混凝土泵车变量泵恒功率控制调试方法研究及应用

徐道雷，施庆永，蒋贺

（徐州徐工施维英机械有限公司，江苏 徐州 221004）

0 前言

液压泵将机械能（转速和牛圈扭矩）转化为液压能（流量和压力）。柱塞液压泵因其结构紧凑、工作压力高、易于变量控制和流量范围大等优势，在混凝土泵车液压系统中广泛使用。混凝土泵车开式液压系统多采用斜盘式轴向变量泵。该变量泵具有压力切断、恒功率控制和电比例排量三种控制方式，其中恒功率控制优先级仅次于压力切断控制。恒功率控制调定不好，直接导致混凝土泵车泵送功率不足，易堵管，也可能导致整机功率匹配不佳，影响整机可靠性和使用经济性。

1 斜盘式轴向柱塞变量泵工作原理简述

某品牌斜盘式轴向柱塞变量泵原理如图 1 所示，主要有以下部分组成：以电比例排量控制阀 1 为主，结合先导弹簧 4、先导柱塞 5 的电比例排量控制单元；以恒功率控制阀 11 为主，结合功率弹簧 2、功率设定柱塞3 的恒功率控制单元；以压力切断变量控制阀 10 为主的压力切断控制单元。三种控制单元可单独控制，也可组合控制。主油泵 7 工作，液压油从油箱中被吸入，进入液压管路，带有压力的液压油流经管路和控制阀（恒功率控制阀和电比例排量控制阀），作用在变量柱塞油缸 9 上，根据两个控制阀的相位变化，变量柱塞油缸柱塞左右移动。变量柱塞油缸 9 与主油泵 7 由反馈杆 8 相连接，左右移动的柱塞，使反馈杆 8 顺、逆时针旋转，最终控制主油泵 7 的排量。使其适应不同的场合和工况。溢流阀 6 和减压阀 12 为整个系统提供溢流和减压保护。通过以上三种基本控制单元的组合，可以得到具有复杂输出特性的组合控制[1-3]。

2 恒功率控制工作原理

液压功率 P 为负载压力 p 与输出流量 q 的乘积，即 P = p q[4]。恒功率控制的目的是为了使发动机在变量泵的不同工况下都能工作在恒功率状态，达到在恒定的驱动转速下不超过预定的驱动功率，也就是 p 与 q 的乘积近似为定值，即液压泵的输出功率近似为恒定的，恒功率控制的压力—流量曲线近似为双曲线（如图 2b 输出特性虚线所示）。恒功率控制就是让变量泵根据负载压力的变化情况调整其输出流量，使变量泵的输出功率接近于负载所需要的功率，实现动力源和负载之间的功率适应和匹配，得到最佳的功率利用，从而达到节能目的。

图 1 变量泵原理图

图 2 恒功率控制

图 2a) 中所示为恒功率控制原理，工作压力在活塞上施加一个力，控制活塞推动摇臂，一个可从外部调整的弹簧力作用在摇臂的另一侧以确定功率设定值。如果工作压力超过设定的弹簧力，则控制阀被摇臂操作，使泵超领输出摆动，减小摇臂的有效力矩，从而使工作压力以输出流量减少的相同比率提高。液压油路流向（加粗实线）如下：当负载压力 p 增大时，液压泵的压力油通过单向阀进入功率设定柱塞腔，克服功率弹簧的弹簧力使恒功率变量控制阀阀芯向右移动，恒功率变量控制阀左位工作，连接至恒功率变量控制阀的压力油进入变量柱塞油缸左大腔，因为变量柱塞油缸大小腔直径不同，产在一个面积差，从而产生压力差推动变量柱塞油缸活塞向右移动，变量柱塞油缸活塞带动反馈杆顺时针旋转，使主油泵排量向小变化，同时变量柱塞油缸活塞带动阀套右移，当到达中位时，关闭变量柱塞油缸大腔进油通道，调节完成；当负载减小压力 p 时，调节动作过程与之相反。

控制阀阀芯位置是通过系统压力与双弹簧弹力的平衡决定的，这样就可以利用双弹簧的刚度特性用折线近似双曲线。图 2b) 中实线所示为双弹簧作用下的控制线，两段直线连接与恒功率理论曲线接近，故此种结构控制曲线也称近似恒功率曲线[5]。图 2b) 中 A 点是随出口压力升高流量自动减少的拐点，一般称之为变量泵恒功率起调压力点。A 点的压力值称之为恒功率起调压力。

恒功率控制方式的标定一般通过恒功率起调压力的调节来实现。斜盘式轴向柱塞变量泵恒功率起调压力一般为 12～20MPa，以满足主机厂对功率匹配的不同需求。恒功率起调压力最常见的调定方式为试验台测试调定。一般在液压泵生产厂家出厂前完成恒功率起调压力的调定。该方法简单经济、准确性高。但实际上，受整机功率分配、整机传动系统效率等因素影响，生产厂家标定恒功率起调压力供货的方式，往往无法满足混凝土泵车生产厂对整机液压泵功率控制和匹配的需求。因此，主机厂必须研究一种可以在整机上标定液压泵恒功率起调压力的方法，从而实现整机功率匹配验证、恒功率性能整机调试验证标定，保证整机动力性和使用经济性（节能）。

3 恒功率起调压力整机调试方法

根据混凝土泵车整机调试工况，采用自来水模拟混凝土充当负载介质，结合恒功率控制原理，当变量泵以最大排量工作时，通过设置合理的泵送出口节流工装（图 3），实现压力控制，一般应确保此系统压力高于变量泵恒功率起调压力范围上限值，不超过系统主溢流压力。采集系统压力值 P 和流量 Q，采集整机最大流量Qmax进行计算，得到变量泵恒功率起调压力 P’，计算公式为：

实际中，在整机上采集系统实际流量较为困难，因泵送油缸容积固定，一般可通过整机系统泵送次数 N代换。

图 3 节流工装示意图

混凝土泵车整机调试时，为满足整机功率匹配，保证泵送作业时不出现发动机“掉油门”现象，恒功率起调压力测试过程，发动机转速波动应维持在 50rpm内。

以某型混凝土泵车为例，该车配置力士乐双A11VLO190LRDU2 柱塞泵，泵送出口节流工装孔径为φ19，最大排量空载最大次数为 22.5 次/分钟，最大排量下系统压力为 25MPa，该系统压力下，泵送次数为14.5 次/分钟。

恒功率起调压力：P’=25×14.5/22.5=16.1(MPa)

为保证恒功率起调压力在整机调试环节的一致性，采用自主开发的整机自动测试台进行数据采集验证。如图 4 所示。

图 4 起调压力采集和验证

4 结束语

本文对斜盘式轴向柱塞变量泵的恒功率控制原理进行了阐述，并结合混凝土泵车整机调试工况，探索验证恒功率起调压力的方法，并在自主开发的整机自动调试台上实际应用，为柱塞变量泵的恒功率控制功能的整机标定研究与应用提供参考。