工程机械液压系统设计与优化分析

马兵

（中铁西南科学研究院有限公司，四川 成都 611731）

我国对重工业的发展异常重视，在液压系统的运行中，最关键的步骤是利用液压系统来保持正常运行所需的工作压力。这正如大卡车在上坡过程中，引擎引力与摩擦力促使其向前移动，但维持这种动力保持卡车不会向下滑坡，就要平稳地控制刹车及油路压力。保障工程机械保持稳定运行的正是液压系统的平稳工作压力。如液压硫化机的压力要在硫化周期的全过程保持稳定，才能有效对子午线轮胎硫化保证质量，避免轮胎产生气泡、缺胶或边缘厚度大等问题。通常液压系统的设计是指应用液压泵卸载回路及多相液压泵等系统来保持正常稳定的工程机械运行压力。但是，在实际液压系统的运行中，液压系统回路的保压效果好坏与筛选保压器件有着必然的联系。所以，在实际的液压系统的运行维护中，应合理挑选保压器件，并总结其维持压力的实际效果，来合理促进液压系统回路的保压成效。

1 工程机械液压系统概述

液压系统在实际的工程机械装置运行中发挥着重要的作用，在某些液压系统的运行环节中，要维持相应的工作压力才可保持正常运转。例如，子午线液压轮胎硫化机的运动部件的主要动力来自液压系统，液压系统也是组成液压轮胎硫化机的关键部分，液压系统的安全性、稳定性、控制精确度、施压保压能力等可全面影响硫化机的整体性能。在设计工程机械设备中液压装置的保压性能时，常用的设计方案是采用泵卸荷回路及多缸系统组成的缸保压回路，以完成对工程机械设备的保压运行。利用分析工程机械设备可以看出，液压系统中回路的保压效果是由保压元件的质量直接决定的，若保压元件具有良好的质量，回路保压性能也随之提升效果。所以，通过对液压系统的维护及设计工作经验，可以得出，单向阀、液控单向阀及蓄能器这几种保压器件具有良好的保压效果，工程机械中液压系统中可起到促进运行的作用。液压系统的功率包括流量及压力值，液压阀可分配液压站的输出能量并进行合理的调整，实现液压站电机的输出能量由机械能转变为液压能，可为液压系统提供能量来源，液压油缸促进液压能转变为机械能，利用液压泵驱动电机的转速调整，来合理控制工程机械的动力、节能及效率等性能。

液压系统在工作过程中，压力值通过负载来决定，系统响应对外负荷的能力也会在一定程度上干扰液压系统的流量。例如，液压轮胎硫化机在进行轮胎硫化时，在硫化技术最优的前提下，需要开合模及加压缸的运动及加压，中心机构上/下回路运行、装/卸胎机械手起落运动、活络模系统驱动运动等的共同协作。其中开合模等在运动时，有着变化的速度和加速度，要在压力及流量的控制范围内快速、有效地进行转换。这也造成了大功率的工程机械，在持续运行过程中，作业负荷逐步提升，这时液压控制系统会按照液压轮胎硫化机的所有动作顺序，提供可满足相应需求的压力及能量，确保每个动作都可达成在传动及控制系统中进行大规模的调速，用以实现整个系统的稳定运行。

2 工程机械液压系统的设计与优化

如今我国提出节能减排的政策要求，工业液压也随之朝着节能减排的方向升级。而变频油泵及电液伺服等系统可提供节能效果，已更多地被铜挤压、铝挤压、塑胶、纺织、化工等各类机械行业所应用。变频器一般在开环控制环境中工作，而伺服则是闭环的控制系统。变频其实是伺服的一部分，伺服是基于变频开展的闭环精确控制来实现更加完美的运行效果。我国多数将变频用在空调的控制上，有效地节约了成本，而要实现最佳的节能效果及响应效果，则会更多地选择伺服控制。

2.1 液压泵流量控制的设计与优化

液压系统具备三大组成元件，即执行、控制及动力元件，其作用是控制整机。液压泵是利用控制液压泵流量，来达到控制排量的目的。二次调节能量后，液压泵完成并联不同的液压回路，计算出绝对值并显示数值，通过这些可以发现，因液压产生了波动范围较大的压力变化，通过控制流量来更改液压泵排量，实现对液压泵速度的调节控制。控制流量可分为泵控及阀控两种控制方法。泵控是对液压泵开展斜盘及倾角的调整，促进系统元件的运行。阀控是利用并联回路的变化，达到控制系统流量的目标，流量余量会经控制阀返回油箱，合理降低无功流量，使液压阀有效地改变开度，阀芯利用电磁铁的推行开始移动，能够将液压阀中电磁铁的响应频率提升至大约20Hz。这时，通过调速形式的优势互补得到良好的流量控制方法。通过操作信号来控制执行装置的速度，运用液压系统的成本控制及响应效率共同维护的形式，在流量负载的敏感控制方面达到最佳效果。

关于正流量的控制方面，液压泵及液压阀在开度方面的操作性控制，可提升液压系统响应的效率。而主阀压力则与操作信号以及外负载等均有联系。在没有良好的快速响应性时，工程机械会利用泵控系统实现经济性能的提升。而对响应速度没有过高要求的工程机械，如小型的挖掘机等，可通过单纯的阀控装置赢得更高的响应速度。伺服油泵能于低速状态启动，也可以在电液伺服系统中适应速度高低、压力大小、正转反转、快速切换等不同的工况，电液伺服泵更改了我国长久以来伺服液压系统产品依赖日本、德国生产的现状，全面改善了我国液压行业的环保节能性能。HES 电液伺服节能系统具有电液伺服驱动器、高性能专用伺服泵、三相交流永磁同步电机、压力传感器等组成部分。运用矢量+弱磁+专用PID 等控制算法，可在工作全过程中准确控制所需的压力和流量，避免高压节流产生的能源损耗，实现节约电能的效果，并降低系统内的油温，最高可实现65%的节能率，平均可达30%以上的节能率。优化的机械液压系统，通过控制流量的方式，利用液压阀开度和流量的合理控制，改善液压系统的运转效率，泵控提升系统的经济性，而阀控解决系统的效率问题。在精准性方面，可提升工业电子泵设备在运行过程中通过电子闭环控制，来实现工程机械液压泵控制流量的更精准的要求。

2.2 液压系统回路的完善设计

（1）优化装煤器具回路。液压系统自身的装煤器具回路的主要组成部分为电磁波I 型控制元件的搓盖运转。搓盖油缸的两腔在此回路中运用电磁换向来控制阀门的I 型控制元件来实现封闭。但是，液压系统会因调整变向控制的阀门结构而在运行中产生较大的误差，控制阀门间存在较大缝隙，导致液压系统达不到良好的运行效果。因此，这种相对简单的设计液压系统回路的方式并不科学，只可用于短时间封闭或者对封闭没有严格要求的情形。这时，双向液控单向阀在锁紧回路添加三相机能电磁的换向阀回路可以作为更好的以锥面为结构的双向液控单向阀阀芯的密封面，其密封性能及锁闭效果均较好。所以，在工程、起重运输等机械中对锁紧有更高要求的使用情景中，此类锁紧回路具有更普遍的应用。

（2）改善推焦车的提门回路。从液压系统回路的设计可以发现，液压系统在结束一次运行时，要通过电磁铁来充电。但是，接通电磁铁电源以后，通过单向压力调节阀、三相电磁波变向控制阀门流通至机油回路系统，来有效提升液压系统回路的运行效率，防止提门液压泵的压力超标。为避免高压油的错漏，在电磁铁进行通电时，要提升电磁铁的电子运动，来减少液压系统的运行损耗，达到（2+3）次提门，促进提门油缸运行将由三相机能电磁换向阀1、2 共同供油。为了有效控制提门动作，在（2+3）次提门运行中，在一次提门减压阀3 后添加单向液压锁8。这样当（2+3）次提门动作时，Y4b 电磁铁进行通电后，液压系统被单向液压控制阀门制约，极易产生机械故障，造成回路利用电磁波变向阀门2、液压控制阀门、单向回路阀门等使电流进入液压泵。

3 液压系统回路设计试验

现阶段，液压设备系统在实践操作的整个过程内，不可避免地会造成各种安全隐患或事故。因此，以液压系统开展回路试验，确保其安全运行，保证蓄能器正常使用，明确其相关事项及关键点，以确保系统故障得到正确诊断，优化系统运行的多重安全保护设计，提升试验水平。

3.1 液压系统蓄能器使用的相关事项

蓄能器包括重锤、弹簧及气体加载等三种类型。重锤式蓄能器通过变化重锤位置来实现能量的存储及释放。重锤是利用柱塞在液压油上作用而产生压力。重锤式蓄能器具有结构简单、压力稳定的优点，但其容量小、压力低、体积大、笨重、惯性强、反应迟缓，所以常被用在大规模固定装置的液压系统中。弹簧式蓄能器利用弹簧来实现能量的存储及释放。弹簧凭借活塞将压力施加在液压系统的元件上，油液系统压力是由弹簧反弹力及活塞受力面积来决定。此种蓄能器具有结构简单、反应灵敏、储存量小等特点，不建议用于高压或高循环频率的工作场景。气体加载式蓄能器通过密封气体的压缩和膨胀实现能量的存储及释放。气体通常选择惰性气体及氮气，常见的有活塞、气囊两种类型。而气囊式蓄能器的选择要按相应的规格制定，也可按照其相应的计算公式，在此不过多赘述，在应用中可按实际数据进行计算获得结果。

3.2 液压系统蓄能器安装的关键点

蓄能器是储蓄能量的装置，在液压系统中起到不可替代的重要作用，为保障液压系统的安全稳定运行，要科学选取蓄能器的型号并合理安装。（1）在安装蓄能器的时要正确摆放油口的方向（应为向下），安装方式是垂直安装。（2）安装蓄能器的过程中应重视位置的摆放，以接近振动源头为佳，用来吸收并缓和脉动冲击，降低振动带来的损失。（3）安装蓄能器时，要远离系统中的散热位置。

3.3 液压系统故障诊断及优化

液压系统通常具有较为复杂的内部结构，一般是指机械电子设备运用的集成化运行设施。因此，液压系统在运行过程中具备多种烦琐的故障因素。工程机械液压系统的维修和检测不同于电气电子系统，液压系统的回路管道中机油及润滑油无法正常流动、液压系统元件密封不严等情况，导致的机械故障通常无法通过人体感观来判断，这造成了液压系统在维修、保养及改善等方面的工作难度，然而，在液压系统发生一般性的问题时，应先确定此液压系统的全面工作运行机理、元件及内部※结构等，再通过故障的外在表现开展合理的分析和深入的研究，来明确系统故障的起因，即常见的“液压系统故障分析方法”。此方法在应用时对维修人员的专业水平要求很高，特别对于表面没有体现出问题因素的故障，需要维修工作人员利用自身的丰富经验来解决。通常可见的液压系统故障分为3 种：（1）液压系统的溢流控制阀门故障，由于机械齿轮的磨损造成液压系统发生机油返流，致使液压系统失压；（2）液压系统的压力控制阀门故障，如果这种故障问题发生，可能会导致液压系统失去保压性能，导致液压系统中的电磁压力控制阀门发生卡顿情况；（3）液压系统中回路系统产生油渗漏，导致液压系统维持压力的性能急速下滑，通常采用截堵法来分析具体的故障位置。

4 结语

在液压装置的日常运转中，液压系统中回路保压的效果好坏及保压器件的筛选有着相应的联系。液压系统具备三大组成元件，即执行、控制及动力元件，其作用是控制整机。液压系统目前已演变为工程机械的支柱系统。液压系统具备很多优点，包括体积小、易安装、可控制、响应快等。然而，液压系统也存在明显的不足之处，主要是性能不稳定、耗能多等。我国现阶段的工程机械发展处于被动局面，应从市场、生产、开发及科技等多方面入手加以改善。利用工程机械液压系统开展不间断的探究及论证，持续完善设计思路，来优化改进策略，用以提升工程机械的安全稳定运行。现阶段，液压技术的迅速发展及在工程机械等领域的普遍应用，也随之为机械行业提升了广阔的发展空间。所以，液压系统控制工程机械具有无数的原理，需要研究者坚持不懈地进行研究讨论，通过探索和改进，以得到最适合的控制原理及方式。