劉 軍，劉軍營，王建香，劉新釗，李國棟

（山東理工大學機械工程學院，山東淄博255091）

壓力或流量單一控制的液壓系統(tǒng)雖然具有一定的節(jié)能效果，但不適合用在多級壓力和流量控制的大功率設(shè)備上．本文針對這一問題構(gòu)建壓力流量比例變量泵系統(tǒng)方案，以實現(xiàn)壓力和流量的復合控制，使泵的輸出功率與負載所需要的功率相匹配，從而降低能耗損失

1 壓力流量比例控制變量泵的構(gòu)建及其調(diào)節(jié)原理

結(jié)合壓力流量復合控制技術(shù)和電液比例控制技術(shù)的優(yōu)點建立如圖1所示的壓力流量比例控制變量泵方案．圖1中，比例節(jié)流閥5和恒流閥7構(gòu)成了系統(tǒng)的流量控制回路，前置式節(jié)流器R、比例壓力閥8和恒壓閥6構(gòu)成了系統(tǒng)的壓力控制回路．與帶有公用二級閥的壓力流量復合控制系統(tǒng)相比，由于該系統(tǒng)分別采用了恒流閥和恒壓閥來實現(xiàn)對系統(tǒng)流量和壓力的控制，所以可以根據(jù)系統(tǒng)的具體要求分別選取恒流閥和恒壓閥的參數(shù)，以達到最優(yōu)控制的目的．

當負載壓力PL小于比例壓力閥的設(shè)定壓力PV0時，系統(tǒng)處在流量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，比例壓力閥關(guān)閉，此時PL＝PV，Pb－PV＝Pb－PL＝常數(shù)（Pb為泵的輸出壓力，PV為前置式節(jié)流器R右端的壓力）；當系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，此常數(shù)為比例節(jié)流閥5兩端的壓差，所以比例節(jié)流閥的開度一定時，通過比例節(jié)流閥的流量QL保持恒定，不受負載壓力變化的影響［4]，此時比例節(jié)流閥5兩端的壓差直接作用于恒流閥的兩端．由于在流量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，負載壓力PL小于比例壓力閥的設(shè)定壓力PV0，所以前置式節(jié)流器R無流量通過，因此前置式節(jié)流器兩端的壓力相等，即PL＝PV，恒壓閥閥芯在其彈簧力的作用下處于左極端位置，恒壓閥不起控制作用．

圖1 壓力流量比例控制變量泵方案

當負載壓力PL大于比例壓力閥的設(shè)定壓力PV0時，比例壓力閥打開，系統(tǒng)處在壓力調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，在前置式節(jié)流器R的作用下，恒壓閥兩端的壓差推動恒壓閥閥芯迅速右移，高壓油進入變量大缸，推動變量大缸活塞左移，使斜盤傾角迅速下降到接近于0，泵的排量迅速下降到接近于0，系統(tǒng)在高壓（比例壓力閥的設(shè)定壓力PV0）小流量下工作，避免了傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的高壓溢流損失．同時，泵的輸出壓力不再上升，避免了設(shè)備的損壞，保護了系統(tǒng)元件，系統(tǒng)壓力控制和流量控制的時間轉(zhuǎn)換可以通過計算機來控制

在最靠近變量大缸的恒壓閥通路上，并聯(lián)了一個帶液阻R1的通路以及相應的帶液阻R2和R3的通路．這種布局，給變量控制及系統(tǒng)運行在快速性、穩(wěn)定性等多方面帶來有利影響［8]．

2 壓力流量比例控制變量泵仿真模型及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)圖1所示的壓力流量比例控制變量泵方案，建立如圖2所示的仿真模型．圖2中，恒流閥、恒壓閥、變量缸由HCD（液壓元件設(shè)計庫模塊）構(gòu)建而成，通過反復調(diào)試仿真模型和參數(shù)優(yōu)化，將仿真模型的參數(shù)設(shè)置如下：電機額定轉(zhuǎn)速1 000r／min、變量泵最大排量100L／min、比例節(jié)流閥設(shè)定壓差1．5MPa、恒壓閥閥芯直徑6．5mm、恒壓閥閥芯質(zhì)量0．01kg、恒流閥閥芯直徑6．5mm、恒流閥閥芯質(zhì)量0．02kg、恒流閥彈簧預緊力49．75N、恒壓閥彈簧預緊力5N、變量大缸直徑50mm、變量小缸直徑20mm、液壓油密度850kg／m3、液壓油工作溫度40℃．

3 壓力流量比例控制變量泵仿真分析

3．1 壓力流量調(diào)節(jié)特性仿真分析

如圖2所示，通過調(diào)節(jié)比例節(jié)流閥6的輸入信號，可以改變負載所需要的流量，比例節(jié)流閥的開口變化如圖3所示．比例節(jié)流閥開口在0～1的變化范圍內(nèi)可以按比例進行調(diào)節(jié)，其中0表示比例節(jié)流閥開口完全關(guān)閉，1表示比例節(jié)流閥開口完全打開．比例節(jié)流閥開口完全打開時，負載所需流量為100L／min，調(diào)節(jié)圖2中的負載壓力設(shè)置閥9，設(shè)置負載壓力按照圖4所示規(guī)律進行變化，調(diào)節(jié)圖2中的比例壓力閥10，設(shè)置其開啟壓力為16MPa，設(shè)置仿真時間為4s，采樣時間間隔為0．001s．得到的仿真曲線如圖5～圖8所示．

結(jié)論如下：

1）由圖3和圖5可以看出，在0～1．5s和2．5～4s時間段內(nèi)，系統(tǒng)處于流量控制階段，泵的輸出流量幾乎完全按照比例節(jié)流閥的開口變化按比例進行輸出，泵的輸出流量根據(jù)負載的需求而改變且?guī)缀鯖]有剩余，避免了傳統(tǒng)定量泵液壓系統(tǒng)的流量損失，有效節(jié)約了能量．

2）由圖3可知，在0．5～1．5s時間段內(nèi)，比例節(jié)流閥的開度不變，系統(tǒng)處于恒流控制狀態(tài)．如圖4所示，負載壓力在這段時間內(nèi)發(fā)生了變化，在0．8s時，負載壓力由13MPa下降到10MPa，在1．1s時，負載壓力由10MPa上升到13MPa．由圖5可以看出，泵的輸出流量在0．8s和1．1s時，經(jīng)短暫的調(diào)整又恢復到原來的輸出流量．由此說明，當比例節(jié)流閥的開度一定時，負載壓力的變化不影響系統(tǒng)的恒流值．

3）如圖4所示，在1．5～2．5s時間段內(nèi)，負載設(shè)置壓力為20MPa，大于比例壓力閥的設(shè)定壓力16MPa，系統(tǒng)處于壓力控制狀態(tài)；如圖5所示，在此時間段內(nèi)泵的輸出流量接近于0，僅輸出維持系統(tǒng)泄漏和保壓所需要的流量；如圖6所示，此段時間的泵的輸出壓力為比例節(jié)流閥的設(shè)定壓力16MPa，系統(tǒng)在高壓小流量下工作，避免了傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的高壓溢流損失．

圖2 壓力流量比例控制變量泵仿真模型

圖3 比例節(jié)流閥的開口變化

4）如圖6所示，在0～1．5s和2．5～4s時間段內(nèi)，泵的輸出壓力始終比負載壓力高出一個很小的固定值（1．5MPa），因此系統(tǒng)的節(jié)流損失很?。?/p>

圖4 負載設(shè)定壓力變化

5）如圖7所示，泵的輸出功率隨著負載消耗功率的變化而變化，兩者差值很小，泵的輸出功率得到充分的利用，尤其在壓力控制階段，泵的輸出功率接近于0，避免了傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)在保壓時較大的功率損失．

6）如圖8所示，在0～1．5s和2．5～4s時間段內(nèi)，當負載壓力或比例節(jié)流閥的開度變化時，比例節(jié)流閥兩端的壓差經(jīng)過短暫的調(diào)整后又恢復到原來的恒定差值（1．5MPa）．在1．5～2．5s時間段內(nèi)，由于泵的輸出流量接近于0，所以通過比例節(jié)流閥的流量接近于0，因此比例節(jié)流閥兩端的壓差接近于0，比例節(jié)流閥兩端的壓力基本相等．在此時間段內(nèi)，恒流閥閥芯在其彈簧力的作用下處于左端位置而不起控制作用，因此如圖3、圖4所示，在此時間段內(nèi)泵的輸出流量不受比例節(jié)流閥開度變化的影響．

圖5 泵輸出流量變化

圖6 泵的輸出壓力隨負載壓力的變化

圖7 泵的輸出功率隨負載消耗功率的變化

圖8 比例節(jié)流閥兩端的壓差變化

3．2 恒流閥閥芯質(zhì)量對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響

調(diào)節(jié)圖2中的比例節(jié)流閥6，設(shè)置比例節(jié)流閥的開度為0．6即60%，此時負載所需要的流量為60L／min．調(diào)節(jié)圖2中的負載壓力設(shè)置閥9，設(shè)置負載壓力為10MPa，設(shè)置系統(tǒng)仿真時間為0．5s，采樣時間間隔為0．001s，得到的仿真曲線如圖9所示．

圖9中，曲線1、2、3、4表示恒流閥閥芯質(zhì)量分別為0．02kg、0．03kg、0．04kg、0．05kg時，泵的輸出流量及壓力的變化曲線．由圖9（b）可以看出，隨著恒流閥閥芯質(zhì)量的增大，負載所需流量的超調(diào)量逐漸增大，震蕩逐漸增大，流量變得越來越不穩(wěn)定，即負載速度變得越來越不穩(wěn)定．由圖9（d）可以看出，隨著恒流閥閥芯質(zhì)量的增大，流量的不穩(wěn)定導致泵的輸出壓力也變得不穩(wěn)定．這是由于恒流閥芯質(zhì)量越大，則其慣性越大，穩(wěn)定性越差．因此，在設(shè)計和制造中，必須保證在壓力和流量穩(wěn)定性要求較高的液壓系統(tǒng)中，恒壓閥閥芯質(zhì)量不宜過大，否則會影響系統(tǒng)壓力和流量的穩(wěn)定．

4 結(jié)束語

（1）該系統(tǒng)不但具有良好的恒流控制性能，而且能夠通過調(diào)節(jié)比例節(jié)流閥的開度來改變負載所需要的流量，以滿足負載的速度要求．在流量控制階段，泵的輸出壓力僅比負載壓力高出一個很小的固定值，因此系統(tǒng)的節(jié)流損失很小．在壓力控制階段，系統(tǒng)在高壓小流量下工作，避免了傳統(tǒng)定量泵液壓系統(tǒng)的高壓溢流損失，有效降低了能量損失．此外，該系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)比例壓力閥的輸入信號，按比例改變系統(tǒng)的恒壓值．

（2）恒流閥閥芯質(zhì)量對系統(tǒng)輸出壓力和負載速度的穩(wěn)定起著重要的作用，因此要根據(jù)具體要求合理選擇設(shè)計恒流閥閥芯質(zhì)量．

圖9 負載所需流量和泵輸出壓力隨恒流閥閥芯質(zhì)量的變化曲線

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