V30D 负载敏感变量泵与PSV 比例多路换向阀在工程机械中的应用

姜 鹏，王 涛，张金龙，吕秀梅，王占武

（1.辽宁瀚石机械制造有限公司，辽宁 阜新 123000；2.沈阳卓信机电设备有限公司，辽宁 沈阳 110000；3.辽宁北辰液压气动有限公司，辽宁 阜新 123000）

工程机械在露天矿开采中发挥着越来越大的作用，无论是钻孔爆破常用的钻机，还是挖掘运输的液压正铲，都在矿石开采过程中发挥着不可替代的作用[1]。目前工程机械大多采用全液压驱动模式，为了节约能量、降低油温和提高控制精度，以及使同步动作的几个执行元件在运动时互不干扰，较先进的工程机械都采用了负载敏感泵与比例负载敏感多路阀技术。使用负载敏感泵和比例负载敏感多路阀则可使流量和压力与系统所需达到最佳匹配要求，这是目前大流量液压系统首选的控制方案[2]。

1 负载敏感变量泵和多路阀液压系统

由于国内负载敏感阀与负载敏感泵技术起步较晚，而且负载敏感阀与泵的专业生产厂家又很少。目前工程机械常用的负载敏感系统中主要液压元件全部采用进口，其中，在工程机械领域，哈威公司生产的V30D 系列泵与PSV 负载敏感阀组成的负载敏感系统应用最为广泛。V30D 系列负载敏感泵与PSV系列负载敏感比例多路阀组成的液压系统原理图，如图1。

2 负载敏感泵

2.1 V30D 负载敏感泵简介

图1 负载敏感变量泵和多路阀组成的液压系统原理图

液压泵是整个液压系统的重要组成部分，相当于整个工程机械的“心脏”部分，负责整个钻机液压系统的动力输出。工程机械常用的V30D 系列液压泵具有压力切断－负载敏感等功能，D 系列V30 变量柱塞泵具有极高的安全可靠性。运行噪音低，工作压力高，最大峰值压力可以达到42 MPa，连续工作压力仍可达到35 MPa，比市场上常用的力士乐A4VO 系列泵（连续工作25 MPa）具有更高的工作压力，而且V30D 系列泵具有极高的功率/质量比及其广泛的控制范围，极为适合于各种工业设备及行走设备产品上使用。

V30D 系列柱塞泵基于斜盘原理：九柱塞副在每缸体旋转1 次完成1 次的吸油和压油的过程。该变量泵应用于开式变量液压系统。排量大小决定于斜盘摆角的大小。斜盘摆角的大小又可以无级调节达到合适的排量。同时最大排量可以通过设定螺钉机械限制。泵外表面设有摆角大小指示器，斜盘摆角的大小可以通过机械指示器看到[3]，从而直观的监测泵的排量大小，在不重要的场合，可以减少流量计的使用。

2.2 V30D 负载敏感泵变量原理

在常态时，泵的变量执行机构在弹簧力的作用下，使变量油缸处于最右端，此时，泵的斜盘摆角处于最大摆角，此时泵的排量最大。其中连接Ls 油口的阀为负载敏感阀。随着油泵的运转，系统压力逐渐升高，由于多路阀不动作，故多路阀负载传感口Ls无压力反馈至泵，当系统压力升高到能克服负载传感阀右端弹簧的压力（200 psi，1 psi＝6.895 kPa）时，负载敏感阀被打开，高压油经负载敏感阀和压力切断阀后进入油泵变量执行机构的无杆腔，同时，高压油也进入变量机构的油缸的有杆腔，但是，此变量机构的有杆腔和无杆腔的面积比为1∶4，因此，无杆腔产生的推力更大，克服变量机构的有杆腔的弹簧力，使变量机构向左移动，从而改变泵的摆角，减小油泵排量，直至近似接近于0，约为3～5 L/min，此时泵称为待机状态。待命压力一般约为1.4～3 MPa，因此系统的功率损失较小，系统产热量会很低[4]。系统这时，泵中少量的油液进行空循环，从而建立液压油膜，起到对轴承润滑的作用，防止在泵高速旋转下轴承发热量过高，影响轴承的寿命，从而影响泵的使用[5]。

多路阀动作时，此时负载传感阀中位被关闭，执行元件的负载压力经阀的Ls 口反馈至液压泵，变量执行机构无杆腔压力卸荷，泵摆角开始增大，油泵排量迅速增加，以满足执行机构流量需求[4]。

当液压缸的活塞运动至顶端位置时，进入多路换向阀的液流被阻止。此时，相当于负载无穷大，负载通过负载多路换向阀的Ls 口反馈至负载敏感泵的控制口，作用于负载敏感阀的右端，此时，作用于负载敏感两端的压力几乎相等。预调定的弹簧力（200 psi）将控制阀芯推至左端。高压油不能通过负载敏感阀泄掉，导致泵压迅速升至溢流阀调定的最大压力限定值，溢流阀工作在右位，高压油通过溢流阀进入变量机构的无杆腔，变量机构向左运动，油泵变量控制活塞的运动使斜盘倾角转至排量近乎为0的位置。液压泵仅提供保持高压的泄漏量。这种工况称液压泵的高压待机状态，直到高压负载力消除或方向控制阀回到中位[4]。

2.3 V30D 负载敏感泵恒功率控制原理

V30D 系列泵还具有恒功率控制机制，目的是充分利用电动机的功率，根据工作压力调节泵的排量，以避免被泵吸收的功率超过电动机提供的功率值。当达到设定最大功率时，随着压力的增大，泵的排量开始减小，从而保护电机不被损坏，同时，又可以满足工作要求，在执行员元件力或扭矩的输出不产生变化，只是速度的减小。恒功率控制时，液压泵工作在特性曲线为抛物线段，恒功率特性曲线如图2。

图2 恒功率特性曲线

V30D 系列柱塞泵为通轴设计，可后接辅助泵或V30D 系列泵，可以多个泵直接串联在一起，节省安装空间。解决了工程机械 安装结构受限的难题。

3 负载敏感比例多路换向阀

3.1 PSV 负载敏感比例多路换向阀简介

PSV 比例负载敏感多路阀是1 个能将压力、流量和功率变化信号向阀进行反馈，实现控制功能的阀，是在普通四通多路阀基础上发展起来的，它主要针对普通多路阀易受负载变化影响的缺点，用定差式补偿阀保持多路阀阀口压差近似不变，从而解决负载压力或油源压力波动的干扰问题。被广泛应用于变量泵系统。

PSV 比例多路阀连接块中常有减压阀、溢流阀、三通流量控制阀。当泵在启动瞬间时，压力油同时作用在三通流量控制阀两侧，但是三通流量控制阀的下侧有用来消除和平衡进油管路压力冲击的阻尼孔，当油液流通阻尼孔时，会产生压降，这时，上侧的高压油会克服阀下侧的弹簧力（0.9 MPa），使三通流量阀打开，这时泵会溢流，防止泵启动瞬间，泵摆角还没摆到最小时候的大流量液压冲击，当泵平稳运行时，油液充满阻尼孔，不再有油液流动，此时不会产生压降，此时，三通流量阀两侧的压力相等，阀在弹簧力的作用下重新关闭[6]。

溢流阀主要起保护系统作用，当负载敏感泵的压力切断功能出现故障时，可以通过多路阀溢流，保证系统的可靠性。

连接块中还设有减压阀，经过减压阀流出的油液（最大流量2 L/min），可以作为系统的先导控制油来使用，减压阀前设有内置的高压过滤器，可以对油液进行高精度过滤，从而保证流经减压阀的油液的清洁度，可以充分利用减压阀的出口油液。如本原理的减压阀流出的油液用来控制马达的双速切换；当换向阀采用液控先导换向阀时，减压阀的油液可以供给液控先导阀，从而控制多路比例阀的换向。减少了先导泵的使用[7]。

同时，连接块设有测压口M 口，可以方便测定液压系统的压力。

3.2 PSV 负载敏感比例多路流量分配原理

当多联阀同时工作时，多路阀能通过定差减压阀（流量分配阀）进行流量分配。通过的流量分配阀的流量可由下列计算公式得出[8]：

式中：Q 为通过阀的流量；Cd为流量系数；A 为面的面积；ρ 为油液黏度；△p 为阀前后压差。

其中，只有△p 为变值，其余均为固定值，但是，流量分配阀选用的为定差减压阀，从而确保△p 无论在负载如何变化时，都为一个固定值常数，保证了流过比例换向阀的流量为固定值，不受负载变化影响，保证执行元件的运行速度不发生改变。

同时负载敏感多路阀设置了感知各联阀所控制的执行机构负载压力大小的负载敏感通道。在比例多路换向阀的每片阀板上都单独装有1 个液压梭阀，通过该梭阀可以对每片阀上的负载压力进行比较，并取出钻机各个液压之路工作工作时的最大的压力值，通过Ls 口反馈到负载敏感式变量泵的排量控制口[9]。这样，可以保证多个液压执行元件同时且独立的工作，互不影响。

负载敏感多路可以根据工作负载需求，在需要的之路阀片中设置二次限压溢流阀，从而确保每个之路的液压压力可以单独限制。

3.3 PSV 负载敏感比例多路控制原理

PSV 系列比例多路阀控制方式具有多种方式可选择，可以采用常规的手动手柄操作，通过手柄来控制阀的开口方向与开口量，从而控制执行元件的换向与运行速度要求；操纵方式还有比例电磁铁，此款双联电磁铁具有外部密封及回油路相连的衔接铁腔，因此衔接铁无需润滑维修，由液压油进行保护防锈。通过改变比例电磁铁的电流大小，从而控制多路阀的方向与开口量。还可以采用液控先导控制，通过液控先导手柄，控制多路阀的方向与开口量。而且多种控制方式可以叠加使用，满足各种控制要求。

4 结语

V30D 系列负载敏感泵和PSV 系列负载敏感多路阀组合使用，广泛应用于行走机械液压控制系统中。针对特定的负载敏感泵和比例多路阀，分别介绍了负载敏感泵和负载敏感阀的原理和工作过程，基于负载敏感的液压系统在本公司生产的LWD－200系列钻机产品中进行试验应用表明，负载敏感系统同步动作的几个执行元件在运动时互不干扰，提高了控制精度，同时降低液压油温和节约了能源，降低了设备运行时的成本。