5负流量控制国产中型挖掘机主阀总成(川崎KMX15RA)结构原理分析
负流量控制国产中型挖掘机主阀总成结构与原理分析
导读：
本篇章主要分析负流量控制的国产中型挖掘机的主阀总成（川崎KMX15RA）的结构、工作原理、增力、自动怠速、保持、再生、优先、合分流等功能。附有大量结构原理图、零部件图、局部液压回路分析图等。
1、主阀总成概述
对于该型主阀总成，主要由控制各执行元件的主换向阀芯、主溢流阀、油缸类执行元件的过载补油阀、主油路单向阀及其它用于多种局部控制的相关阀件及阀体组成。该机型使用的主阀总成基本参数如表1所示。
表1 主阀总成基本参数
型号川崎KMX15RA
标准流量（L/min）250
溢流压力(MPa)31.4/34.3
过载阀设定压力(MPa)36
负流量溢流节流阀设定压力
3.2
（MPa）
液压油温度范围（℃）-20～90
对于该主阀总成，其六面视图及各管口标注如图1所示。
图1 主阀总成六面视图
对于图1，其上各标注字母的管口名称解释如表2所示。
表2 主阀总成各管口名称符号
接口名称符号接口名称R1
回转补油接口Pz 主溢流阀升压用先导接口Ck1
铲斗合流接口Py 行走压力开关信号接口Ck2
铲斗合流接口Px （除行走以外）工作装置压力开关信号接口XAtr
右行走前进先导接口PG 先导压力源接口XBtr 右行走后退先导接口PH
先导压力源接口(XAo)（选装件先导接口）Pns
回转逻辑阀先导接口(XBo)（选装件先导接口）PBP
动臂优先阀先导接口XAk 铲斗挖掘先导接口Dr1
泄漏油接口XBk 铲斗卸载先导接口Dr2
泄漏油接口XAb1动臂提升先导接口Dr3
泄漏油接口XBb1动臂下降先导接口Dr4
泄漏油接口XAa2斗杆收回合流先导接
Dr6泄漏油接口
口
XBa2斗杆伸出合流先导接
口
PaL
斗杆保持阀（锁止阀）先导
接口
XAtL 左行走前进先导接口
PbL
动臂保持阀（锁止阀）先导
接口
XBtL 左行走后退先导接口
Atr
右行走马达（前进）主油接
口
XAs 左回转先导接口
Btr
右行走马达（后退）主油接
口
XBs 右回转先导接口(Ao
)
（选装件主油接口）
XAa1斗杆收回先导接口(Bo
)
（选装件主油接口）
XBa1斗杆伸出先导接口Ak1铲斗油缸无杆腔主油接口
XAb2动臂提升合流先导接
口
Bk1
铲斗油缸有杆腔主油接口
(Psp)（回转优先先导接口
）
Ab1
动臂油缸无杆腔主油接口
XAas 斗杆收回时限制行程
的先导接口
Bb1
动臂油缸有杆腔主油接口
XAks 铲斗挖掘时限制行程
的先导接口
AtL
左行走马达（前进）主油接
口
XBp1铲斗合流先导接口
BtL
右行走马达（后退）主油接
口
Dr5泄漏油接口
As
回转马达（左回转）主油接
口
P1泵接口（P1侧）
Bs
回转马达（右回转）主油接
口
P2泵接口（P2侧）Aa1斗杆油缸无杆腔主油接口R2主回油接口Ba1斗杆油缸有杆腔主油接口
主阀总成的液压回路图如图2所示。
图2 主阀总成液压回路图2、主阀总成中各对应元件及局部回路分析
1）动臂动作
由图2可得主阀总成中对于动臂油缸控制的局部液压回路图如图3所示。
图3 动臂油缸控制局部液压回路图
由图3，控制动臂油缸的主换向阀为两个，图中左侧处于后泵（P2）油路上的动臂换向阀被称为动臂主联阀芯（或称为动臂1阀芯），图中右侧处于前泵（P1）油路上的动臂换向阀被称为动臂副联阀芯（或称为动臂2阀芯），两换向阀均为液控先导型。对于动臂的提升动作，动臂主、副联阀芯均换向；对于动臂下降动作，将只有动臂主联阀芯换向。
a、动臂提升
当驾驶室操作人员向后拉动右手柄，则先导手柄动作后，使得对应压力的先导油到达动臂1阀芯XAb1口（此时XBb1通过操作手柄回油）及动臂2阀芯XAb2口，如图3所示，两阀各自换向到图示右位。则后泵油P2经过LCb1单向阀及动臂1阀芯右位，再经动臂保持阀的主阀芯HV阀，到达Ab1（即动臂油缸无杆腔）油口；前泵油P1经过Csp单向阀或前泵油P1经过SP阀左位，再经过动臂2阀芯右位，打开CC b单向阀，与P2泵油液合流进入Ab1油口。与此同时，动臂油缸有杆腔回油会通过Bb1油口，通过动臂1阀芯右位回到主回油油道R2管路回油箱，最终实现动臂提升动作。
此时，动臂提升的最大工作压力将由系统中的主溢流阀MR阀调定（如图2中所示），提升开始或结束时由于油液惯性及机械惯性的高压由过载补油阀Ab1R及Bb1R阀中的过载阀缓冲溢流，另一腔的空穴则由过载补油阀Bb1R及Ab1R阀中的补油单向阀从系统主回油管R2管路中补油。
图4为动臂提升动作的局部回路全剖示意图。当进行动臂提升操作时，由动作操作手柄后减压而来的先导压力油进入XAb1接口，于是动臂1阀芯克服弹簧阻力后使阀芯向左移动，则由后泵输出的P2油液则流入并联油路，推开通道单向阀
LCb1，从U型油道被导入动臂1阀芯。其后，后泵P2油液由动臂1阀芯的外周通过动臂保持阀的主阀芯HV阀流出至接口Ab1，最终进入动臂油缸无杆腔。同时，操作手柄动作后的减压先导压力油还流入XAb2接口，使得动臂2阀芯克服其弹簧阻力后使阀芯向左移动。则由前泵输出的P1油液则流入对应并联油路后，推开通道的单向阀Csp，流入动臂2阀芯，后经通道单向阀CCb，与后泵油合流流入动臂油缸无杆腔。另一方面，动臂油缸有杆腔的回油在动臂油缸动作过程中流入接口Bb 1，再通过动臂1阀芯后与系统主回油油路R2相连回油箱。最终，动臂实现提升动作，且在不考虑泵排量变化的前提下，动臂的相对提升速度取决于动臂1及动臂2阀芯的换向量，即阀芯换向量愈大，动臂的相对提升速度愈快。而动臂1及动臂2阀芯的换向量取决于操作手柄的移动量（其它动作亦是如此）。
图4 动臂提升动作的局部回路全剖示意图
从以上分析可以看出，在动臂提升过程中，从后泵P2输出的工作油液与从前泵P1输出的工作油液在主阀体内部合流，供给动臂油缸无杆腔，通过主油的合流使动臂提升速度加快，此即为“动臂提升合流”功能。在仅微动作先导手柄的操纵
杆实现动臂提升时，将仅有动臂1阀芯换向，动臂2阀芯不换向，这时，仅有后泵油P2输出的油液供给动臂油缸无杆腔实现动臂提升动作。
b、动臂下降
当驾驶室操作人员向前推动右手柄，则先导手柄动作后，使得对应压力的先导油到达动臂1阀芯XBb1口（此时XAb1通过操作手柄回油）及动臂保持阀的先导阀的PbL口，如图3所示，动臂1阀芯换向到图示左位，动臂保持阀的先导阀处于图示左位。则后泵油P2经过LCb1单向阀及动臂1阀芯左位，进入Bb1油口到达动臂油缸有杆腔。动臂油缸无杆腔回油通过Ab1油口打开HV阀，通过动臂1阀芯左位节流后回到主回油油道R2管路，最终实现一定速度受限的动臂下降动作。
此时，动臂下降的最大工作压力将由系统中的主溢流阀MR阀调定，下降开始或结束时由于油液惯性及机械惯性的高压由过载补油阀Ab1R及Bb1R阀中的过载阀溢流，另一腔的空穴由过载补油阀Ab1R及Bb1R阀中的补油单向阀从系统主回油管R2管路中补油。
图5为动臂下降动作的局部回路全剖示意图。当进行动臂下降操作时，操作手柄的先导压力油流入XBb1和PbL接口，动臂1阀芯克服弹簧的阻力后使阀芯向右移动（此时动臂2阀芯不换向，处于初始位置）。由后泵输出的P2工作油液流入并联通路，推开通道单向阀LCb1，从接口Bb1流入动臂油缸有杆腔。另一方面，从动臂油缸无杆腔的回油则流入接口Ab1，再通过动臂1阀芯及回油箱通路R2回油箱。因工作油在阀口处流量被限制，从而动臂下降速度得到一定限制，以防止动臂结构件在自重作用下加速下行造成危险。
图5 动臂下降动作的局部回路全剖示意图
c、动臂保持（斗杆保持于此相同）
当不操作动臂手柄时，如图3所示，动臂1阀芯处于图示中位，动臂2阀芯处于图示左位，保持阀的先导换向阀处于图示右位。但若动臂结构件悬在半空无支撑或铲斗未接触地面，则动臂结构件将会因自重作用产生动臂油缸无杆腔的高压，该部分压力油作用于动臂保持阀的主阀芯HV阀的侧面进油腔，并通过保持阀的先导阀右位到达HV阀弹簧腔，故HV阀不打开，动臂油缸无杆腔油液被密封良好的插装阀即HV阀封闭，动臂将可实现长时间的悬停即保持。
图6为未操作动臂动作时的保持阀的局部回路全剖示意图。
图6 未操作动臂动作时的保持阀的局部回路全剖示意图此时，如图6所示，动臂1与动臂2阀芯（图中不可见）均处于初始位置，保持阀的先导阀处于图示左侧（在此位置，通道Sa与通道Sb通过保持阀的先导阀相沟通）。因此，保持阀主阀芯HV阀的弹簧腔承受因动臂结构件产生的动臂油缸无杆腔的压力，该部分压力油从Ab1接口通过通道Sa，再经保持阀的先导阀，再通过通道Sb而导通，所以将HV阀向右推压在阀座上呈现关闭状态。作为插装阀的HV 阀，其锥面密封可使渗漏抑制在极小的量，最终保证动臂不因主阀的泄漏造成明显的掉缸。此过程即为“动臂保持”功能。
在作动臂提升动作时，该保持阀的先导阀仍处于图6所示初始位置，即通道S a与通道Sb通过保持阀的先导阀相沟通。主泵来油可直接打开HV阀（此时HV阀弹簧腔油液实现内泄）而通过接口Ab1进入动臂油缸无杆腔。
在动作动臂下降动作时，操作手柄的先导油除可到达动臂1阀芯的XBb1口实现主阀换向，还可到达保持阀的先导阀的PbL口。图7为动臂下降过程中保持阀局部回路全剖示意图。PbL口的先导油会将保持阀的先导阀向图示右侧推动，从而切断通道Sa与通道Sb，且此时通道Sb将与泄漏油道Dr4油道沟通。因此，HV阀的弹簧腔通过通路Sb与通道Dr4节流回油箱。此时，由于动臂1阀芯的换向使得P2泵油液进入动臂油缸有杆腔，动臂油缸无杆腔油液经过接口Ab1，打开HV阀后到达
动臂1阀芯后与系统主回油油路R2相连，最终动臂实现下降动作。HV阀向左移动过程中，其弹簧腔泄漏油通过通道Dr4实现外泄漏。
图7 动臂下降过程中保持阀局部回路全剖示意图
通过以上分析可以发现：
①对于动臂单动作，只有作动臂提升动作时才可实现系统两主泵的合流，供给动臂油缸无杆腔，此时动臂油缸有杆腔回油只能通过动臂1阀芯回油箱；而作动臂下降动作时，只有后泵P2油供给动臂油缸有杆腔，此时动臂油缸无杆腔回油通过动臂1阀芯在回油过程中被节流，以防止动臂因自重加速下行造成危险。此即为“动臂合流”功能，即“动臂提升合流”。
①动臂回路中出现了保持阀，即以一插装阀HV阀作为主阀、以一两位三通液控换向阀作为先导阀的组件，该组件可实现在动臂无动作时，以良好的HV阀的密封减少动臂结构件因自重在主阀间隙中产生泄漏而掉缸的现象，此即为“动臂保持”功能。故动臂保持阀的存在，实现了“动臂保持”功能，也不会影响动臂正常的提升与下降动作。
①如图3所示，在动臂2阀芯的进油路上，布置有一两位两通的液控换向阀SP阀，一般为一备用阀，可实现“回转相对于斗杆及动臂提升优先”功能，即将PSP接口引
入控制回转的先导油（实际可将回转操作手柄两先导出油管XAs及XBs中加入压力选择阀即梭阀，并将梭阀出口油接入PSP接口），则只要动作回转动作，SP阀即换向到图示右位，则前泵P1油将被节流后进入动臂2阀及斗杆1阀实现对应油缸供油，相对供油流量减少。
①为避免动臂在工作过程中，特别是从工作状态到静止状态（即动臂主阀从换向位至初始位）的过程中，动臂因惯性产生油缸的一腔高压及另一腔的空穴而损坏液压元件及密封装置，在动臂主阀与动臂油缸之间，装有两组过载补油阀，即Ab 1R及Bb1R阀（过载溢流设定压力为36MPa，补油单向阀设定压力为0.3MPa～0.5MP a）。
2）斗杆动作
由图2可得主阀总成中对于斗杆油缸控制的局部液压回路图如图8所示。
图8 动臂油缸控制局部液压回路图
由图8，控制斗杆油缸的主换向阀为两个，图中左侧处于后泵（P2）油路上的斗杆换向阀被称为斗杆副联阀芯（或称为斗杆2阀芯），图中右侧处于前泵（P1）油路上的斗杆换向阀被称为斗杆主阀芯（或称为斗杆1阀芯），两换向阀均为液控先导型。对于斗杆的外伸和收回动作，斗杆主、副联阀芯均换向。
a、斗杆外伸
当驾驶室操作人员向前推动左手柄，则先导手柄动作后，使得对应压力的先导油到达斗杆1阀芯XBa1口及斗杆2阀芯XBa2口（此时XAa1及XAa2通过操作手柄回
油），如图8所示，两阀各自换向到图示右位，则前泵油P1经过LCa1单向阀及斗杆1阀芯右位，再经斗杆保持阀的主阀芯HV阀，到达Ba1油口（即斗杆油缸有杆腔）；后泵油P2经过斗杆2阀芯右位，与P1泵油液合流进入Ba1油口。与此同时，斗杆油缸无杆腔回油会通过Aa1油口，通过斗杆1阀芯右位和斗杆2阀芯右位回到主回油油道R2管路回油箱，最终实现斗杆外伸动作。
此时，斗杆外伸的最大工作压力将由系统中的主溢流阀MR阀调定，外伸开始或结束时由于油液惯性及机械惯性的高压由过载补油阀AaR及BaR阀中的过载阀溢流，另一腔的空穴由过载补油阀BaR及AaR阀中的补油单向阀从系统主回油管R2管路中补油。
图9为斗杆外伸动作的局部回路全剖示意图。当进行斗杆外伸操作时，由操作手柄的先导压力油进入XBa1和XBa2接口，于是斗杆1阀芯克服弹簧阻力后使阀芯向左移动，斗杆2阀芯克服弹簧阻力后也向左移动。由前泵输出的P1油液则流入并联油路，推开通道单向阀LCa1，从U型油道被导入斗杆1阀芯。其后，由阀芯的外周通过斗杆保持阀的主阀芯HV阀流出至接口Ba1，最终进入斗杆油缸有杆腔。同时，斗杆2阀芯将后泵输出的P2油液引入并联油路后，与前泵油合流流入斗杆油缸有杆腔。另一方面，从斗杆油缸无杆腔的回油流入接口Aa1，再通过斗杆1及斗杆2阀芯后与系统主回油油路R2相连回油箱。
图9 斗杆外伸动作的局部回路全剖示意图
b、斗杆收回
当驾驶室操作人员向后拉动左手柄，则先导手柄动作后，使得对应压力的先导油到达斗杆1阀芯XAa1口、斗杆2阀芯XAa2口（此时XBa1及XBa2通过操作手柄回油）及斗杆保持阀的先导阀的PaL口，如图8所示，斗杆1及斗杆2阀各自换向到图示左位，斗杆保持阀的先导阀换向到图示右位。则前泵油P1经过LCa1单向阀及斗杆1阀芯左位，到达Aa1油口（即斗杆油缸无杆腔）。后泵油P2经过斗杆2阀芯左位，与P1泵油液合流进入Aa1油口。假使此时斗杆油缸无杆腔油液压力高于10MPa （该压力可使斗杆再生阀AR阀换向至图示上位），则斗杆油缸有杆腔回油会通过Ba1油口，再经动臂保持阀的主阀芯HV阀，通过斗杆1阀芯左位，再经过斗杆再生阀AR阀图示上位回到主回油油道R2管路回油箱，最终实现斗杆外伸动作。
但若此时斗杆油缸无杆腔油液压力低于10MPa，则斗杆再生阀AR阀不换向，处于图8所示下位（截止状态或节流回油箱状态），则此时斗杆油缸有杆腔回油将经Ba1油口，再经斗杆保持阀的主阀芯HV阀，通过斗杆1阀芯左位内部再生单向阀，补回斗杆油缸无杆腔，此过程即为斗杆“收回再生”功能。该功能实际只在斗杆结构件在自重角度以外做收回动作时起作用，因为在斗杆结构件自重角度以外，斗杆结构件自重将加速斗杆收回动作的速度而产生斗杆油缸无杆腔的空穴，故使用斗杆再生阀AR阀及再生单向阀后，即可实现对空穴的补偿，并尽量加快斗杆空收回动作的速度，提高作业效率。
在以上过程中，斗杆收回的最大工作压力将由系统中的主溢流阀MR阀调定，收回开始或结束时由于油液惯性及机械惯性的高压由过载补油阀AaR及BaR阀中的过载阀溢流，另一腔的空穴由过载补油阀BaR及AaR阀中的补油单向阀从系统主回油管R2管路中补油。
图10为斗杆外伸动作的局部回路全剖示意图。当进行斗杆外伸操作时，由操作手柄的先导压力油进入XBa1和XBa2接口，于是斗杆1阀芯克服弹簧阻力后使阀芯向左移动，斗杆2阀芯克服弹簧阻力后也向左移动。由前泵输出的P1油液则流入并联油路，推开通道单向阀LCa1，从U型油道被导入斗杆1阀芯。其后，由阀芯的外周通过斗杆保持阀的主阀芯HV阀流出至接口Ba1，最终进入斗杆油缸有杆腔。同时，斗杆2阀芯将后泵输出的P2油液引入并联油路后，与前泵油合流流入斗杆油缸有杆腔。另一方面，从斗杆油缸无杆腔的回油流入接口Aa1。
图10 斗杆外伸动作的局部回路全剖示意图
若此时斗杆油缸无杆腔（即Aa1管路）压力低于10MPa，则斗杆油缸有杆腔（即Ba 1管路）回油(如图10所示)将通过斗杆1阀芯径向孔a再经阀口c倒流进U型油道，最终进入Aa1接口，此即为“斗杆再生”功能；若此时斗杆油缸无杆腔（即Aa1管路）压力高于10MPa，如图11所示，则柱塞(d)、辅助滑阀(e)向右移动，于此同时向右关闭阀套式单向阀(f)，由此，“斗杆再生”功能切断，而斗杆油缸有杆腔（即Ba1管路）回油将通过斗杆1阀芯的径向孔a，流入阀芯内部，再从斗杆1阀芯径向孔b流出，从油箱接口R2返回油箱。