液压挖掘机回转速度异常原因分析和改善方法研究

引言

液压挖掘机的回转动作是实现 360^∘ °作业的关键，其动态性能直接影响整机效率。现代工程对回转系统的快速平稳性要求越来越高，尤其在复合动作时，回转抖动和变速问题会降低定位精度和操作舒适性。随着环保标准和用户需求的提升，优化回转性能、消除速度波动成为行业技术挑战。深入研究回转特性并改进控制策略，对提升挖掘机竞争力和行业进步具有重要意义。

1、回转速度异常的影响

1.1 设备层面： 从机械系统角度来看，回转过程中的抖动和速度不稳定现象会对设备产生多方面的负面影响：回转马达、减速机构和支撑轴承在非平稳工况下运行，将承受额外的冲击载荷和交变应力，导致关键运动副表面异常磨损，显著降低传动效率和使用寿命；剧烈的速度波动会造成液压泵输出压力脉动，控制阀芯在高频振动下工作，容易引发阀芯卡滞、节流特性改变等问题；管路系统在压力冲击下，密封件加速老化，可能出现渗漏甚至爆管等故障；长期的低频抖动会导致回转平台、支撑座等承载结构产生累积性金属疲劳，在应力集中区域可能萌生微观裂纹。

1.2 操控性层面： 回转抖动和变速，这种不稳定状态会显著降低设备的操控精度，导致工作装置的实际运动轨迹与预期轨迹产生明显偏差，特别是在需要高精度作业的市政工程和建筑基础施工中，可能造成返工率上升；不稳定的回转特性会显著加大操作人员的控制难度。由于速度的随机波动破坏了操作的连贯性和可预测性，驾驶员需要不断进行补偿性调整，这不仅会加速操作疲劳，还会降低人机配合效率，长期作业容易引发职业性肌肉劳损；非匀速运动状态会延长单次作业循环时间，在典型土方作业中，存在回转速度波动的设备其单循环时间平均延长 3-7 秒，造成整体工作效率下降 15%-20% ，进一步提高了运营成本。

1.3 安全层面：持续的机械振动会显著降低整机的动态稳定性，特别是在斜坡作业或重载工况下，振动引发的重心偏移现象可能使设备稳定性余量降低 30% 以上，大幅增加倾覆风险；回转速度的突变特性会带来显著的安全隐患，当回转速度在0.5 秒内变化超过 30% 时，操作人员的反应时间往往不足以完成精确的位置调整，这种情况下碰撞风险将提高 2-3 倍。持续的剧烈抖动会对操作员的身体健康造成累积性损害，长期暴露在这种工况下，腰背损伤发病率提高 40% ，同时还会引发手臂振动综合征等职业性疾病。

2、回转速度异常的原因

2.1 多路阀方面：阀芯运动异常，如卡滞、响应不良，会导致进入回转联液压油流量和压力不稳定；阀芯过流面积随阀芯位移变化线性度差，存在突变情况，会导致压力和流量的突变；阀芯双弹簧或多弹簧形式，弹簧力随位移变化线性度差，弹簧力存在突变情况，会导致压力和流量的突变。

2.2 阀泵匹配方面：泵流量响应与阀芯运动响应不匹配，泵流量响应快会导致回转启动憋压，冲击大，阀芯响应过快会导致回转启动抖动，二次变速；泵流量供曲线给随阀芯过流面积变化曲线匹配度差，运动过程中，泵流量供给高于回转所需流量，会导致回转憋压，能耗增加，泵流量供给低于回转所需流量，会导致运动过程中吸空、抖动。

2.3 先导系统与多路阀匹配方面：手柄先导压力随手柄运动曲线与阀芯运动所需压力不匹配，常用的先导手柄有单折线和双折线两种，回转阀芯行程范围内的弹簧力大于手柄线性控制压力范围，会导致回转线性操作后段速度突变。

2.4 控制程序方面：发动机功率不匹配导致回转加速时因功率不足导致发动机转速骤降（如挖掘机在重载回转时发动机掉速）；动态流量分配时，电控泵和主阀协同控制不匹配，复合动作引起干扰[1]，都会导致回转速度的波动。

3、改善回转速度异常方法应用

3.1 多路阀优化：改善回转阀芯运动性能，检查并清洁阀芯，防止卡滞，必要时更换更高精度阀芯[2]；优化回转阀芯过流面积曲线，采用线性化阀口设计或多级节流槽，避免流量突变。优化回转阀芯弹簧刚度，确保弹簧力随阀芯位移线性变化，避免压力或流量突变。采用电比例控制阀替代液控机械阀，提高调节精度和响应速度；增加阀芯位移传感器，实现闭环控制，减少滞后和波动[3]。

3.2 阀泵匹配优化：调整泵的流量响应特性，优化泵的流量-压力曲线，使其与阀芯开度匹配，避免启动憋压或吸空[4]。采用负载敏感泵（LS 泵）或电控变量泵，动态调整流量供给。改善泵阀协同控制在电控系统中采用前馈 ⋅+. 反馈控制，提前补偿流量需求。设置流量渐变控制，避免泵流量突变导致回转速度抖动。

3.3 先导系统与多路阀匹配优化：优化先导压力曲线，调整先导手柄的输出压力曲线，采用双折线控制提高中低速线性度[5]。检查先导油路的阻尼孔和节流阀，确保压力稳定。改善阀芯弹簧匹配，改用变刚度弹簧或调整预紧力，使操作手感更线性。采用电控先导系统，通过程序优化压力-位移关系。

3.4 控制程序优化：发动机功率管理，优化发动机-泵功率匹配，采用动态功率分配策略。增加回转加速度限制，防止速度骤降。动态流量分配优化，复合动作时采用流量优先级控制，确保回转流量稳定[6]。通过泵阀协同算法减少多执行器干扰。通过对输入信号的低通滤波，提高输入信号稳定性；利用积分抗饱和策略，防止输入信号超调或振荡，从而提高输出流量的稳定性。

4、结束语

通过深入分析回转速度异常的影响及产生速度异常的原因，本文提出了改善回转速度异常的方法，通过多路阀优化、阀泵匹配优化、先导系统与多路阀匹配优化、控制程序优化等手段可有效改善回转速度异常，从而提高整机的产品竞争性、操控稳定性和系统可靠性。未来，随着液压控制技术的持续发展，回转系统的性能优化仍将是工程机械领域的重要研究方向。

参考文献:

[1]都佳, 肖刚，杨敬等. 起重机泵阀协同复合控制液压系统能效特性分析[J].中南大学学报(自然科学版), 2021, 52(02): 389-399.

[2]林振浩,聂家熙,华霆锋,等.阀芯间隙固液两相流动特性及卡滞机理[J].液压 与气动,2024,48(03):115-120.

[3]赵禹.基于机电液模型的直动式电磁开关阀阀芯动力学研究[D]. 大连: 大连海事大学, 2020.

[4]严璐,廉自生,李永康.高速径向柱塞泵配流阀的动态特性与结构优化研究[J].机电工程,2020,37(08):906-910.

[5]张明远,李成刚. 基于双折线控制的液压先导系统非线性补偿研究[C]//第十届全国流体传动与控制学术会议论文集. 2023: 112-117.

[6]白晶. 中型反铲液压挖掘机回转复合动作研究[D]. 兰州: 兰州理工大学,2022.

作者简介：刘方帅（1991-）男，硕士，从事液压传动与控制研究.