負(fù)載敏感系統(tǒng)在工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用

0負(fù)載敏感技術(shù)的應(yīng)用由于該標(biāo)準(zhǔn)有幾個(gè)安裝組件的特點(diǎn)，因此在關(guān)節(jié)件的操作過程中，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)不同的液壓板執(zhí)行元件的負(fù)載，并且各電路的必要流量也不同。因此，在實(shí)際工作中，該工具的液壓庫效率低下，能耗高。對用戶來說,希望工程機(jī)械具有高性能、高可靠性、高舒適性及良好的經(jīng)濟(jì)性。這樣不僅能在工作過程中能大幅提高工作的效率,還可以提高發(fā)動機(jī)及液壓系統(tǒng)的效率和傳動元件的壽命和可靠性,減少機(jī)器故障率和維修成本,用戶操作時(shí)的舒適性也大大提高。液壓負(fù)載敏感技術(shù)由于自身具有較佳的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和先進(jìn)性等優(yōu)點(diǎn),在很大程度上能夠滿足用戶的需求,是一種廣泛地應(yīng)用于工程機(jī)械的液壓系統(tǒng)。負(fù)載敏感系統(tǒng)(LoadSensingSystem)是20世紀(jì)90年代國外在液壓挖掘機(jī)上發(fā)展起來的一種新型的系統(tǒng),是液壓傳動與控制領(lǐng)域內(nèi)的一項(xiàng)革新的系統(tǒng),現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種工程機(jī)械上,其節(jié)能效能顯著。它是一種能夠感受系統(tǒng)壓力-流量需求,且僅提供所需求的流量和壓力的液壓回路。負(fù)載敏感系統(tǒng)可用于液壓定量泵系統(tǒng),也可用于液壓變量泵系統(tǒng),特別是在變量泵系統(tǒng)中,最能體現(xiàn)負(fù)載敏感系統(tǒng)的優(yōu)勢,所以在變量泵系統(tǒng)中負(fù)載敏感系統(tǒng)的應(yīng)用較為常見。目前由于我國工程機(jī)械發(fā)展的自身原因,導(dǎo)致我國在負(fù)載敏感技術(shù)的研究上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家。為改變這種現(xiàn)狀,實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)負(fù)載敏感技術(shù)的突破,安徽博一流體傳動有限公司基于負(fù)載敏感技術(shù)的原理,研制出自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)負(fù)載敏感系統(tǒng)并得到廣泛應(yīng)用。1壓力反饋油路和流量控制閥一般工程機(jī)械液壓系統(tǒng)一般都由4大系統(tǒng)組成:(3)各液壓執(zhí)行元件液壓子系統(tǒng),包括動臂、斗桿、鏟斗、回轉(zhuǎn)和行走液壓系統(tǒng);(4)多路閥操縱和控制液壓系統(tǒng)。負(fù)載敏感控制系統(tǒng)也由以上4部分組成,典型負(fù)載敏感系統(tǒng)原理如圖1所示。變量柱塞泵需要帶有壓力補(bǔ)償器,系統(tǒng)不工作時(shí)柱塞泵能在較低的壓力下保持待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí),負(fù)載壓力發(fā)生變化,此時(shí)變量柱塞泵會感受系統(tǒng)的壓力需求,提供與負(fù)載壓力相適應(yīng)的壓力,同時(shí)根據(jù)多路閥的開啟情況提供所需的流量。當(dāng)外部負(fù)載變化時(shí),液壓系統(tǒng)的工作壓力隨著外部負(fù)載的變化而變化,而各支路的流量變化只決定于多路閥節(jié)流口的開口大小。壓力反饋油路和流量控制閥來實(shí)現(xiàn)負(fù)載敏感系統(tǒng)的整個(gè)功能,壓力反饋油路可以檢測并篩選出各個(gè)支路中最大的負(fù)載壓力,然后將這個(gè)壓力信號反饋給液壓泵,讓液壓泵作出相應(yīng)調(diào)整。流量控制閥則可以控制泵的輸出流量與系統(tǒng)需要的流量相適應(yīng)。整個(gè)系統(tǒng)工作的過程為:負(fù)載敏感系統(tǒng)未工作處于待機(jī)狀態(tài)時(shí),多路閥關(guān)閉,此時(shí)它切斷執(zhí)行元件(液壓缸或液壓馬達(dá))與液壓泵之間的壓力信號,液壓泵自動轉(zhuǎn)入低壓等待狀態(tài),輸出較小的壓力與流量。當(dāng)多路閥開始工作時(shí),先從執(zhí)行元件(液壓缸或液壓馬達(dá))得到壓力需求,并將壓力信號傳遞給液壓泵,使泵開始對系統(tǒng)壓力做出響應(yīng)。系統(tǒng)的流量需求通過壓力反饋油路和多路閥反饋給液壓泵,最終系統(tǒng)所需的流量是由多路閥的開度控制的。此時(shí)負(fù)載敏感式柱塞泵與負(fù)載敏感多路閥使整個(gè)液壓系統(tǒng)具有感受系統(tǒng)壓力-流量需求,且僅提供所需求的流量和壓力的功能,此即負(fù)載敏感系統(tǒng)的工作過程。2主泵和多路閥之間的匹配關(guān)系負(fù)載敏感主泵是一種能量轉(zhuǎn)換裝置,它將發(fā)動機(jī)傳來的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能,為液壓系統(tǒng)提供一定壓力和流量,驅(qū)動執(zhí)行元件(液壓缸和液壓馬達(dá)),是整個(gè)液壓系統(tǒng)的動力源。圖2是安徽博一流體傳動股份有限公司生產(chǎn)的負(fù)載敏感泵。該泵設(shè)置有恒功率控制閥,負(fù)載敏感閥及液壓伺服控制機(jī)構(gòu)等來對負(fù)載敏感主泵進(jìn)行控制,可實(shí)現(xiàn)恒功率控制,按需輸出流量,降低能耗。發(fā)動機(jī)起動前,整個(gè)系統(tǒng)中液壓油沒有壓力。負(fù)載敏感主泵的斜盤只在復(fù)位彈簧彈力的作用下處于擺角最大位置。當(dāng)發(fā)動機(jī)起動后,如果整個(gè)液壓系統(tǒng)此刻沒有流量的需求,則負(fù)載敏感主泵的斜盤在液壓油壓力的作用下克服復(fù)位彈簧彈力,回到擺角最小位置,保持負(fù)載敏感主泵出口壓力約為2MPa。而這個(gè)過程往往只需要幾十毫秒。如果負(fù)載敏感閥的節(jié)流口開啟,表明液壓系統(tǒng)此時(shí)對流量有需求,則負(fù)載敏感主泵的負(fù)載敏感控制機(jī)構(gòu)會根據(jù)不同的流量需求,自動地改變主泵的斜盤擺角,進(jìn)而改變主泵的排量,可以控制輸出的流量,維持節(jié)流口兩端的壓差在一個(gè)預(yù)先設(shè)定的固定值Δp。根據(jù)流體力學(xué)中流量的計(jì)算公式:保證Δp保持恒定,且除節(jié)流口過流面積A外的其他值為定值,表示通過節(jié)流口到負(fù)載的流量q與A呈正比例關(guān)系,A越大,負(fù)載所需要的流量越多,主泵的斜盤擺角就越大,提供的流量q就越多。主泵提供的流量完全取決于負(fù)載需要的流量,與負(fù)載壓力無關(guān),沒有溢流損失,沒有多余的流量輸出,還有較好的操控性能。以上是負(fù)載敏感泵最大的優(yōu)勢。如圖3所示,液壓泵出口壓力和負(fù)載壓力分別被引到負(fù)載敏感閥芯,同時(shí)負(fù)載敏感閥芯的左端還承受彈簧力。主泵工作時(shí),負(fù)載敏感閥芯始終將泵出口壓力與負(fù)載壓力兩端的壓差與彈簧的預(yù)壓力進(jìn)行比較,根據(jù)泵出口壓力與最大負(fù)載壓力的比較結(jié)果來改變變量伺服缸的位置,從而決定柱塞泵斜盤的擺角大小。當(dāng)液壓系統(tǒng)不工作時(shí),執(zhí)行元件不需要流量,負(fù)載敏感閥芯被泵的輸出壓力推到左端,泵輸出的流量進(jìn)入變量伺服缸的右側(cè)大腔,增大右側(cè)壓力,使斜盤擺角變小,直到壓力與變量缸左側(cè)小腔中的復(fù)位彈簧在3MPa左右時(shí)達(dá)到平衡,形成儲備壓力(當(dāng)有流量需求時(shí),儲備壓力可以更快地推動變量缸,提高主泵的響應(yīng)速度,使主泵斜盤擺角快速增大)。此時(shí)主泵的排量很小,主要由泵內(nèi)部泄油。在打開多路閥時(shí),通過節(jié)流口的流量很少,節(jié)流口兩端壓差基本為零,負(fù)載敏感閥芯右側(cè)壓力迅速減小,在彈簧的預(yù)設(shè)壓力作用下向右移動,使變量缸右側(cè)大腔流量減小,壓力降低,在復(fù)位彈簧的彈力作用下,泵的斜盤擺角變大,排量增大。當(dāng)通過節(jié)流口的流量增大時(shí),節(jié)流口兩端壓差也隨之升高,當(dāng)其壓力達(dá)到彈簧的預(yù)設(shè)壓力時(shí),負(fù)載敏感閥芯將變量伺服缸右側(cè)大腔的流道關(guān)閉,負(fù)載敏感主泵排量不再變化,保持恒定的輸出流量。彈簧的預(yù)設(shè)壓力就是之前提到設(shè)定壓力Δp。Δp的值通常設(shè)定為1.6~3MPa。負(fù)載敏感控制在一般的情況下可以通過改變泵斜盤的擺角而改變泵的排量,使穩(wěn)態(tài)時(shí)節(jié)流口兩端壓差保持Δp,從而保證輸出流量q與節(jié)流口開度A保持正比例關(guān)系。但是,當(dāng)泵的最大供油能力不能滿足系統(tǒng)需要的流量時(shí)(已達(dá)到泵排量的最大值時(shí)繼續(xù)增大節(jié)流口開度),Δp才會小于其設(shè)定值。該情況一般出現(xiàn)在一個(gè)負(fù)載敏感主泵向多個(gè)負(fù)載同時(shí)供油的時(shí)候。圖4是負(fù)載敏感泵壓力流量特性測試曲線。在試驗(yàn)時(shí),負(fù)載敏感主泵的轉(zhuǎn)速保持在1800r/min,試驗(yàn)的載體泵為80mL/r的單泵,圖4左側(cè)表中泵1壓力為泵的外控口壓力,泵2壓力為泵本身的壓力,通過泵2的壓力模擬負(fù)載壓力加載到負(fù)載敏感泵的LS口,被試泵也就是泵1的壓力和泵2模擬的LS壓力進(jìn)行比較并觀察當(dāng)前泵流量變化。圖中以壓差做橫軸,流量做縱軸,在負(fù)載壓差值從0.1MPa到5MPa逐漸增大的過程中,泵的流量從109L/min到18L/min逐漸變小。負(fù)載來的壓力通過泵的外控口與泵本身產(chǎn)生壓差最后導(dǎo)致泵的流量上升和下降。同時(shí)該負(fù)載敏感泵還能進(jìn)行恒功率控制,其主泵壓力流量功率曲線如圖5所示。試驗(yàn)油溫為62℃,先導(dǎo)壓力2.2MPa,從圖中可以看出當(dāng)泵的壓力增大到12MPa左右時(shí),泵的轉(zhuǎn)矩和功率基本保持穩(wěn)定,在壓力升高的時(shí)候,泵的輸出流量逐漸變小,此時(shí)泵的功率保持恒功率的特性。在對泵進(jìn)行加載到30MPa再逐漸卸荷的過程中,可以看到泵的滯環(huán)曲線保持得較好。3負(fù)載敏感多路閥多路閥油路是液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)中的主油路,液壓泵可以通過多路閥來改變各個(gè)液壓執(zhí)行元件的供油方式,進(jìn)而決定了液壓挖掘機(jī)的工作特性。整體式全鋼結(jié)構(gòu)負(fù)載敏感多路閥的新產(chǎn)品采用整體式結(jié)構(gòu),其典型內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖6,其原理參閱圖1中主多路閥框圖部分。當(dāng)液壓油進(jìn)入操縱閥后,先通過閥的節(jié)流部分,再經(jīng)壓力補(bǔ)償閥,最后通過閥的換向部分到液壓執(zhí)行元件。在操縱閥的可變節(jié)流口之后設(shè)置了閥后補(bǔ)償?shù)膲毫ρa(bǔ)償閥,由于一般的液壓執(zhí)行元件是雙作用的,有兩條油路。油路換向部分必須布置在壓力補(bǔ)償閥之后,從而避免在兩條油路上分別設(shè)壓力補(bǔ)償閥。常常把節(jié)流部分和換向部分都集成于一體(操縱閥中)而簡化閥的結(jié)構(gòu)。主泵出口壓力隨執(zhí)行元件中負(fù)載壓力的最大值變化而變化,并且與最大負(fù)載壓力之差等于負(fù)載敏感機(jī)構(gòu)的彈簧力設(shè)定值。執(zhí)行元件(液壓缸或液壓馬達(dá))中負(fù)載壓力最大的,壓力補(bǔ)償閥閥口全開。負(fù)載壓力較低者,由補(bǔ)償閥進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償后的結(jié)果是每個(gè)主閥的主閥口兩端壓差均保持為一個(gè)設(shè)定值Δp。當(dāng)僅有一個(gè)執(zhí)行元件動作時(shí),支路上壓力補(bǔ)償閥芯全部打開,該執(zhí)行元件的負(fù)載壓力作為最高負(fù)載壓力通過LS管路傳遞到主泵的LS口,多路閥主油口兩端的壓差維持在主泵負(fù)載敏感機(jī)構(gòu)彈簧的設(shè)定值(例如Δp=2MPa),此時(shí)輸出到執(zhí)行元件的流量始終與多路閥主油口的開度保持線性關(guān)系,不受執(zhí)行元件負(fù)載壓力變化的影響。當(dāng)有多個(gè)執(zhí)行元件共同動作時(shí),此時(shí)在梭閥篩選出執(zhí)行元件中的最大負(fù)載壓力,并將其引入負(fù)載敏感泵的變量機(jī)構(gòu),壓力補(bǔ)償閥關(guān)小,使各個(gè)多路閥的主油口兩端的壓差等于彈簧的設(shè)定值(例如Δp=2MPa),此時(shí)輸出到各個(gè)執(zhí)行元件的流量始終與控制它的多路閥主油口的開度保持線性關(guān)系,不受執(zhí)行元件負(fù)載壓力變化的影響。整體式多路閥與傳統(tǒng)的片式和鑄造多路閥相比,避免了鑄造流道的生成,提高了產(chǎn)品的成型率,由于沒有片間連接,具有更好的密封性,沒有外漏。由于是整體式鋼結(jié)構(gòu),在設(shè)計(jì)和制造時(shí)可以做到很精準(zhǔn),多路閥在整體外形方面同等流量范圍體積時(shí)可以做的更小。當(dāng)在實(shí)際使用過程出現(xiàn)磨損等情況影響閥的工作時(shí),更換閥套即可翻新使用,而且對閥體沒有影響。因此,理論上閥體的使用壽命是無限的。通過使用各種專門設(shè)計(jì)的插裝閥,可以把各種附加功能方便快捷地整合到一起。圖7負(fù)載敏感多路閥實(shí)際測試結(jié)果。試驗(yàn)油溫50±5℃,系統(tǒng)最高壓力30MPa,圖中pp是多路閥進(jìn)口壓力,p1是某一路負(fù)載的壓力;Δp為前兩者的壓力差,Q為實(shí)際測試的某一路的實(shí)際流量;以Δp做橫軸,Q做縱軸。從圖中可以看出,多路閥單路閥口兩端壓差雖然從1.8~8MPa發(fā)生變化,但系統(tǒng)的流量基本維持在110L/min左右;由于是實(shí)驗(yàn)室前期產(chǎn)品,線性不是非常好,但已經(jīng)能夠足夠的說明問題。該整體式負(fù)載敏感閥集成方便,系統(tǒng)泄漏少,各路動作協(xié)調(diào)統(tǒng)一性好,已經(jīng)在一些農(nóng)用機(jī)械(見圖8)、煤礦機(jī)械等獲得初步的應(yīng)用。配合負(fù)載敏感泵,該系統(tǒng)能在很廣的領(lǐng)域如起重機(jī)械、路面機(jī)械等領(lǐng)域得到更為廣泛的推廣和應(yīng)用。4負(fù)載敏感系統(tǒng)要求在考慮整機(jī)傳動與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案時(shí),負(fù)載敏感系統(tǒng)是具有下列特點(diǎn)工作系統(tǒng)的理想選擇:(1)系統(tǒng)具有多個(gè)回路和執(zhí)行元件,且每一回路有壓力和流量需求不同;(2)系統(tǒng)需要采用容積調(diào)速,對流量進(jìn)行調(diào)節(jié);(3)系統(tǒng)需要低壓小流量的待機(jī)工況直至有更高的壓力和流量需求;(4)系統(tǒng)需要提供恒定的流量而不受輸入轉(zhuǎn)速及壓力變化的影響;(5)系統(tǒng)對節(jié)能要求比較高,避免產(chǎn)生過多的能量損耗及熱損耗;(6)系統(tǒng)需要保持執(zhí)行元件恒定速度而不受到負(fù)載影響。上述介紹的新型負(fù)載敏感系