铝电解多功能机组捞渣机构液压技术参数设定

彭 芸 欧阳伦云 唐海斌 谭永新

0 引言

铝电解多功能机组上的液压系统，一般来说流量和压力的设定都是根据液压系统供应商提供的说明书来设定，然而在用户使用过程中，抓斗开闭根据液压厂家提供的参数不能实现震渣动作，有客户反馈捞渣升降液压缸速度慢、震渣开闭液压缸速度慢导致效果不理想，现场实际测试液压缸数据后算出泵的流量，得知现场实际流量普遍偏小，很多达不到比例阀设定信号的流量，特别是在液压缸重载情况下，捞渣升降液压缸上升时速度不到理论值的1/3。震渣效果由于泵流量偏小，出现震渣无力和速度较慢情况。通过理论计算，并在厂内对液压站进行了调试试验, 发现了液压站泵排量偏低的原因，也找到了排除故障的措施。另外，震渣液压缸的程序设定也提出了改进措施。

1 液压站负载敏感泵流量调整

1.1 负载敏感泵结构原理

负载敏感系统可充分利用能源，向液压系统供给与负载相匹配的压力和流量。铝电解多功能机组选用力士乐AV10VSODFR 泵加比例换向阀和比例流量阀组成负载敏感系统，原理如图1 所示。

1. 弹簧复位液压缸 2. 流量控制液压缸 3. 压力限定阀

4. 压差控制阀 5. 系统溢流阀 6. 比例换向阀

7. 比例压力阀 8. 阀前压力表 9. 阀后压力表

图1 负载敏感泵原理图

负载敏感泵的工作原理：比例换向阀6 和比例压力阀7 分别控制系统流量和压力。系统溢流阀5 为安全阀设定为20 MPa；压差控制阀4 与比例换向阀5 并联，压差控制阀4 的左右压力正好等于比例换向阀6 的前后压力（多功能机组设定为2 MPa），起到压力补偿作用使比例换向阀5 的前后压差保持恒定，从而使泵的输出流量与比例换向阀6 的输入信号成正比；压力限定阀3起压力保护作用即压力切断功能（多功能机组设定为18 MPa），若负载超过压力限定阀3 设定的18 MPa 时，足以克服弹簧阻力使该阀芯右移，泵出口油液进入流量控制液压缸2 使变量泵斜盘角度减小，此时泵流量很小只需满足系统內泄要求。泵常见的工况有系统低压待机、控制比例换向阀流量减少、控制比例换向阀流量增大、比例压力阀控制模式（高压待机）等。分析负载敏感泵工作原理，先分析压差控制阀4 的平衡方程，压差控制阀4 的阀芯位移变化导致泵排量变化，压差控制阀4 的阀芯的力平衡方程关系如下：

P （压差控制阀4 左侧压力）= P （比例换向阀6 阀前压力） （1）

P （压差控制阀4 右侧压力）= P （比例换向阀6 阀后压力）　 （2）

阀芯力平衡方程为

P （压差控制阀4 左侧压力）= P （压差控制阀4 右侧压力）+ 弹簧压力　 （3）

其中，弹簧压力为压差控制阀4 的调定压力。

比例换向阀的前后压差表示为：

P （比例换向阀6 阀前压力）- P （比例换向阀6 阀后压力）= 压差控制阀弹簧压力 　 （4）

由式（4）可以看出，负载敏感泵在流量控制时，

比例换向阀的前后压差是一个定值。

1）系统低压待机

如图2 所示，系统开机，此时比例换向阀6 未给定信号，阀口关闭；泵出口液压油无处可流迅速建立压力至2 MPa，此时压差控制阀4 左侧压力（等于泵出口压力）足以克服弹簧阻力使阀芯右移至极限位，工作位为左位，压力油经阀左位流入流量控制液压缸2 使斜盘角度减小，泵流量近似为0 只需满足內泄。阀前压力表8的读数为2 MPa。

2）控制比例换向阀流量减少

如图3 所示，若负载压力为5 MPa，则阀后压力表9 读数为5 MPa，由于压差控制阀4 设定压力为2MPa，故阀前压力表8 读数为7 MPa。当控制比例换向阀6 减少流量即阀开度减小时，泵出口流量还是按原有流量供油，而此时阀口已经变小，泵出口压力上升，压差控制阀4 阀芯平衡关系打破，左侧压力升高使阀芯右移，同时泵出口油液一部分流入流量控制液压缸2 使泵斜盘角度减小故泵排量减少。泵排量减少后，泵出口压力随之减小直至压差控制阀4 阀芯重新回到平衡位置，流量按阀口减小后的数值保持不变。阀后压力表9 的读数为5 MPa，阀前压力表8 的读数为7 MPa。

图2 系统低压待机状态

图3 控制比例换向阀流量减少

3）控制比例换向阀流量增大

如图4 所示，若负载压力为5 MPa，则阀后压力表9 读数为5 MPa，由于压差控制阀4 设定压力为2MPa，故阀前压力表8 读数为7 MPa。当控制比例换向阀6 增大流量即阀开度增大时，泵出口流量还是按原有流量供油，而此时阀口已经变大，泵出口压力下降，压差控制阀4 阀芯平衡关系打破，右侧弹簧力使阀芯左移，流量控制液压缸2 与弹簧复位液压缸1 平衡关系打破，流量控制液压缸2 一部分油液流往油箱，使泵斜盘角度增大故泵排量增大。泵排量增大后，泵出口压力随之增大直至压差控制阀4 阀芯重新回到平衡位置，流量按阀口增大后的数值保持不变。阀后压力表9 的读数为5 MPa，阀前压力表8 的读数为7 MPa。

图4 控制比例换向阀流量增大

4）比例压力阀控制模式（高压待机）

如图5 所示，如升降液压缸上升到位后，比例压力阀设定为10 MPa，液压缸到位后液压油无处流动, 系统压力迅速上升至10 MPa，阀前压力表8 的读数为12MPa，阀后压力表9 的读数为10 MPa。压力超过比例压力阀7 设定值开始溢流泄压，压差控制阀4 阀芯右移至极限位，泵出口油液进入控制流量液压缸2 使泵斜盘角度变小，泵排量近似为0，只需维持系统內泄，系统就没有溢流损失节约能源。这时比例换向阀的信号不起作用不能改变泵的流量。由于泵排量近似为0，液压回路内油液没有流动，各处压力相等，故阀前压力表8 的读数变为10 MPa，阀后压力表9 的读数为10 MPa。

1.2 泵流量的数学模型

由前述可知，泵流量是由比例换向阀控制的，比例换向阀出口流量即系统工作流量。比例换向阀的出口流量的数学表达式为

式中：C d 为流量系数，比例换向阀的阀芯与滑道近似为薄壁小孔，一般C d ＝ 0.6 ～ 0.65；A0 为节流口的过流面积；△P 为比例换向阀的前后压差，由式（4）可知该值为压差控制阀的设定压力；ρ 为液压油的密度，一般ρ ＝ 900 kg/m3。

图5 比例压力阀控制模式

1.3 泵流量偏小故障的排除

分析式（5）可知，决定泵流量的因素有流量系数C d、节流口的过流面积A0、比例换向阀的前后压差△P 、液压油的密度ρ 。其中液压系统工作中，流量系数C d 由阀本身结构决定，液压油的密度ρ 也不会变化，这两个因素可以排除。剩下的节流口的过流面积A0 和比例换向阀的前后压差△P 在工作过程中会发生变化，下面用调试测试方式重点排除这2 个因素影响。

1）节流口的过流面积A0 因素的排除

节流口的过流面积为比例换向阀的阀块开度，而开度大小由模拟量信号控制比例电磁铁动作完成。阀口开度变小原因有比例放大板原因和比例电磁铁原因等。比例放大板原因有：②确定比例电磁铁的额定电流为0.8 A；②用万用表测比例放大板的输出电流，电气给定逐渐增大的流量信号，测得输出电流也在增大，说明比例放大板能正常工作。最后电气给定最大流量信号10 V，测得电流为0.8 A，该数值正好与比例换向阀额定电流匹配。

比例放大板原因排除。

2）比例换向阀的前后压差△P 原因①在比例换向阀的前后测压口连接压力表测前后压力；②比例换向阀前后压差等于压差控制阀的设定压力，故比例换向阀的前后压力差值一定要等于压差控制阀的设定压力，此时泵输出的流量才是该流量信号的真实流量。出现比例换向阀的前后压力差值不等于压差控制阀的设定压力的原因是给定压力信号过小，导致负载敏感泵处于恒压控制阶段，此时出现比例换向阀前后压差比压差控制阀设定值偏小，故泵的输出流量偏小。③确保在设定不同流量信号的同时，设定压力信号裕量足够大确保比例换向阀的前后压差等于压差控制阀的设定压力，测得泵出口流量比对供应商提供的流量表，现场实测：泵的真实流量比流量表偏小，大约是流量表的1/2。

3）其他原因排除

通过前面不同流量信号，泵的输出流量也是相应变化，至少代表能正常工作，若真是泵故障还得厂家专业测试才知。在10 V 流量信号下测得泵流量大约在80 多L/min，查询10 通径的直动式比例换向阀的单通道额定流量为80 L/min 与实际测得流量相近。根据比例换向阀单、双向通道原理：由于每个阀的阀口大小决定阀的额定流量，10 通径的直动式比例换向阀的单通道额定流量为80 L/min，如系统流量需要140 L/min 应选更大通径且成本较高的先导式比例阀。若改为双通道，比例换向阀型号可以不变，变成了2 个并联10 通径供油，双通道原理如图6 所示。由图6 可知，图中泵出口油液（由绿色箭头表示）流入阀块入口，分为2 路，红色箭头那一路为常见的单通道流向（P 口流向B 口）。若此时图示堵头堵住后则蓝色箭头油路不同，若堵头打开后可知，蓝色箭头油路从A 口流向T 口，然后再与红色B 口油液汇合形成双通道油路，此时比例换向阀的需用流量放大一倍。

图6 比例换向阀双通道示意图

1.4 泵流量调整方法

将泵出口阀组的比例换向阀插下，在阀块的油口A 口里有一个M5 的堵头将该通路截断，将该M5 堵头拆下打开双通道，比例换向阀的额定流量变为140 L/min；将比例换向阀的双通道堵头打开后，测得泵的流量回复正常，泵流量偏小问题得以解决。

2 调整震渣程序的压力设定

根据液压站主要技术参数，程序设置原则为：液压阀最大允许流量为120 L/min，故流量信号不应超过7V。电机功率30 kW，压力设为最大值18 MPa 时（信号为9 V），流量不能超过100 L/min（信号为6.5 V）；流量为最大值115 L/min（信号为7 V），压力不能超过12 MPa（信号为6.5V）。

2.1 液压缸载荷的校核计算

已知捞渣液压缸外径90 mm，内径63 mm，抓斗质量2 005 kg，2 节活动架和一只液压缸质量为1 500kg，液压附属件和电气附属件估算为200 kg。捞渣质量为1 000 kg。

1）液压缸的有杆腔面积A1

由于目前是上升速度慢，上升时是液压缸有杆腔面积起作用。有杆腔面积为

2）液压缸所受载荷计算

液压缸工作时分空斗和满斗捞渣工况，2 种工况的载荷为

3）液压缸工作时的系统压力

液压缸空斗和满斗捞渣两种工况的系统压力为

上述计算结果是理论结果，液压系统还有压力损失、机械摩擦力和磁场力，这些损失估算为2 MPa 损失的话，则液压缸空斗时为13.5 MPa，满斗时16.5 MPa。

2.2 负载敏感泵原理补充

为了更好地理解，这里再补充说明一下负载敏感泵的工作原理，负载敏感泵的工作过程可分为恒流和恒压2 种情况，压力—流量特性曲线图如图7 所示。

图7 压力- 流量特性图

1）恒流阶段

图7 所示的斜线，因随着压力的升高，泵的內泄会增大，而泵的排量不变，则供给液压系统的流量会减小，故恒流阶段是一条近似水平的斜线。系统满足恒流阶段的条件是负载压力小于比例压力阀设定压力。在恒流阶段可以实现：①可以改变比例流量阀的输入信号来改变系统的流量，此过程流量跟负载无关，只与比例流量阀输入信号有关。②若比例流量阀的输入信号给定后，负载发生变化，只要变化的范围低于比例压力阀的设定值，此过程流量不会改变，与负载无关，可以实现工况所需的流量。

2）恒压阶段

图7 所示的垂直线，系统满足恒压阶段的条件是负载压力大于比例压力阀设定压力。在恒压阶段，泵的排量迅速减小近似为0，只需提供系统內泄需求，避免了系统高压溢流损失，也是负载敏感泵的优点。此过程中泵的排量近似为0 与比例换流量阀的输入信号无关。

2.3 液压缸速度慢原因分析

有些车压力在设为8.5 V 后，对应系统压力为16MPa，一级捞渣液压缸空斗速度仍较慢，满斗难提升，而前述计算按液压缸空斗时为13.5 MPa，满斗时若为16.5 MPa，空载虽能满足，但实际速度比理论值慢很多。由于满载正压力信号设定值差不多，每台车损失不一样，故有些车不动作还能理解，若压力满足满斗工况，但速度比理论还是慢很多就不正常。由前述分析可知，要使泵的输出流量必须满足阀口的节流面积达到设定值、比例换向阀阀的前后压差等于压差控制阀的设定值这2 个条件。

1）直接原因分析

阀口的节流面积即阀口的开度由流量信号控制电磁铁动作，比例放大板输出电流达到设定值开口也就确定。现在实际情况是虽然压力设为8.5 V 对应压力为16.5MPa 大于空斗负载时压力，但实际比例换向阀的前后压差小于压差控制阀的设定值。

由前面比例换向阀的流量公式为

从上述流量公式看出，比例换向阀的前后压差与流量成正比，实际比例换向阀的前后压差比压差控制阀设定值偏小，故可得出此过程中泵的流量达不到理论流量，与现场实际中将一级捞渣液压缸流量信号设很大后，液压缸速度还是很慢相符合。

2）根本原因分析

现已知道引起液压缸速度达不到原因是比例换向阀的前后压差小于压差控制阀的设定值。由图7 可看出，负载敏感泵在恒压和恒流2 阶段工作的话，互不干扰，但在恒流和恒压曲线的交叉位置有一段圆弧过渡曲线，此时会出现互相干扰。在实际中比例压力阀设定值虽大于负载压力，但实际流量达不到理论流量，这与图7 圆弧过渡相符合，进而绘制出图8 所示压力—流量曲线。

图8 压力- 流量特性图

由图8 可看出，实际负载压力虽比比例压力阀设定值小，但相隔太近，流量位置正好在圆弧过渡处，导致实际流量比理论流量偏小很大，按图8 看出负载压力越接近比例压力阀设定值流量迅速减小。理想的负载压力应该远离比例压力阀设定值避开流量曲线处于圆弧过渡段。2.4 一级捞渣液压缸速度慢解决措施

1）增大液压缸型号

增大液压缸型号可有效减少系统工作压力，若将现有90/63 液压缸更改为100/60 液压缸，则由式（4）和式（5）的计算结果可算出空斗和满斗时压力分别为7.4MPa 和9.4 MPa，压力减少近30%，考虑压力损失和磁场阻力加2 MPa 损失，分别为9.4 MPa 和11.4 MPa，也远小于目前压力设定值8.5 V 对于的16.5 MPa；

2）提高比例阀设定压力

配置允许最大设置为10 V 对应压力为18.5 MPa，保证在额定功率下，将比例压力阀的设定值加大为9 V，能明显改善液压缸速度（见调试试验表1），但系统工作压力较高，长期使用对液压元件寿命会有影响。针对以上2 种措施，捞渣机构采取提高比例阀设定压力，后续制作新车可采取增大液压缸型号为100/60，这样比例压力阀设定值裕量大保证在恒流工作段，使系统工作压力降低，保护液压元件。

表1 调试试验结果

3 优化震渣程序

考虑到电磁阀控制信号比例阀的机械动作响应时间快，为保证控制信号与阀动作响应速度一致，抓斗开闭切换时，在震渣程序里面将闭合到打开的电磁阀信号之间添加了0.3 s 断开延时。

1）原震渣程序设置情况

抓斗开启压力：6.5 V，流量5.5 V，时间0.2 s；抓斗闭合压力：6 V，流量6.5 V，时间0.6 s。以上程序可看出开启时间为0.2 s，故实际震渣的开度很小。

2）新震渣程序设置情况

抓斗开启压力：8 V，流量7 V，时间0.8 s；抓斗闭合压力：8 V，流量7 V，时间1.1s。调试试验在该程序设置下，抓斗开度在拐点以内。如果按理论计算在流量7V 下开启，刚过拐点所需的时间为0.5 s，最终调试为0.8 s，由于电磁阀2 次开闭时间大约0.12 s，加上系统压力建立时间才能开启平衡阀时间，调试时也试验了不同开度下的震渣效果，过拐点开度较大影响震渣效率，故最终还是采用没过拐点的程序。经新程序使用后，震渣效果有所改善，震渣的声音比原来大。

4 结论

综上所述，捞渣升降液压缸速度慢、震渣开闭液压缸速度慢导致效果不理想情况的改进措施:1）打开比例换向阀的双通道，将泵出口阀组的比例换向阀插下，在阀块的油口A 口里面有一个M5 的堵头将该通路截断，现将该M5 堵头拆下打开双通道，比例换向阀的额定流量变为140 L/min。

2）保证在额定功率下，将比例压力阀的设定值加大为9 V，或增大液压缸型号为100/60。

3）优化震渣程序，在震渣程序里面将震渣的开斗和闭斗压力设为8 V，流量设为7 V，开斗时间0.8 s，闭斗时间1.1 s。