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2.6 分析各子系统 |
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把复杂的由多个执行元件组成的汽车起重机液压系统分解为多个子系统后，每个子系统只有一个执行元件，因此结构简单、易于分析。此时每个子系统可以被归结为一个或多个基本回路，根据基本回路的特点及工作原理对各个子系统进行分析。在对汽车起重机液压系统各个子系统进行分析时，应首先分析汽车起重机液压系统各个子系统的结构组成、各个执行元件要实现的动作循环，然后对动作循环过程中各个动作过程的动作原理进行分析，绘制油路路线图，并列写出不同工作过程中进油路和回油路的液压油工作路线。
垂直支腿子系统原理图见图 2-10，该子系统由液压缸、液控单向阀、转阀和手动操纵阀组成。在图 2-3 中垂直支腿子系统有四个动作原理相同的回路，由于四个垂直支腿液压缸的动作原理是相同的，因此只分析其中一个垂直支腿回路即可。
图 2-10 的垂直支腿子系统中执行元件的动作由两个液控单向阀控制，两个液控单向阀形成双向液压锁，因此垂直支腿子系统的基本回路为锁紧回路。双向液压锁对垂直支腿液压缸起到任意位置锁紧的作用，其工作原理可查阅有关采用液控单向阀实现的双端任意位置锁紧回路的原理介绍。垂直支腿缸要实现的动作有支腿伸出、支腿缩回以及任意位置支撑三个动作。
在支腿伸出动作过程中，液控单向阀 zcf2 直接打开，液控单向阀 zcf1 在控制油压力作用下打开。如果要实现垂直支腿液压缸伸出，则需要手动操纵换向阀 zcf13，使其工作在上位，转阀 zcf9 置于下位，此时压力油经转阀 zcf9、液控单向阀 zcf2，进入垂直支腿液压缸 zcg1 的无杆腔。垂直支腿液压缸 zcg1 有杆腔油液经液控单向阀 zcf1、换向阀 zcf13 上位回油箱，此时垂直支腿液压缸 zcg1 伸出，油液路线如图 2-17 所示。支腿伸出动作过程中，进油路和回油路油液路线如下。
图 2-17 垂直支腿伸出油路
当换向阀 zcf13 被手动置于下位、转阀 zcf9 置于下位时，此时液控单向阀 zcf1 直接打开，液控单向阀 zcf2 在控制油压力作用下打开。液压泵提供的压力油经换向阀 zcf13 下位、液控单向阀 zcf1，进入垂直支腿液压缸 zcg1 的有杆腔。垂直支腿液压缸 zcg1 无杆腔油液经液控单向阀 zcf2、转阀 zcf9 下位及换向阀 zcf13 下位回油箱，此时垂直支腿液压缸 zcg1 缩回，油液路线如图 2-18 所示。进油路和回油路油液路线省略。
图 2-18 垂直支腿缩回油路
当换向阀 zcf13 被手动置于中位、转阀 zcf9 置于下位时，由于换向阀 zcf13 的中位机能是 H 型机能，两个液控单向阀 zcf1 和 zcf2 的控制油接回油，因此，两个液控单向阀关闭，垂直支腿液压缸保持在某一位置不动作，起到支撑的作用，油路如图 2-19 所示，进、回油油路路线省略。此时，液压泵的油液经换向阀 zcf13 中位直接回油箱，液压泵卸荷。
图 2-19 垂直支腿支撑油路
当支腿用于支撑起重机或在起重机行走过程中支腿收起时，两个液控单向阀关闭，使液压缸被锁紧在某一位置，防止支腿动作，避免出现支腿缩回的“软腿”现象或支腿自行滑落的“拖腿”现象。
垂直支腿子系统中，四个垂直支腿液压缸分别由四个独立的转阀式两位开关阀控制，当只打开某一个转阀而其余转阀关闭时，则可单独调节某一个液压缸的伸缩量，从而可起到支腿调平的作用。
水平支腿子系统原理图见图 2-11，该子系统由水平支腿液压缸和手动操纵阀组成。由于水平支腿子系统由四个动作原理相同的回路组成，因此只分析其中一个水平支腿回路即可。水平支腿液压缸的动作过程也包括支腿伸出、支腿缩回以及任意位置支撑三个动作，三个动作过程的油路图分别如图 2-20、图 2-21、图 2-22 所示，油路路线省略。
图 2-20 水平支腿伸出油路
图 2-21 水平支腿缩回油路
图 2-22 水平支腿支撑油路
水平支腿子系统结构简单，由一个三位四通换向阀 zsf1 控制支腿水平缸的伸出和缩回，因此该子系统就是由简单的换向回路组成的。图 2-20 中，当换向阀 zsf1 处于左位时，水平支腿液压缸 zsg1 无杆腔进油、有杆腔回油，水平支腿液压缸伸出；图 2-21 中，当换向阀 zsf1 处于右位时，水平支腿液压缸 zsg1 有杆腔进油、无杆腔回油，水平支腿液压缸缩回；图 2-22 中，当换向阀 zsf1 处于中位时，水平支腿液压缸 zsg1 的两腔封闭，水平支腿液压缸不动作。不同于垂直支腿子系统，由于水平支腿液压缸在完成水平方向的支撑动作时，水平方向基本不受负载力的作用，因此不需要液控单向阀的锁紧作用，换向阀 zsf1 的中位采用 M 型机能，使水平支腿液压缸的两腔封闭，也可以代替双向液压锁，起到使水平支腿液压缸 zsg1 锁紧的作用。但由于滑阀阀芯和阀体之间存在间隙，阀的内泄漏使水平支腿缸在负载力大的情况下则不能够长时间锁紧。
回转子系统是实现起重机作业部分整体回转动作的子系统，其原理图见图 2-12。图 2-12中回转子系统由顺序阀（图中省略）、单向阀 hzf1、换向阀 hzf2、溢流阀 hzf3 以及回转液压马达 hzm1 组成。溢流阀 hzf3 的作用是调定回转动作压力，单向阀 hzf1 的作用是防止油液倒流，子系统前的顺序阀(图中省略），其控制油来自于制动离合子系统的某一位置，可待分析制动离合子系统时再分析该顺序阀的顺序动作功能，这里只分析顺序阀开启后回转子系统的工作原理。回转子系统的动作包括顺时针回转、逆时针回转以及停止三个动作，三个动作过程中油路的连通方式分别如图 2-23、图 2-24、图 2-25 所示。
图 2-23 回转子系统顺时针回转
图 2-24 回转子系统逆时针回转
图 2-25 回转子系统停止
图 2-12 回转子系统的组成结构表明，回转子系统可归结为顺序动作基本回路和换向回路。顺序动作的目的是在另一个回路的动作完成后，顺序阀才能打开，回转动作才能实现。换向动作是通过操纵手动回转操纵阀 hzf2 来实现的。当换向阀 hzf2 处于左位时，回转马达 hzm1 左腔进油、右腔回油，马达顺时针回转；当换向阀 hzf2 处于右位时，回转马达 hzm1 右腔进油、左腔回油，马达逆时针回转；当换向阀 hzf2 处于中位时，回转马达两腔封闭，马达停止转动。此时液压泵 yy3 的液压油经顺序阀、回转操纵阀 hzf2 中位进入下一个子系统的操纵阀，如果后面所有子系统的操纵阀都是处于中位的，则液压泵 yy3 直接接油箱，即此时液压泵 yy3 卸荷。
伸缩子系统的作用是使起重机的手臂伸长或缩短，变幅子系统的作用是使起重机的手臂抬高或落下，二者的作用都是为了调节起升或放下重物的位置。伸缩子系统原理图见图 2-13，变幅子系统原理图见图 2-14。图 2-3 的汽车起重机液压系统原理图总图中，伸缩子系统液压缸为多级的伸缩型液压缸，而变幅子系统的液压缸是普通的单杆活塞缸，除了这一点区别外，伸缩和变幅子系统的结构是完全相同的，因此伸缩子系统和变幅子系统的工作原理也相同，这里只以其中伸缩子系统为例进行分析，变幅子系统的分析过程省略。
图 2-13 中伸缩子系统由单向阀 ssf1、换向阀 ssf2、单向阀 ssf3、顺序阀 ssf4 以及伸缩液压缸 ssg1 组成。图中单向阀 ssf1 的作用是防止油液倒流，单向阀 ss3 与顺序阀 ss4 组成平衡阀，换向动作是通过操纵手动伸缩操纵阀 ssf2 来实现的，因此伸缩子系统是由平衡回路和换向回路两种基本回路组成的。
平衡回路通常应用于有垂直下降工况的系统中，通过在回油路上设置一定的背压来防止液压缸及与之连接的负载由于自重而超速下落或用于平衡负载。在平衡回路中，回油路上设置背压的方式有液控单向阀和平衡阀两种，其中平衡阀通常由外控或内控式顺序阀和单向阀组成，汽车起重机伸缩子系统就是采用外控式顺序阀实现的平衡回路。
伸缩子系统要完成的动作就是液压缸的伸出、缩回和停止，三个动作过程中子系统的油路图如图 2-26、图 2-27、图 2-28 所示，油路路线省略。
图 2-26 伸缩子系统伸出油路
图 2-27 伸缩子系统缩回油路
图 2-28 伸缩子系统停止油路
如果伸缩液压缸伸出，则伸缩液压缸无杆腔进油、有杆腔回油，此时换向阀 ssf2 应处于右位，液压泵提供的油液经过换向阀右位，再经过单向阀 ssf3 进入液压缸无杆腔，此时平衡阀中顺序阀 ssf4 反向不通，单向阀 ssf3 为油液通过方向；如果伸缩液压缸缩回，则伸缩液压缸无杆腔回油、有杆腔进油，此时换向阀 ssf2 应处于左位，液压泵提供的油液经过换向阀左位，直接进入伸缩液压缸 ssg1 上腔，由于回油方向为单向阀截止方向，液压缸无杆腔的回油无法经过单向阀，只能等顺序阀开启后经过顺序阀回油，而顺序阀的开启是由进油路的压力油控制的，只有当进油达到顺序阀的调定压力时，顺序阀才能打开，伸缩液压缸回油腔才能经顺序阀回油，伸缩液压缸才能把负载放下。因此如果伸缩液压缸和负载要超速下降，则进油路压力会降低，达不到顺序阀的调定压力时，顺序阀关闭，回油路被截止，伸缩液压缸无法回油，因此伸缩缸和负载将无法下落，实现了平衡的目的。当换向阀 ssf2 处于中位时，伸缩液压缸两腔封闭，顺序阀 ssf4 的控制油压力低于顺序阀的调定压力，顺序阀不能够打开，因此伸缩液压缸停止动作。此时起重机起吊的重物能够被平衡在某一位置，不会由于重物的自重而自行下落，避免发生危险。
起升机构用来实现物料的垂直升降，是任何起重机都不可缺少的工作部分，也是起重机最主要、最基本的机构。液压驱动的起升机构由液压马达、减速器、制动器、卷筒、钢丝绳、起重钩等部分组成，利用钢丝绳滑轮组的省力功能，将重物提升，达到运输目的。
图 2-3 中汽车起重机液压系统的起升子系统原理图见图 2-15，该子系统由单向阀 qsf1、单向阀 qsf2、换向阀 qsf3、溢流阀 qsf4、顺序阀 qsf5、单向阀 qsf6 以及起升液压马达 qsm1 组成，其中顺序阀 qsf5 与单向阀 qsf6 组成平衡阀，单向阀 qsf1、qsf2 的作用是防止油液倒流，溢流阀 qsf4 的作用是限定起升或下落的最大压力。起升子系统的结构及组成元件表明该子系统的工作原理与伸缩和变幅子系统相类似，由平衡回路和换向回路组成，其中液压马达的换向通过操纵带定位装置的手动起升操纵阀 qsf3 来实现，平衡回路的动作由平衡阀的控制实现。
图 2-15 的起升子系统原理图中，手动起升操纵阀 qsf3 有五个工作位置，分别定义为左 1、左 2、中、右 1、右 2，如图 2-29 所示。
图 2-29 操纵阀工作位置
当该操纵阀处于中位时，油源提供的油液将经过该阀中位直接回油，P 口、A 口、B 口和 O 口都连通，C 口与 D 口也连通，如图 2-30 所示，系统卸荷。
图 2-30 操纵阀中位
当操纵阀 gsf3 工作在右 1 位置时，如图 2-31 所示，P 口接 B 口，A 口接 O 口，C 口接 D 口再接油箱。此时，由前一个子系统进入操纵阀 qsf3 的油液将直接回油箱，因此只有 yy2 一个液压泵提供的油液进入执行机构，起升液压马达将实现慢速转动。
图 2-31 操纵阀右 1 位
当操纵阀 qsf3 工作在右 2 位置时，如图 2-32 所示，P 口接 B 口，A 口接 O 口，C 口与 D 口不通。由于经前一个子系统进入操纵阀 qsf3 的液压泵 yy1 提供的油液在这一位置不能直接回油箱，而只能经单向阀 qsf1 与液压泵 yy2 提供的油液汇合后，再进入执行机构，因此此时有两个液压泵（泵 yy1 和泵 yy2）提供的油液同时进入起升液压马达，起升液压马达将实现快速转动。可见，操纵阀 qsf3 的这一工作位置能够实现合流的作用。
图 2-32 操纵阀右 2 位
可见，手动操纵阀 qsf3 工作在右 1 和右 2 工作位置时，油路的区别在于是否能够实现合流。同理，当手动操纵阀 qsf3 工作在左 1 和左 2 的工作位置时，油路的连接关系与操纵阀处于右 1 和右 2 的工作位置时油路的连接关系相似，二者的区别也在于油路是否能够实现合流。左 1 位置不能实现合流，左 2 位置能够实现合流。操纵阀 qsf3 工作在左位和工作在右位的区别在于，工作在左位时，油路 P 口接 A 口，B 口接 O 口，油路图及油路分析省略。
上述手动操纵阀的工作位置分析表明，起升子系统要完成的动作有快升、慢升、停止、快降、慢降，分别对各个动作过程进行分析，绘制油路图。
当手动操纵阀 qsf3 处于左 2 工作位置时，起升液压马达 qsm1 上腔进油、下腔回油，马达逆时针回转。此时，前一子系统的供油和液压泵 yy2 供油同时进入液压马达上腔，液压马达快速旋转，起升子系统把起升的物料或负载快速放下。回油路上平衡阀中单向阀截止，顺序阀 qsf5 在进油路控制油压力作用下打开，马达下腔回油。当马达在负载的作用下要快速下落时，马达进油腔压力会降低，此时顺序阀 qsf5 的控制压力将不能够达到顺序阀的调定压力，顺序阀自动关闭，马达将停止转动，从而避免负载的超速下落。此时油路的连接方式如图 2-33 所示，进油路和回油路可列写为：
图 2-33 起升子系统快降油路
当换向阀 qsf3 处于左 1 位时，起升液压马达 qsm1 上腔进油、下腔回油，马达仍然逆时针回转，但此时前一子系统由液压泵 yy1 提供的油液直接回油箱，不供给起升子系统，因此起升子系统只由液压泵 yy2 供油，液压马达转速将低于操纵阀 qsf3 处于左 2 位时液压马达的转速。其他元件的动作原理与起升子系统快降动作过程中的动作原理相同。此时起升子系统连接油路如图 2-34 所示。
图 2-34 起升子系统慢降油路
当手动操纵阀 qsf3 处于右 2 工作位置时，起升液压马达 qsm1 下腔进油、上腔回油，马达顺时针回转。此时，前一子系统的供油和液压泵 yy2 供油同时进入液压马达下腔，液压马达快速旋转，起升子系统把物料或负载快速升起。由于液压马达上腔回油，顺序阀 qsf5 的控制压力很低，进油路上顺序阀 qsf5 关闭，单向阀 qsf6 处于通油开启的状态，因此进油由单向阀 qsf2 进入液压马达下腔。此时起升子系统油路的连接方式如图 2-35 所示，进油路和回油路可列写为：
图 2-35 起升子系统快升油路
当换向阀 qsf3 处于右 1 位时，起升液压马达 qsm1 下腔进油、上腔回油，马达仍然顺时针回转，但此时前一子系统由液压泵 yy1 提供的油液直接回油箱，不供给起升子系统，因此起升子系统只由液压泵 yy2 供油，液压马达转速将低于操纵阀 qsf3 工作在右 2 位时液压马达的转速。子系统中其他元件的动作原理与起升子系统快升动作过程中的动作原理相同。此时起升子系统连接油路如图 2-36 所示。
图 2-36 起升子系统慢升油路
当操纵阀 qsf3 处于中位时，起升液压马达 qsm1 两腔通过操纵阀 qsf3 与油箱连通，液压泵可实现卸荷。当起升液压马达上有负载力矩作用时，或重物被吊起在空中时，重物由于自重使液压马达向放下重物的方向转动，此时由于平衡阀关闭，液压马达下腔无法回油，液压马达不转动，从而使重物能够被平衡在空中某一位置。起升子系统停止工作时油路连接如图 2-37 所示。
图 2-37 起升子系统停止油路
在汽车起重机的起升机构完成吊装或起重作业时，经常需要将起升液压马达固定在某一转角状态下，维持重物或负载在一定位置保持不动或吊重静止在空中不下滑。如果起升机构不具有这个能力，就有重物或负载坠落的危险。虽然起升回路中通常配备平衡阀起平衡重物和防止重物超速下落的作用，但平衡阀的内泄漏使平衡阀不能够保证起升机构长时间地平衡重物。所以，起升机构还必须要配备制动器，而且制动器应采用常闭形式。
一般起重机的起升机构只安装一个制动器，通常装在高速轴上（也有装在与卷筒相连的低速轴上），而吊运危险品(如熔化的金属液体）时，每套独立的驱动装置则往往安装两个制动器，每个制动器都要保证单独发挥作用。万一某个制动器失效时，另一个制动器可以接替发挥作用、保证安全，这种关键部件的备份就是汽车起重机的安全冗余原则。例如图 2-3 的汽车起重机液压系统中起升子系统上就安装了两套相同的制动器和离合器子系统，起到了安全冗余的作用。由于两套子系统的结构和工作原理相同，这里只分析其中一个子系统即可。虽然制动器和离合器是两个执行机构，但二者关系密切，其作用相互制约，因此把二者划归到一个子系统中进行分析。
制动器和离合器子系统原理图见图 2-16，由于梭阀的作用只是使子系统总能够得到压力油的作用，因此该子系统原理图中省略了图 2-4 原理图中的梭阀 zlf8。制动器和离合器子系统由制动液压缸 zlg1、离合器液压缸 zlg2、手动操纵阀 zlf1、单向阀 zlf3 和 zlf11、节流阀 zlf4、减压阀 zlf9、安全阀 zlf10、蓄能器 zlx1 以及顺序阀 zlf7 组成，其中制动液压缸和离合器液压缸都是单作用的活塞缸，单向阀 zlf3 和节流阀 zlf4 共同作用，使制动器液压缸进油慢、排油快，制动器延时张开，迅速紧闭，起到上闸快、松闸慢的作用，以避免卷筒启动或停止过程中出现溜车下滑的现象。减压阀 zlf9 的作用是使制动器和离合器子系统得到比主工作油路低的工作压力，顺序阀 zlf7 的作用是实现蓄能器充液和回转子系统的顺序动作，只有在蓄能器充液结束后，顺序阀的控制油压力达到顺序阀的调定压力时，顺序阀才能打开，回转子系统才能够工作，其工作原理分析省略。
制动器和离合器子系统包括减压回路、顺序动作回路、蓄能器供油回路以及换向回路等基本回路，要完成的动作有制动、离合器接合（简称接合）以及制动器和离合器都分离（简称分离）三个动作。
当手动操纵阀 zlf1 工作在左位时，压力油经操纵阀 zlf1 左位进入离合器缸 zlg2，离合器缸活塞伸出，卷筒与起升液压马达输出轴接合；此时压力油也经操纵阀 zlf1 左位进入制动器缸 zlg1，制动器缸活塞缩回，制动器与液压马达输出轴分离，从而实现离合器接合，制动器松闸，卷筒旋转，重物起升或下降。油路图如图 2-38 所示，进油和回油路线如下。
图 2-38 离合器接合
当手动操纵阀 zlf1 换向到中位时，制动器缸 zlg1 和离合器缸 zlg2 都接回油，两缸都在弹簧作用下排油，制动器缸活塞伸出、离合器缸活塞缩回，于是制动器缸把起升液压马达输出轴抱紧，离合器缸 zlg2 使得卷筒与起升液压马达输出轴分离，卷筒停止转动，重物保持在空中某一位置。此时液压泵 yy3 供油压力达到减压阀 zlf9 的调定压力，减压阀关闭。制动器上闸，离合器分离，油路图如图 2-39 所示，该动作情况下制动器缸和离合器缸都回油，回油路线如下。
图 2-39 制动器制动
当手动操纵阀 zlf1 工作在右位时，压力油经减压阀 zlf9 减压后、再经手动操纵阀 zlf1 右位进入制动器缸 zlg1，制动器缸活塞缩回，制动器松闸。同时，离合器缸 zlg2 经手动操纵阀 zlf1 右位回油，离合器缸活塞也缩回，离合器使卷筒与起升液压马达脱开，此时液压马达输出轴既不与离合器接合也不与制动器接合，重物可以在外力作用下实现自由下放。油路图如图 2-40 所示，进油和回油路线如下。
图 2-40 离合器和制动器都分离
离合器缸以及制动器缸均有泄漏油，实际应用时，一般把泄漏油连回油箱。这里省略了这部分油路。