腔的， 补偿器左端压力会迅速提高，使补偿阀处于左边这位，可以看到，泵的油液通过补偿器进入变量系统控制变量，使泵处于最小排量，0排量的位置，这时系统的压力仅为压力补偿器的调定压力，一般为20bar，这里只是认为泵是0排量，实际上泵会输出很小的流量来位置补偿器的20bar压力以及补偿泄露及润滑柱塞泵，这个状态就是低压待机状态。由于泵输出流量非常小，而且压力也很低，所以损耗的能量是很小的。当多路阀动作的时候，一开始P2是没有压力的，当多路阀打开了一个开口，P1和P2就接通了，而且通过节流口产生了一个压差，P1-P2，同时P2由LS回路引到柱塞泵的补偿器上，与弹簧同时作用在补偿阀芯的另外一端，在P2和弹簧力的作用下，补偿阀移动到右位进行变量，此时泵输出的流量就增加了，通过节流口的特性有这样的一个方程，Q=C*A*P^1/2，就是说流过节流口的流量与节流开口的面积以及节流口前后的压力差是成正比的，刚才说到柱塞泵输出的流量增加了，当流量增加到流过这个节流口产生的压差等于弹簧调定的delta P，在P1的作用下，补偿阀移动到左位使变量停止，这里的平衡是一个动态的平衡，阀芯是随时在动作维持目前的流量，当节流口的開口增大，此时泵的流量还没来得及增加，从Q=C*A*P来看，节流口前后的的压力差P1-P2会降低，P2是由负载决定的，所以P1会降低，那么补偿阀的平衡则会被打破，在P2和弹簧力的作用下，补偿阀又到右位，控制变量系统变量使泵的排量增大，直到流过节流口前后产生的压力差达到delta P的值。同理在节流口减小时也会使泵的排量变小，从Q=C*A*P^1/2来看，C是一个常数，流量就只跟A和P有关，负载敏感变量系统的原理就是使用压力补偿阀的补偿作用来使节流口前后的压差保持恒定，那么系统输出的流量就只跟节流口的开口大小有关系了。

负载敏感变量系统不存在开芯定量系统的中位回油及节流调速时高压溢流造成的功率损失， 其浪费浪费仅为维持压力补偿阀两端压差稳定的压力与流量的乘积，由于此时流量很小，所以功率损失也非常小。此系统同时具有优良的调速性能，， 由于压力补偿器的作用，使滑阀前后一直保持恒定的压差，与负载大小没有关系，使得操纵执行机构的过程中，无论载荷及执行元件的运动速度如何变化，操作者操纵手柄的感觉都是相同的。

3液压系统泄漏的防治

3.1 防止油液污染

液压泵的吸油口应安装粗滤器；出油口处应安装高压精滤器，且过滤效果应符合系统的工作要求，以防污物堵塞而引起液压系统故障；液压油箱隔板上应加装过滤网，除去回油过滤器未滤去的杂质。液压缸上应安装金属防护圈，以防污物被带进缸内，液压元器件安装前应检查、清理干净其内部的铁屑及杂质；定期检查液压油，一旦发现油液变质、沉淀物多、油水分离等现象应立即清洗系统并换油。

3.2 密封表面的粗糙度要适当

液压系统相对运动副表面的粗糙度过高或出现轴向划伤时将产生泄漏；粗糙度过低，达到镜面时密封圈的唇边会将油膜刮去，使油膜难以形成，密封刃口产生高温，加剧磨损，所以密封表面的粗糙度不可过高也不能过低。

4 结语

根据本文介绍的工程机械常用的定量，变量系统的对比分析，可以看出变量系统在节能和操纵特性上的优势是非常明显的，但由于其元件成本较高，系统后期维护成本也要高于定量系统，目前并未大量应用于国内市场，但在欧美等发达国家和地区，变量系统已经成为主流，我想随着我国经济建设的进一步发展，特别是对于节能环保的迫切需求以及用户对操纵舒适度及工作质量一致性要求的不断提高，未来变量系统必将成为工程机械市场的主流。

参考文献：

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