張立秀, 石景林
(1. 武漢城市職業(yè)學(xué)院, 湖北 武漢 430064; 2. 徐州市峰利液壓機(jī)械有限公司, 江蘇 徐州 221009)
隨著液壓技術(shù)的快速發(fā)展,現(xiàn)代化的工程機(jī)械越來越多地使用了液壓系統(tǒng),尤其廣泛用于工程機(jī)械的行走驅(qū)動(dòng)[1-3],例如裝運(yùn)機(jī)械和混凝土機(jī)械用于隧道施工時(shí),都是在陜小通道中穿梭進(jìn)退、曲折迂回,對(duì)作業(yè)噪聲、排放、調(diào)速換向、低速穩(wěn)定性、操作舒適性等要求較高[4],為了方便操作、提高行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的性能,將DA控制閥用在液壓泵上(DA泵),可以組成閉式控制系統(tǒng),無級(jí)調(diào)節(jié)液壓泵排量,從而自動(dòng)控制工程機(jī)械達(dá)到最佳工作狀態(tài),同時(shí)還可減輕操作者的疲勞和負(fù)擔(dān)。DA閥是我國(guó)引進(jìn)德國(guó)力士樂公司專利技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品,將其安裝在一款閉式柱塞泵上,賦予這款泵一種特殊的控制方式,即DA控制(一種與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或自動(dòng)行駛有關(guān)的控制系統(tǒng)),這種泵稱為DA泵。DA閥芯能夠產(chǎn)生一個(gè)與泵的轉(zhuǎn)速成比例的控制壓力,并通過一個(gè)液控閥進(jìn)入帶伺服活塞的油缸,控制液壓泵的泵油方向和輸出流量大小,泵的方向控制閥由操作者操縱。這款泵的液壓系統(tǒng)是專門為驅(qū)動(dòng)設(shè)備的行走而設(shè)計(jì)的,無需控制其他的閥來調(diào)節(jié)行駛速度,只要踏動(dòng)油門踏板就可以任意控制設(shè)備的行駛速度。因此,操作者熟知DA泵的功能控制原理和掌握DA泵系統(tǒng)調(diào)試方法顯得尤為重要。
文獻(xiàn)[5-6]用仿真軟件和試驗(yàn)對(duì)比,得出DA泵控系統(tǒng)能自適應(yīng)外界負(fù)載的變化;文獻(xiàn)[7-12]對(duì)DA閥利用自動(dòng)調(diào)節(jié)作用,使其發(fā)揮最佳工作狀態(tài)的泵控原理進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[13]研究了液壓泵與液壓馬達(dá)聯(lián)合控制原理與控制算法。以上研究都取得了一定的成果,并為本文提供了理論基礎(chǔ)與研究思路,然而通過行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研了解到,在不同工況和DA系統(tǒng)修復(fù)過程中,操作者對(duì)DA控制系統(tǒng)的主要功能理解不足,特別是在設(shè)備維護(hù)時(shí)對(duì)DA泵參數(shù)設(shè)置及調(diào)試不能與發(fā)動(dòng)機(jī)很好匹配,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)容易出現(xiàn)熄火、功率下降和怠速憋車等現(xiàn)象,這類故障現(xiàn)象在互聯(lián)網(wǎng)如愛液壓論壇、第一工程機(jī)械網(wǎng)維修論壇等有特別多求助得不到很好的解答。本文通過實(shí)測(cè)系統(tǒng)曲線驗(yàn)證DA泵的3大功能,在文獻(xiàn)[14-15]的基礎(chǔ)上,提出DA泵的系統(tǒng)調(diào)試方法,以期為使用和保養(yǎng)維護(hù)DA閥系統(tǒng)提供參考。
DA泵的控制原理如圖1所示。補(bǔ)油泵1輸出流量Q1,通過DA閥2分2路輸出,一路給系統(tǒng)正常補(bǔ)油使用,由溢流閥5限定壓力p3;另一路即為DA閥調(diào)節(jié)輸出的壓力p2,且p2=pst,pst為先導(dǎo)壓力,供給泵的伺服活塞用于控制斜盤擺動(dòng)從而改變排量,通過泵上自帶的方向控制閥3,控制進(jìn)入伺服活塞油缸4的液流方向,從而控制斜盤的正擺和反擺。圖中的控制閥3,若電磁鐵a得電,則A口得高壓,若電磁鐵b得電,則B口得高壓,使得泵的A口出油或B口出油,從而實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的正反轉(zhuǎn),或者設(shè)備的前進(jìn)和后退動(dòng)作。
DA閥的構(gòu)成如圖2所示。主要功能元件包括調(diào)節(jié)螺栓、初始?jí)毫椈伞⑶袚Q彈簧、主閥體、滑動(dòng)閥芯、節(jié)流孔片。調(diào)節(jié)螺栓的作用是調(diào)節(jié)初始?jí)毫椈傻念A(yù)緊力;初始?jí)毫椈傻淖饔昧?huì)與閥芯的初始動(dòng)作壓力所產(chǎn)生的作用力相平衡;切換彈簧用于控制排量;主閥體固定在泵體內(nèi);滑動(dòng)閥芯是DA的主閥芯;節(jié)流孔片是限制補(bǔ)油流量并產(chǎn)生壓差推動(dòng)閥芯工作的元件。
圖1 DA泵的控制原理示意圖
1—調(diào)節(jié)螺栓; 2—初始?jí)毫椈桑?3—切換彈簧; 4—主閥體; 5—滑動(dòng)閥芯; 6—節(jié)流孔片。
2.1.1 與速度相關(guān)的基本原理
如果發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為n,補(bǔ)油泵的排量為qc,則補(bǔ)油泵輸出流量
Q1=n×qc。
(1)
又根據(jù)流量壓力特性方程有:
(2)
整理式(2)得:
(3)
式(1)—(3)中:ρ為流體黏度;K為節(jié)流孔的形狀系數(shù),一般取0.9; Δp為節(jié)流孔前后壓差,Δp=p1-p3;d0為節(jié)流孔的直徑。
DA閥剖面如圖3所示。當(dāng)補(bǔ)油泵向DA閥輸入壓力p1、流量Q1時(shí),在節(jié)流孔處產(chǎn)生壓差Δp,該Δp克服彈簧力推動(dòng)閥芯右移打開控制窗口輸出p2,此時(shí)又作用在面積A2上產(chǎn)生一個(gè)使閥芯左移關(guān)閉控制窗口的反饋力,最終使閥芯處于一個(gè)平衡位置,即:
圖3 DA閥剖面圖
DA閥閥芯所受合力Fv=p1A1-(p2A2+p3A3+Fs)=0,則有p2A2=p1A1-p3A3-Fs。假定A1=A3,則:
(4)
將式(1)和式(3)分別代入式(4),整理得:
(5)
(6)
由于變量泵(主泵)和補(bǔ)油泵同軸,則式(5)—(6)表明DA控制閥將變量泵的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變成補(bǔ)油泵的對(duì)應(yīng)油量,并將輸出的控制壓力p2與變量泵的控制機(jī)構(gòu)(伺服油缸)聯(lián)在一起,構(gòu)成一個(gè)曲型的DA控制閉式系統(tǒng)。
工作時(shí),當(dāng)駕駛員輕輕踩動(dòng)腳踏板,柴油機(jī)轉(zhuǎn)速隨之改變,通過DA閥控制,主變量泵的流量隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速平方的變化而變化,而這個(gè)流量去驅(qū)動(dòng)行駛馬達(dá)旋轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)行走的無級(jí)調(diào)速。
2.1.2 DA閥的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)
首先需要調(diào)節(jié)控制起始點(diǎn),斜盤初始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就是DA控制的起始點(diǎn),斜盤角度最大時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就是DA閥控制的終點(diǎn),即DA閥輸出的控制壓力p2隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而逐漸增大,直至推動(dòng)斜盤開始擺動(dòng),此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速即為泵的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速。由式(6)可知,在DA閥的結(jié)構(gòu)尺寸一定時(shí),控制壓力還與d0及Fs有關(guān),所以節(jié)流孔的孔徑d0和彈簧的預(yù)緊力Fs都需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)曲線來具體匹配。
DA閥的彈簧和節(jié)流孔的特性曲線如圖4所示。圖中曲線是DA閥在改變節(jié)流孔的孔徑和彈簧預(yù)緊力的情況下測(cè)試出來的,其中的3條曲線分別為DA閥在3種不同參數(shù)下的曲線。d01、d02、d03分別為DA閥的3個(gè)節(jié)流孔徑,d01>d02=d03;Fs1、Fs2、Fs3分別為DA閥的3個(gè)彈簧預(yù)緊力,F(xiàn)s1=Fs2>Fs3。
圖4 DA閥的彈簧和節(jié)流孔的特性曲線
DA閥集成在泵里,伺服活塞油缸復(fù)位彈簧不同的壓縮量所產(chǎn)生的力,對(duì)應(yīng)泵的排量從0到最大。例如隧道濕噴車行走機(jī)構(gòu)上的DA泵A4VG71的制造商規(guī)定了p2為0.55~1.8 MPa,這意味著先導(dǎo)壓力在0.55 MPa時(shí)斜盤開始變量,且DA閥輸出的先導(dǎo)壓力(控制壓力)達(dá)到1.8 MPa時(shí)泵的排量達(dá)到最大。
綜合式(6)和圖4可知,在不同的彈簧初始?jí)嚎s量、DA閥上不同的節(jié)流小孔下,如果系統(tǒng)的先導(dǎo)壓力為0.55~1.8 MPa,可以得到如下結(jié)論:
1)式(6)表明初始?jí)毫椈傻膲嚎s量決定了曲線的起始?jí)毫Υ笮?,而?jié)流孔的d0大小決定了曲線變化斜率。由圖4的d01曲線和d02曲線可知,節(jié)流孔的d0越大,斜率越小,變化越慢,輸出的控制壓力越小,轉(zhuǎn)速變化范圍越大;反之,節(jié)流孔的d0越小,斜率越大,變化越快,輸出的控制壓力越大,轉(zhuǎn)速變化范圍越小。
2)調(diào)整初始?jí)毫椈沙跏級(jí)嚎s量,可以決定斜盤變量的起始點(diǎn)。在節(jié)流孔d0相同的前提下,由圖4的d02曲線和d03曲線(d02=d03)可知,2條曲線完全平行,而壓力的起始點(diǎn)不同,轉(zhuǎn)速變化的范圍也不同;Fs2曲線起始?jí)毫π∮贔s3曲線起始?jí)毫?Fs2>Fs3),說明預(yù)緊力越小,彈簧越松,閥的開口就越大,先導(dǎo)口通過油量就越大,先導(dǎo)壓力越高;且Fs2所在曲線的轉(zhuǎn)速范圍大于Fs3所在曲線的轉(zhuǎn)速范圍。
綜上所述,調(diào)節(jié)初始?jí)毫椈傻念A(yù)壓縮量可以確定DA閥的控制起點(diǎn),即柴油機(jī)需達(dá)到調(diào)定的轉(zhuǎn)速值后,主變量泵才有流量輸出,行走馬達(dá)才能旋轉(zhuǎn);改變彈簧剛度和節(jié)流口直徑可以改變?cè)O(shè)備的自動(dòng)變速范圍。
DA閥使得液壓泵具有恒功率功能,當(dāng)起始點(diǎn)設(shè)定后,DA泵在運(yùn)行的過程中受到回程力的影響,具有了斜盤回?cái)[的特征,使得泵的輸出功率在運(yùn)行過程中保持基本恒定。功率
P=ΔpQ。
(7)
式中Q為泵的輸出流量。
對(duì)于泵的狀態(tài),總效率在一個(gè)時(shí)間段是不變的,可以看做常數(shù),因此當(dāng)功率P恒定的時(shí)候,可得P=ΔpQ=C或Q=C/Δp。Q與Δp成反比,即當(dāng)液壓泵的功率調(diào)定之后,在固定轉(zhuǎn)速下,泵的排量增大,泵的壓力就會(huì)自動(dòng)下降,從而保持功率的恒定。
從DA泵的DA閥控制過程來看,以DA泵A4VG71為例,根據(jù)轉(zhuǎn)速的變化,先導(dǎo)壓力在0.55~1.8 MPa變化,泵的排量也在vmin到vmax變化,即當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的初始轉(zhuǎn)速?gòu)膎min開始調(diào)整,此時(shí)泵的排量為vmin,先導(dǎo)壓力應(yīng)為0.55 MPa左右;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速到達(dá)nmax時(shí),泵的排量會(huì)達(dá)到vmax,即為泵的額定排量,先導(dǎo)壓力pst,max=1.8 MPa。
DA閥的控制系統(tǒng)如圖5所示。DA閥輸出的控制壓力p2作用于伺服活塞,使泵的斜盤朝大排量方向擺動(dòng),系統(tǒng)壓差Δp產(chǎn)生的回?cái)[力Fp使斜盤朝小排量方向回?cái)[。如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定在某個(gè)值nx,此時(shí)先導(dǎo)壓力也穩(wěn)定在某個(gè)值pstx,如果系統(tǒng)加載,Δp繼續(xù)增大,則Fp繼續(xù)增大,當(dāng)p2和Fp二者作用力矩平衡時(shí),斜盤停止擺動(dòng)并穩(wěn)定在這一位置。此時(shí),如果再繼續(xù)增大Δp,斜盤的轉(zhuǎn)矩平衡就會(huì)被打破,產(chǎn)生反轉(zhuǎn)矩,斜盤就會(huì)向排量減小的方向回?cái)[,這個(gè)平衡點(diǎn)的壓力差Δpx和泵排量vx所算出的功率,就是這個(gè)DA泵的恒功率值。
圖5 DA閥的控制系統(tǒng)
DA泵的恒功率曲線如圖6所示。圖中2條恒功率曲線P1和P2,當(dāng)液壓泵調(diào)至較高的排量v0.9時(shí),如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為最大值nmax,則Q=nmax×v0.9。如果調(diào)節(jié)正時(shí)螺栓,可以調(diào)節(jié)伺服壓力和回程力的支點(diǎn)位置,則會(huì)改變斜盤的回?cái)[點(diǎn),如圖6曲線上的回?cái)[點(diǎn)。在回?cái)[點(diǎn)上,如果繼續(xù)增加泵的出口壓力(即加載),在轉(zhuǎn)速不變的情況下,排量v會(huì)隨著壓力增大而下降,從而保持了功率的恒定。
圖6 DA泵的恒功率曲線
這種恒功率調(diào)節(jié)功能特別適用于隧道施工機(jī)械,可以有效地減輕操作者負(fù)擔(dān),自動(dòng)保護(hù)發(fā)運(yùn)機(jī)免于過載。
DA控制另一個(gè)重要作用是負(fù)載極限控制,即壓力切斷功能。如圖5中,當(dāng)回程轉(zhuǎn)矩與伺服活塞力轉(zhuǎn)矩達(dá)到平衡時(shí),此時(shí)的泵達(dá)到最大排量,通過加載增大輸出壓力p,回程力就會(huì)增大,斜盤開始回?cái)[,泵的排量v開始下降,稱此點(diǎn)為回?cái)[點(diǎn)。如果p達(dá)到最大值pmax,回程力也達(dá)到最大值,直至將斜盤推到中位,此時(shí)泵的排量v≈0,此時(shí)的壓力pmax即為切斷壓力;同樣調(diào)節(jié)正時(shí)螺栓也可以改變切斷壓力的大小。
變量泵利用DA閥的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用,始終保持泵的轉(zhuǎn)矩不會(huì)超過發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩,以防止發(fā)動(dòng)機(jī)熄火,達(dá)到變量泵與發(fā)動(dòng)機(jī)間功率的最佳匹配。
以某濕噴車行走機(jī)構(gòu)上的DA泵A4VG71為例,介紹DA泵的調(diào)試。
1)測(cè)試調(diào)節(jié)。原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為0~2 000 r/min,液壓油溫為40~60 ℃。
2)調(diào)定起始點(diǎn)。包括起始轉(zhuǎn)速、起始?jí)毫???紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)等因素,調(diào)定起始點(diǎn)的轉(zhuǎn)速一般需要高于怠速的轉(zhuǎn)速200 r/min,目的是為了避免DA閥在怠速的時(shí)候產(chǎn)生的壓力過高并啟動(dòng)泵的斜盤,導(dǎo)致設(shè)備在怠速時(shí),即發(fā)動(dòng)點(diǎn)火時(shí)產(chǎn)生動(dòng)作,造成意外。
DA泵壓力調(diào)試表如圖7所示,可以使用2個(gè)變量來改變控制起始點(diǎn): 1)調(diào)節(jié)起始彈簧,旋動(dòng)調(diào)節(jié)螺栓;2)改變節(jié)流孔(孔徑),更換節(jié)流片。
1—內(nèi)六角螺栓(調(diào)節(jié)DA閥的起點(diǎn)彈簧力); 2—正時(shí)螺栓(調(diào)節(jié)配流盤預(yù)壓角)。
調(diào)節(jié)DA閥的端部螺栓1可以改變控制啟動(dòng)的開始點(diǎn),從而影響彈簧力,該彈簧力與先導(dǎo)壓力pst作用,從而使泵旋轉(zhuǎn)。松開調(diào)節(jié)螺栓1,以設(shè)定更早的控制起始點(diǎn),啟動(dòng)速度ni降低,同一個(gè)速度下控制壓力pst更大;擰緊調(diào)整螺栓1,以設(shè)定更遲的控制起始點(diǎn),啟動(dòng)速度ni升高,同一個(gè)速度下控制壓力pst更小。
1)啟動(dòng)原動(dòng)機(jī),將轉(zhuǎn)速調(diào)到800 r/min。
2)打開泵的控制閥。如果是電控閥,加載電流600 mA以上;如果是液控閥,加載壓力需要1.8 MPa及以上。
3)提高原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速至n=1 000 r/min,根據(jù)先導(dǎo)壓力設(shè)定值pst≥0.55 MPa,如果先導(dǎo)壓力達(dá)到0.55 MPa或更高,泵應(yīng)該有流量出現(xiàn),然后在A口或B口進(jìn)行加載,p=5 MPa。如需調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速n,則需要調(diào)節(jié)預(yù)壓彈簧,見圖7中的螺栓1。
4)繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速n=1 000~1 900 r/min,此時(shí)泵的排量v會(huì)繼續(xù)增加,達(dá)到最大排量vmax時(shí),記錄控制壓力pst,此時(shí)pst≥1.8 MPa。
5)繼續(xù)加載p,使得壓力從5 MPa增加至30 MPa,在這個(gè)過程中關(guān)注流量QA的變化,記錄流量QA開始減小的點(diǎn)(轉(zhuǎn)速值或先導(dǎo)壓力值),此時(shí)的壓力為斜盤回?cái)[壓力p。
6)已知發(fā)動(dòng)機(jī)功率為90 kW,則液壓系統(tǒng)功率不能超過90 kW ,需要通過圖7中的正時(shí)螺栓2微調(diào)配油盤的角度,確定最大排量下的回?cái)[壓力,從而對(duì)泵的功率輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)。在最高壓力為35 MPa、轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí),泵的排量?jī)H允許為102 mL/r;在最大排量為250 mL/r、轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí),允許壓力為14.3 MPa,2種工況下計(jì)算得泵輸出功率均約為89 kW,與發(fā)動(dòng)機(jī)功率相匹配。
7)當(dāng)液壓泵在最大排量250 mL/r下運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,實(shí)際流量為375 L/min,此時(shí)操作加載閥,使泵的壓力逐漸加載到14.3 MPa,此時(shí)流量會(huì)開始下降,斜盤自動(dòng)回?cái)[;如果加載壓力繼續(xù)調(diào)高,流量將繼續(xù)下降,直到壓力達(dá)到最大值35 MPa,流量也會(huì)隨之降低至102 mL/r。DA泵的恒功率曲線就是這樣獲得的。
DA系統(tǒng)實(shí)測(cè)壓力曲線如圖8和圖9所示。圖中,藍(lán)色曲線為補(bǔ)油泵出口壓力曲線,橙色曲線為高壓腔壓力曲線,綠色曲線為先導(dǎo)壓力曲線。圖8中,曲線中的點(diǎn)0為泵軸未轉(zhuǎn)動(dòng);點(diǎn)4至點(diǎn)6為加速的過程,泵的斜盤開始轉(zhuǎn)動(dòng),產(chǎn)生排量;在點(diǎn)4至點(diǎn)6加速至最大轉(zhuǎn)速;在點(diǎn)6后開始加載至最高壓力;點(diǎn)7時(shí)為壓力切斷點(diǎn)。
圖8 DA系統(tǒng)實(shí)測(cè)壓力曲線圖
圖9 DA系統(tǒng)實(shí)測(cè)壓力曲線選框A放大圖
由圖9可知: 點(diǎn)1 A、B口的壓力接近,為補(bǔ)油壓力和低壓腔壓力,點(diǎn)1至點(diǎn)2應(yīng)為怠速壓力;點(diǎn)2至點(diǎn)3為加速過程,點(diǎn)3對(duì)應(yīng)的綠色曲線,先導(dǎo)控制壓力達(dá)0.55 MPa,此時(shí)點(diǎn)3的出口壓力也開始增大,因此點(diǎn)3就是DA控制的起始點(diǎn)。
通過對(duì)濕噴車行走機(jī)構(gòu)上的DA閥和DA泵的結(jié)構(gòu)原理及實(shí)測(cè)DA系統(tǒng)所得到的曲線進(jìn)行分析,可得到以下結(jié)論:
1)DA閥所在的DA泵組成的系統(tǒng)可以適用于各種行走設(shè)備的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),通過發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制泵的排量,具有自動(dòng)檔駕駛的功能,方便操作。
2)當(dāng)泵的壓力達(dá)到設(shè)定的最大極限壓力時(shí),斜盤會(huì)回?cái)[至中位,泵的排量接近為0,泵保持最大壓力輸出的同時(shí),排量為微小排量,接近于0,即DA泵具有壓力切斷功能。
3)使用DA閥的泵具有恒功率功能,即泵的輸出功率會(huì)在一定范圍內(nèi)可調(diào),通過調(diào)節(jié)并鎖定泵的設(shè)定,使得泵有一個(gè)穩(wěn)定的功率輸出,以適應(yīng)原動(dòng)機(jī)的功率。
4)在泵檢修時(shí)或設(shè)定DA閥時(shí),只有系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整和設(shè)置得當(dāng),才能使DA泵的功能在工作時(shí)得到充分發(fā)揮。
DA系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定和調(diào)試會(huì)受到各種環(huán)境和工況的不確定性因素影響,建議在具體使用DA閥的應(yīng)用系統(tǒng)中,參考發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速和加速參數(shù)、液壓油的具體型號(hào)以及調(diào)試過程中液壓油的溫度,保證DA閥系統(tǒng)的正常工作。