在现行的多路操纵阀前置的工程机械生产中，由于操纵阀布置局限性，必须通过弯曲的软轴结构传递操纵力。操作熟练的驾驶员为提高工作效率，在工作中经常将转向、提升动臂、收回铲斗等多项动作同时进行，并频繁地转向操作，必然导致由操纵手柄到前置多路阀的软轴频繁弯曲。当软轴弯曲半径变小时，软轴轴心与软轴外套之间的相对滑动阻力将变大。由于软轴结构的原因或安装误差带来的阻力要比阀本身需要的推拉力大2～3倍，驾驶员将要付出更多的体力。一个工作日结束，总感觉胳膊酸痛。由此，对驾驶员劳动强度的减小问题也越来越引起业界人士的高度重视。

1.现行操纵机构的结构形式

装载机的工作装置通过液压操纵手柄，直接控制多路操纵阀，使高压油通过管路进入液压缸，从而实现液压缸活塞杆的伸缩，完成动臂的举升、下降和转斗动作的前翻或收斗。操纵力直接由驾驶员通过操纵杆施加，为减少操纵力，通常加大操纵杆动力臂的长度。但是由于驾驶室空间位置的限制及操作动作范围的限制，操纵杆不能做得太长，而且过大的操纵范围会加大驾驶员的劳动强度。为此，液压先导阀的操纵阀在高配置装载机上有所采用。如图2-36所示为现行装载机操纵装置布置图。操纵杆2与操纵阀1通过软轴直接连接，操纵杆2直接推动或拉动操纵阀1的阀杆，实现液压油的接通和断开，完成动臂和铲斗的执行动作。

2.液压先导操纵阀的应用状况

图2-36 装载机操纵装置布置图

1—DF32.2F.1A操纵阀 2—操纵杆

采用液压先导阀的操纵阀虽然能满足轻便灵活的性能要求，但是由于液压先导阀的制造精度很高，在使用保养上要求也很苛刻，尤其对油品以及液压管路的清洁度要求很高，因此在同样的加工条件、生产状况和使用条件下，具有液压先导阀系统的液压系统，出现阀卡死，先导控制失灵的故障率相当高。并且，其很高的制造精度要求加大了制造成本，与其普通的多路操纵阀相比较，带有先导阀的多路操纵阀的价格要高出一倍以上。因上述原因，具有液压先导阀系统的多路操纵阀在民用装载机上的应用受到限制。为解决操纵轻便与制造、维护成本高的问题，开发设计出气动助力操纵器。

3.气动助力器介绍

气动助力器是为了使多路阀的操作更加迅速、轻便并且使用维护方便、整机成本低而开发的。该助力器有两个独立的助力气缸，其原理是利用压缩空气作为动力源，以气缸形式推动多路阀操纵装置而产生助力作用。在助力器的作用下，为减少驾驶员的操纵推拉幅度，可以减短操纵杆的长度，而仍能保证操纵的轻便。此外，由于操纵杆的操作轻松、准确，使装载机可以通过正确的阀控制量控制动臂和铲斗的升降或翻转速度，进一步减小因液压系统的油压脉冲负载变化引起的整机晃动，从而提高整机工作的安全性和可靠性，并在改善液压元件和整机工况方面发挥其显著的效果。气动助力器安装简便容易，即可以直接与多路阀相连也可以通过连杆或软轴安装。气动助力器的布置安装如图2-37所示。气动助力器布置于装载机多路阀的前端，输出力作用于多路阀的阀芯上，助力器的一端连接多路阀阀杆，另一端通过连接杆件与操纵杆相连。当驾驶员进行操纵动作时，操纵杆3的动作连动控制开关阀7来操纵助力缸的进气或排气，以满足所需的助力方向，助力缸在控制开关阀7的控制下为操纵动作助力，以达到操作灵活省力。

图2-37 气动助力器的布置安装

1—DF32.2F.1A操纵阀 2—气动助力器 3—操纵杆 4—储气筒 5—EQ153调压阀 6—空气压缩机 7—控制开关阀

4.ZL50型装载机气动助力器的工作原理

ZL50型装载机气动助力器由两个独立的气缸元件组成，分别担负对动臂液压缸操纵阀杆的操纵助力和对翻斗液压缸操纵阀杆的操纵助力，操纵助力原理如图2-38所示。

发动机空压机将压缩空气经自动排水调压器、储气筒到控制开关阀进气口O，在图示位置时经气口B通过助力气缸进气口C进入左腔推动活塞向右移动，右腔空气经气孔D和控制开关阀气孔A经左快速排气阀排向大气；当控制开关阀阀芯在图示位置向左移动时，高压空气由进气孔O经气孔A到助力气缸进气孔D进入右腔，从而推动活塞向左移动，实现向左方向的助力作用。助力缸左腔的空气经进气口C通过控制开关阀孔B，经右快速排气阀排入大气。

图2-38 操纵助力原理图

1—控制开关阀阀芯 2—控制开关阀阀体 3—消声器 4—助力气缸缸体 5—助力气缸活塞

5.助力后作用在操纵杆上的期望力F_d分析计算

如图2-39所示为助力后作用在操纵杆上的力F_d计算示意图。助力后作用在操纵杆上的期望操纵力F_d：

式中，F_d为作用在操纵杆上的期望力；F_z为操纵软轴作用于操纵杆上的力（N）；L_z为操纵杆阻力臂长；L_d为操纵杆动力臂长；F_r为软轴阻力；F_f为操纵阀杆阻力；F为气缸活塞杆作用在软轴上的力（N）；D为助力气缸活塞直径；d为助力气缸活塞杆直径；p为空气压力；R为气缸活塞摩擦力（N），R=10%F。

由于气缸摩擦力是由很多因素决定，如润滑状况、工作压力、背压、密封形式等，因此，对其只能给出近似值。由实验和测量所知，摩擦力通常为气缸推力的10%。

ZL50型装载机气动助力器主要参数见表2-10。

为保证驾驶员对工作装置的主导控制，提高对其操作的可控性，应使操纵助推气缸的推动力小于操纵阀杆所需的推拉力，以保证对动臂举升、下降或铲斗反转收斗位置的精确控制，并保证控制操作与动臂或铲斗动作的同时性。ZL50E型装载机物理结构参数见表2-11。

图2-39 助力后作用在操纵杆上的力计算示意图

表2-10 ZL50型装载机气动助力器主要参数(www.daowen.com)

表2-11 ZL50E型装载机物理结构参数

助力器在ZL50E型装载机上的计算应用，由上式计算气缸活塞杆上的有效作用力F：

F=π（D²-d²）p/4-R=π（40²-25²）×10^-6×0.7×10⁶÷4-10%F

得F=487.3N。

式中，L_z=70mm，L_d=430mm，F_r=210N，F_f=330N，D=40mm，d=25mm，p=0.7×10⁶Pa。

操纵软轴作用于操纵杆的阻力F_z：

F_z=F_r+F_f-F=（210+330-487.3）N=52.7N

操纵手柄处所需作用力F_d：

F_d=F_zL_z/L_d=52.7×70÷430N=8.5N

没有助力气缸情况下操纵手柄处所需操纵力F_s：

F_s=（F_r+F_f）L_z/L_d=（210+330）×70÷430N=87.9N

由此说明通过气动助力器，可以大大减轻驾驶员作用于操作手柄上的力。

6.助力气缸耗气量Q的计算

助力气缸耗气量Q：

Q=π[（D²-d²）÷4]2Sp×10^-6

式中，Q为表示每厘米行程的空气体积（L）；D为表示气缸缸径（40mm）；d为表示活塞杆直径（25mm）；S为活塞行程（20mm）；p为工作压力（0.7×10⁶Pa=7bar）。

Q=π[（40²-25²）÷4]×2×20×7×10^-6 L=0.21L

助力气缸活塞往复一次所需压缩空气量仅为0.21L，所需自由空气量为1.25L。发动机所带空气压缩机的排量在发动机额定转速下为300L/min，因此在发动机正常工作情况不影响空气压缩机对各气压系统的正常工作。

气动助力器应在下面的环境下工作才能得到良好的助力效果：最大工作气压为0.75MPa；工作温度为-40～80℃；最大工作行程为40mm。

7.使用注意事项

1）产品在安装气压管路前应注意管路的清洁，各管接头可涂抹密封胶或缠绕密封胶带进行密封连接，以免引起漏气。

2）产品在安装时，如果助力器与操纵阀直接进行连接，应保证助力器气缸活塞与多路操纵阀阀杆同轴，以免产生太大的偏力。

3）定期检查控制开关阀的消声器排气情况，确保排气畅通，以免影响操作的灵活性。

4）定期排放储气筒和油水分离器及管路中的污水，防污水进入，影响产品的性能。

将气动助力器应用于多路操纵机构中，可以用较小的操纵力对装载机进行轻松操纵，从而使操作轻便灵活，能够以较小的成本实现具有液压先导的高档性能，提高了操作过程的舒适感受。