闭式液压系统及其在压路机上的应用

1、882010.02CMTM 1全液压单轮振动压路机的传动系统概述图 1 所示为全液压单轮振动压路机的传动系统示 意图, 从中可见其传动分为转向、 振动与行走三个系统。 全液压振动压路机的行走驱动采用无级调速的闭式变 量系统, 可以很方便地实现单杆操纵, 压路机的变速、 换向、 停车、 制动都很轻便灵活。 压路机的振动驱动可 以有开式回路与闭式回路两种液压传动方案, 开式液压 传动的振动系统一般不作调频, 若需作小范围的调频, 只能用节流调速的方法达到。 闭式液压传动的振动系统 可以根据需要来优化和调节压路机的振动频率。 压路 机的转向系统几乎无一例外地采用了 全液压转向, 不但 操作轻便, 而

2、且能实现发动机熄火转向。摘要:闭式回路液压系统具有能无级调速、 传动平稳、 操纵方便及结构紧凑等优点, 在工程机械上得到了广泛应 用。 在压路机上可用作行走驱动和偏心振子的驱动, 随着压路机工作机构运行特点和布局的不同, 泵和马达的匹配也会 有不相同的传动方案和组合方式。关键词:液压传动闭式回路无级调速全轮驱动无桥驱动闭式液压系统 及其在压路机 上的应用Closed Hydraulic System and Its Application in the Rollers徐州凯莫尔重工科技有限公司 尹继瑶 /YIN Jiyao环。 为了补偿系统中的泄漏损失, 通常需在系统中连接 一个补油泵和具有一

3、定容量的油箱。 闭式回路传动系统 的优点是油箱体积小, 结构比较紧凑, 空气不易渗入系 统油液中。 另外, 在闭式回路中能维持一定的背压, 工作 平稳性好, 操作灵活准确。 但这种液压传动回路的元件 结构复杂, 散热条件也差些, 并且要求有较高的油过滤 精度。 常用的闭式液压传动有如下几种传动方案:2.1定量油泵驱动定量马达这种组合方式的传动方案相当于机械轴或齿轮传 动, 在发动机和负荷之间传递功率, 但不能调节油马达 的转速和扭矩。 这种传动系统必须使用换向阀来改变油 马达的旋转方向, 其结构最简单, 可用于动力源与负载 之间较远但并不需调速的传动。2.2变量油泵驱动定量马达此种传动方案中油

4、泵的排量 qp 在 0 到最大之间调 节, 马达的排量 qm 不变化。 这时油马达的转速 nm 与油 泵的排量成正比, 当泵排量达最大值时, 马达的转速最 高, 而最低转速取决于油泵可能提供的最小稳定流量。当系统的工作压力保持恒定时, 由于马达的排量不变, 所以其输出的扭矩 Mm 为定值, 故称其为 “恒扭 矩工况” 。 马达的输出功率 Nm 则与转速 nm 成正比, 如 图 2a 所示。该传动方案具有很大的调速范围, 马达的转速可 以在 0 到最大之间无级调节。 只要油泵有流量输出, 马 达就会有最大的起动扭矩, 这极有利于克服负载的起动 惯性。 将油泵的排量从零逐渐增加就可以使马达起步 旋

5、转, 将油泵的排量逐渐减小到零就可以使马达停止旋 转, 因此传动系统中不必另设离合器就可以使负载运转 起步或停止。 对于闭式回路系统, 当油泵的排量为零时 将使马达不能转动, 从而能实现机器执行机构的工作制图1 全液压传动单轮振动压路机2闭式液压系统及其传动方案液压传动系统按照液流的循环形式, 分成开式调 速回路与闭式调速回路两种。 开式回路中的油泵从油箱 吸油进管路, 油液完成工作后便排回油箱。 开式回路传 动的优点是结构简单, 油的散热和澄清条件好。 缺点是 油箱体积大, 空气渗入油液会带进传动元件, 从而造成 系统中的液压冲击大。 闭式回路中油泵的吸、 排油口直 接与执行元件的油口相连,

6、 油液的流动形成一个闭合循 发动机振动转向行走892010.02建设机械技术与管理动, 在理论上讲可以不另设制动器。 该传动方案还可以 很容易地通过改变油泵和马达中油流的方向 (油的进出 口变换 来实现工作机构的正反转, 使得机器换向操作 简化。 另外, 此种传动方案的结构和操纵都还是比较简 单的, 因为变量泵比变量马达简单而且造价低, 机器运 转的起步、 变速、 换向及停车制动能实现单杆操作。但这种传动方案只有在马达输出扭矩最大和理论 转速最高时, 马达才能有最大的输出功率, 在其它情况 下则不能。 因此, 发动机的功率经常得不到充分利用。2.3定量油泵驱动变量马达此种传动方案中油泵的排量

7、qp 不变化, 马达的排 量 qm 在最大与最小之间调节。 这时油泵的流量即是通 入马达的流量不变, 马达的转速 nm 与其排量成反比。 但马达的排量不可能太大, 否则会使马达的结构很庞 大; 马达的排量也不可能太小, 否则会使马达转速过高 而导致 “飞车” 。由于油泵的流量不变, 马达的输出功率 Nm 就是恒 定值, 故称其为 “恒功率工况” 。 马达的输出扭矩 Mm 与 其排量 qm 成正比, 而 Mm 与转速 nm 成反比, 如图 2b 所示。这种传动方案能使发动机在保持恒定功率的条件 下工作, 从而能最大限度地利用发动机功率, 达到节省 能源的目的。 但由于马达的排量不能过大, 也不能

8、过小, 所以这种传动方案的调速范围很有限, 仅能达到 34。 又由于马达的排量很小时不能正常工作, 其变量机构也 不可以通过零位, 所以无法实现马达的换向旋转, 若需 换向时只能采用开式回路并加设换向阀完成。 马达的排 量不能很大, 使得机器执行机构没有低速工作范围, 必 须另设离合器才能保证机构运转的停车或原地起步。2.4变量油泵驱动变量马达此组合综合了 上述两种变量调速系统的全部技术 性能方面之优点, 可以很方便地实现执行机构起动、 变速、 换向及停车制动, 其调速范围更大, 并且具有低速恒 扭矩和高速恒功率的调速特性。这一传动方案的调速过程通常分为两个阶段进行。 在第一阶段开始时, 先将

9、油马达的排量固定在最大值, 调节油泵的排量从零逐渐调到最大值, 此过程中马达的 转速从零逐渐升高到第一阶段的最大值; 然后开始第二 阶段的调速, 此时油泵保持其最大排量不变, 调节马达 的排量从最大逐渐调到最小值, 马达的转速则从第一 阶段的最大值逐渐升高到第二阶段的最大值。 从上述两 个调速阶段可以看出, 低速至中速之间用变量泵调速, 中速至高速之间用变量马达调速, 故其调速范围甚广 , 其输出特性曲线见图 2c 所示。此液压传动系统中, 当油泵的排量处于零时, 没有 动力输出。 但变量马达却在最大的排量位置, 马达输出 轴上具有最大的起动扭矩。 在这一阶段, 对任一给定的 压力, 油马达的

10、输出扭矩都为恒定值。 前后两个阶段相 接之时, 油泵和马达都具有最大的排量。 此后马达的排 量将从最大到最小, 马达的输出扭矩减小而输出转速提 高, 输出功率则保持恒定。 也就是说, 低速至中速之间 为恒扭矩传动, 中速至高速之间为恒功率传动。此种传动方案在技术性能方面可以说是最理想的, 但其结构也是最复杂的, 只有用于调速性能要求高的大 功率传动才是合理的, 这时可以用液压伺服机构调节油 泵和马达的排量。 也有在小功率的变量泵变量马达 调速回路中使用手动调节排量的。3典型的闭式液压系统及其油路分析图 3 所示为采用变量轴向柱塞泵和定量轴向柱塞 马达组成的闭式回路系统。 发动机驱动变量泵 2

11、工作, 图示为停车状态。 若将换向阀1的手柄推向前, 则从供油 泵 3 来的油经过换向阀推动伺服缸活塞使变量泵的斜 盘倾斜一个角度, 高压油经上部管路进入油马达 12, 马图2N mM m q pn mM m n mN mN m M m n mM mn mN mM mn mM mn mN mM m q pq p maxq p maxab cO902010.02CMTM 达输出功率驱动负载运转。 油马达的回油经下部管路流 到变量泵的低压侧, 形成了一个封闭循环油路。 与此同 时, 高压油使梭阀 11(平衡阀 下移, 一部分从油马达流 回的低压油经此梭阀和回油溢流阀 10 流回油箱。 而供 油泵补

12、充的冷却油经下部的单向阀 8 也流到油泵的低 压侧, 从而使得油液能更新一部分 。由操纵手柄扳动角度的大小, 可以控制进入伺服油 缸油量的多少, 以调节油泵斜盘倾角的大小, 从而改变 柱塞泵的排量大小达到调速的目的。 假如出现油马达过 载, 则高压油将从上部的高压溢流阀 9 流向低压侧, 这 时的油泵能自成回路, 而油马达停止运转, 这样就达到 了保护机件的目的。若将换向阀1的手柄拉向后, 则供油泵的油推动伺 服缸活塞使变量泵的斜盘反向倾斜, 油泵的进、 排油口 调换, 下部的管路成为高压侧, 上部管路成为低压侧, 则 油马达反向旋转, 推动压路机后退。 这时的高压油将迫 使梭阀上移, 同样有

13、一部分油马达的回油经梭阀和回油 溢流阀流回油箱, 而供油泵的补油经上部的单向阀8流 往油泵的低压侧。 油马达反转过载时, 高压油将从下部 的高压溢流阀9流向低压侧, 从而使油马达停止运转。若将换向阀手柄扳到中位, 油泵伺服缸中的油液泄 空, 变量泵的斜盘恢复到零位, 油泵就不再排油。 此时 梭阀两端的控制油压平衡而也处中位, 切断了通往油箱 的油路, 闭路液压系统即产生制动。 这时供油泵的排油 将通过溢流阀4排回油箱。由上述介绍可知, 只需操纵换向阀手柄前后扳动, 就可以完成负载运转的起步、 变速、 停车与换向, 从而实 现了系统的单杆操纵、 无级调速和液压制动。 1. 换向伺服阀2. 驱动泵

14、3. 供油泵4.进油溢流阀5. 油滤器6. 液压油箱7. 空滤器8. 补油单向阀9.高压溢流阀10.回油溢流阀 11.梭形平衡阀12.驱动马达13. 第二驱动马达图3 闭式回路液压传动系统每一闭式回路液压系统都由供油路、 主油路两个部 分组成, 现作如下分析。3.1供油泵的任务供油油路由与主泵 2 安装在一起的供油泵3和换向 阀1、 单向阀 8(两个 、 供油溢流阀 4 组成, 作集成化安 装。 其中供油泵的任务是:(1 不断地向闭式驱动油路供给足够的油, 以补偿系统中各元件的渗漏损失, 保证液压系统的正常工作;(2 向主泵的伺服机构供给压力油, 使伺服机构能 稳定地工作, 并润滑各零部件;(

15、3 向闭式回路液压系统提供新油, 迫使闭式回路 中的油不断与油箱的油循环, 以得到冷却和过滤;(4 向激振器驱动液压系统的电液换向阀提供压 力油, 以保证其正常地工作。3.2供油路上诸阀的作用在此供油油路上有三种油阀, 它们的作用分别是:(1 换向阀 1 它控制变量泵 2 斜盘倾角的大小和 方向, 从而改变液压系统中压力油的油量大小和流向, 完成压路机行走的操纵;(2 两个单向阀 8 它们能使供油泵3始终向闭式 油路中的低压侧补油;(3 供油溢流阀 4 用于控制补油压力在 1.52 M P a, 以保证有足够的油压向主油路补油, 使主泵伺 服机构和振动液压系统中的电液换向阀能正常工作, 在 停

16、车制动时供油泵的排油从此溢回油箱。这三种油阀都与主泵做成一体, 供货时应由制造商 调节好补油压力。3.3主油路的组成及其控制阀主油路由变量泵 2、 马达 12、 13 和梭阀 11、 回油溢 流阀 10、 高压溢流阀 9(两个 组成, 其中所有的液压阀 都与马达 12 集成在一起。 主油路完成液压系统中的能 量转换与传递, 以驱动工作机构。 第二马达 13 用于两 个相同作用的工作机构, 主油路中的三种液压阀都是通 用的, 它们的作用分别是:(1 梭阀 11 它能使闭式回路中的低压油接通回 油箱的路, 以促使液压油的循环冷却与过滤, 而在两 端的压力平衡时能关闭回油箱的路, 从而产生液压制 动

17、效果;(2 回油溢流阀 10 用于保持液压系统主油路的 回油背压, 此阀的调整压力应比供油溢流阀 4 的压力小123456789101112130.3 MPa, 以保证供油路能正常补油;(3 高压溢流阀 9 用于限定整个液压系统的最大 工作压力不得超过许用值, 起到过载保护作用。3.4液压系统中的辅助元件在该系统的供油路吸油口装有一个油滤清器 5, 其过滤精度为 10m, 要保持进油管的压力在 0.05 0.08 M P a 之间。 过高的油压会使得吸油困难, 尤其是冬 季明显; 过低的油压容易混进空气, 能造成液压零件的 汽蚀。 油路中还设有三个测压口 (X处 , 可以随时测试 供油压力、

18、工作压力和回油压力。压路机液压传动系统的散热是十分重要的, 要保证 压路机工作时的液压系统热平衡温度不高于 70 , 短 时高温也不得超过 80 。 液压油冷却器应连接在回油 量较大系统的回油路上, 因为几个系统共用一个油箱, 以求油液循环得快, 容易冷却充分 。还有的在供油泵的吸油口装了带真空表的滤油器, 若真空度达到 0.025 M P a时, 则应立即更换滤油芯, 这 进一步保护了液压系统。4闭式液压系统在压路机上的应用液压系统还可以按马达形式的不同分为高速与低 速两种传动方案。 高速传动方案中使用高速马达, 以及 因为泵的转速高, 故液压装置的公称尺寸小, 管路的计 算尺寸也减小 了

19、。 但对于低速运转的执行机构, 例如车 轮行走, 则必须连接机械式的减速增扭机构。 当用于驱 动振动压路机的激振器旋转时, 可以实现振动调频和利 用马达的正反转调节振幅。低速方案与高速方案的区别仅在于使用了低速大 扭矩油马达。 用低速大扭矩马达作行走驱动, 在理论上 可不必再设减速增扭的机械传动装置, 大大简化了压路 机的结构。 但低速传动方案的制命弱点是低速起动及制 动时易产生爬行现象, 这不利于保证和提高铺层表面的 压实质量, 特别是不适用路面型压路机的行走传动。 为 了克服这一弱点, 大多数使用低速传动方案的压路机上 都在油马达之后保留了 一级最终传动。4.1单轮驱动压路机行走液压系统压

20、路机的行走由于其速度低, 且行走车轮 (即碾压 滚轮 的直径和重量都很大, 压路机在松软铺层上行 走, 行使阻力很大, 这就要求有很大的驱动力; 压路机 在压实作业时, 总是要前进停止后退, 这样往复循 环行走, 所以换向很频繁; 压路机施工作业时应能平滑 而连续地加速、 减速和转向, 因为任何的冲击都会对压 实质量有不利的影响;压路机的行走速度对压实质量和 生产效率都起着重要作用, 能够优化行走速度才能解 决好质量和效率的矛盾。在压路机行走驱动装置的液压传动系统中, 一般都 采用由高效率的变量柱塞泵和柱塞马达组成的闭式回 路传动系统。 当采用高速油马达传动方案时, 使用驱动 桥作为减速增扭装

21、置, 其液压系统如图 3 中去掉前轮 驱动马达 13。为 了实现变量油泵的无级调节和中位的灵敏控制, 采用了 一种特殊结构型式的伺服调节装置。 由手柄操纵 的旋转运动通过一个相应机构的凸轮转变成推动控制 活塞的直线运动, 这个凸轮的曲线轨迹在靠近零位时 是很平坦的, 然后是进展的过程, 使压路机能平稳的停 止、 换向和起步, 并且还有可靠的零位手感。 通过这样 合理设计的凸轮工作曲线, 可以较好地改善液压冲击现 象。 图 4 所示为应得到的变量泵特征曲线。4.2全轮驱动压路机行走液压系统全轮驱动的单轮振动压路机, 比单桥驱动振动压 路机多了 一套振动轮驱动机构, 包括油马达和轮边减速 器。 该

22、振动轮行走驱动液压系统的供油与轮胎行走驱动 液压系统使用同一台变量油泵, 而多了 一个振动轮行走 驱动马达 13(见图 3 , 该马达与轮胎行走驱动马达并 联。 这样布置决不会出现前后轮之间的循环功率损失, 因为液压传动本身就有此自适应性。 从结构上看, 振动 轮行走驱动马达不再携带梭阀和高、 低压溢流阀, 因为 这些都可以是共用的。这种型式的液压传动系统可用于各种大规格的轮 胎驱动单轮振动压路机上, 能最大限度地提高压路机的 图4凸轮控制的变量泵特性-50-30-40-20-101020304050q/qmax/(°91 2010.02建设机械技术与管理922010.02CMTM

23、驱动能力, 特别是使大幅度增加振动轮的分配重量成为 可能, 并且振动轮的自我驱动还有利于提高铺筑层压实 的平整度。 对于超重型单轮振动压路机, 还应在振动轮 上设置液控制动器, 如图5所示。 所以其行走驱动液压 系统的另一个特点是附加了 一条制动油路, 这就使得供 油油路又多了 一项任务, 即要供给压力油以迫使制动器 释放制动。 安装在振动轮驱动减速器上的全盘式制动器 2, 是一个常闭式的液控制动器, 也称其为离合器式制动 器。 当发动机启动并带动供油泵旋转时, 制动阀4的电磁 铁通电, 阀蕊右移接通制动器的供油路而切断回油路, 则制动器在油压作用下开启。 当需要紧急制动时, 踩动 制动踏板,

24、 与踏板相联的压力开关使电磁铁断电, 制动 阀4的阀蕊复位, 则油路卸荷, 制动器闭合。 假如发动机 熄火 (断电 或供油压力不足, 制动器就不能开启, 那么 压路机就不能开动。驱动能力很大; 将控制阀上推, 则后轮的两个马达自成 循环油路, 后轮成为从动轮, 而油泵排出的所有油液都 进入两个前轮马达, 这时压路机行走的调速范围增大了 一倍, 同时压路机的驱动力也减少了一倍。 这样设置可 以充分利用发动机的功率和马达的输出扭矩, 在压实工 况使用低速档, 在行驶工况使用高速档。在压路机拖运时, 让发动机空运转就可以供油使制 动器脱开。 若拖运时发动机不能运转, 则需拆下制动器 控制油路的进油口管接头, 用黄油枪从此打进黄油, 也 能压迫制动器分离。对于双钢轮串联振动压路机, 其最明显的特点是具 有两个完全相同的振动轮, 因此也就有两套完全相同的 行走驱动系统, 即两个马达、 两个制动器和两个行星减速 器, 其供油及调速方法与全轮驱动单轮振动压路机一样。4.3无桥驱动压路机行走液压系统图 6 所示为全轮驱动三轮压路机的行走驱动液压 系统简图, 该系统由一个变量轴向柱塞泵, 四个定量径 向柱塞马达和速度控制阀组成。 四个油马达并