, , , 　(1.燕山大學 河北省重型機械流體動力傳輸與控制重點實驗室， 河北 秦皇島　066004;2.燕山大學 先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室， 河北 秦皇島　066004)

引言

負載敏感技術在工程機械領域應用十分廣泛，其顯著特點是將負載所需要的壓力流量與泵源所提供的壓力流量匹配起來，消除溢流損失，從而降低能耗，提高系統(tǒng)效率[1]。依據(jù)流量調節(jié)方式不同，工程機械中負載敏感系統(tǒng)分為開中心負載敏感系統(tǒng)與閉中心負載敏感系統(tǒng)[2]，隨著負載敏感泵技術的發(fā)展，閉中心負載敏感系統(tǒng)以其出色的節(jié)能效果，得到越來越多的應用。依據(jù)壓力補償閥在回路中位置的不同，可將負載敏感系統(tǒng)分為閥前補償?shù)膫鹘y(tǒng)負載敏感系統(tǒng)(Ls)和閥后補償?shù)呢撦d獨立流量分配系統(tǒng)(LUDV)[3]，其中閥后補償系統(tǒng)在流量分配方面不存在流量飽和問題，因此在協(xié)調性要求較高的工況條件下較前者有一定的優(yōu)勢。

閥前補償負載敏感系統(tǒng)在實際工程中也存在大量應用，而系統(tǒng)參數(shù)的調整及流量飽和現(xiàn)象一直受到國內外學者和工程師的關注。李現(xiàn)友、黃宗益等[4,5]對負載敏感系統(tǒng)進行了原理性分析；Duqiang WU[6]采用傳遞函數(shù)方法對負載敏感系統(tǒng)(Ls)進行分析，并對負載敏感系統(tǒng)穩(wěn)定性進行了深入研究，但采用復雜的頻域數(shù)學模型，很難給現(xiàn)場的工程師直觀的理解；高峰等[7]以非線性方程組形式建立負流量控制模型，采用PID控制策略，得到了較好的控制效果；肖前龍等[8]利用計算機仿真對負載敏感閥前補償進行研究，討論了補償閥預緊力及彈簧剛度等參數(shù)對系統(tǒng)流量壓力的影響，然而計算機仿真靈活性較差，且進行優(yōu)化設計時仿真計算時間較長。

為解決以上研究中存在的數(shù)學模型復雜和計算耗時較長的問題，本研究以閥前補償負載敏感系統(tǒng)為研究對象，通過簡化的非線性方程組建立負載敏感閥的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，闡述負載敏感系統(tǒng)反饋控制原理，并對流量飽和現(xiàn)象進行分析。

1　負載敏感閥流量壓力關系

閥前補償負載敏感多路閥單聯(lián)主要由補償閥及主控制閥串聯(lián)構成[9]，其結構如圖1所示。負載敏感系統(tǒng)在實際應用中可簡化為圖2所示系統(tǒng)。主控制閥可簡化成節(jié)流閥；補償閥功能上屬于定差減壓閥，作用是穩(wěn)定主閥前后壓差，使其不隨負載壓力變化而變化。

1.二級Ls壓力設定閥　2.電磁鐵A　3.B口行程限制 4.主閥芯　5.壓力補償閥　6.閥體　7.主閥芯　8.彈簧罩 9.A口行程限制　10.電磁鐵B　11.機械手柄

在圖2所示負載敏感回路中，設負載壓力為p2，補償閥出口壓力為p1，泵出口壓力為p0。

主閥的流量壓力關系為：

其中：Cd—— 流量系數(shù)，無因次

A2—— 主閥節(jié)流面積，m2

ρ—— 流體密度，kg/m3

Q—— 流量，m3/s

圖2　閥前補償負載敏感系統(tǒng)原理

補償閥的流量壓力關系為：

其中：A1—— 補償閥節(jié)流面積，m2

由式(1)、式(2)可得：

(3)

圖3　補償閥閥桿受力示意圖

設x為補償閥閥口開度，x0為閥桿零位移開度，彈簧剛度為k，預緊力為F0，閥桿作用面積A0。當補償閥芯與右端蓋接觸時(F0>(p1-p2)A0)：

x=x0

(4)

當補償閥芯與右端蓋脫離(F0≤(p1-p2)A0)時，忽略液動力、粘滯阻力及閥桿慣性力，可得閥桿受力平衡方程：

(p1-p2)A0=F0+k(x0-x)

(5)

A1=xw1

(6)

其中，w1為補償閥口面積梯度，取決于閥口形式。

則補償閥閥口節(jié)流面積A1可表示為：

(7)

當補償閥芯與右端蓋脫離時，將式(5)、式(6)代入式(3)得到：

為了便于分析，定義：

(9)

綜合以上分析，結合表1所示參數(shù)可得到負載敏感閥壓力流量曲線及補償閥口開度流量變化曲線，如圖4所示。

表1　主要參數(shù)取值

圖4所示曲線可大致分為三段：

第一階段(圖中A段)：這一階段閥口處于全開位置，通過流量較小，補償閥壓降較?。?/p>

第二階段(圖中B段)：補償閥與主閥壓降相當，正常工作時主要處于這一區(qū)域；

第三階段(圖中C段)：隨著流量加大，壓差急劇增大，達到極限流量時，壓差趨于無窮。

圖4　負載敏感多路閥流量壓力曲線、流量補償閥口開度曲線

(10)

式(10)表明了預壓縮力F0、補償閥初始開度x0、主閥口節(jié)流面積與通流能力之間的關系，當主閥口節(jié)流面積A2變化時，負載敏感多路閥流量壓力曲線變化趨勢如圖5所示。

圖5　負載敏感多路閥流量壓力曲線隨主閥開度變化趨勢

由式(10)及圖5可知：

(1) 負載敏感閥通流能力與主閥口節(jié)流面積A2成正比且與負載無關，這是調節(jié)系統(tǒng)流量的主要方式；

(2) 調試人員可根據(jù)負載速度要求調節(jié)補償閥彈簧預壓縮量，式(10)的提出同時為閥芯主彈簧設計提供了依據(jù)。

2　負載敏感系統(tǒng)工況分析

2.1　負載敏感系統(tǒng)工作原理分析

依據(jù)圖2所示的原理圖可知，閥前補償負載敏感系統(tǒng)主要由負載敏感泵、負載敏感多路閥及負載組成。典型的負載敏感泵由泵內負載敏感閥、大腔活塞、變量泵及小腔活塞構成[4]。負載敏感系統(tǒng)中，泵內負載敏感閥有彈簧的一側通過Ls作用負載壓力p2，另一端作用泵出口壓力p0。當壓差p0-p2減小時，泵內負載敏感閥右位工作，大腔活塞作用壓力降低，在小腔活塞作用下變量泵斜盤傾角增大，泵排量隨之增大；反之泵排量減小。負載敏感泵檢測負載敏感多路閥前后壓差，當壓差大于某一設定值時泵排量減?。欢鴫翰钚∮谠撝禃r排量增大。

結合圖4中負載敏感多路閥流量壓力曲線可知，負載敏感系統(tǒng)的工作原理為：檢測壓差p0-p2，若p0-p2未達到指定值(設為Δp)則增加排量，輸入流量隨之增加，p0-p2亦隨之增大；若泵排量增至最大p0-p2仍未達到Δp，泵處于飽和狀態(tài)；若排量增大過程中p0-p2達到Δp，則排量不再增加，若某時刻p0-p2>Δp則排量減小，最終使p0-p2穩(wěn)定在Δp附近。

負載敏感泵與負載敏感閥構成了一個負反饋的控制關系，負載敏感閥通過調節(jié)前后壓差對負載敏感泵進行控制。泵源輸出的流量完全與控制閥所要求的流量相匹配，由此，負載敏感系統(tǒng)完全消除了溢流損失，回路效率得到提高。

2.2　負載敏感系統(tǒng)中的飽和現(xiàn)象

當多路閥兩聯(lián)或多聯(lián)聯(lián)動時，負載敏感系統(tǒng)可能會出現(xiàn)流量飽和現(xiàn)象。飽和現(xiàn)象是指：負載敏感系統(tǒng)多聯(lián)聯(lián)動時，受變量泵最大流量限制，不能同時滿足各聯(lián)流量需求，出現(xiàn)小負載流量充足，而大負載流量不足的現(xiàn)象。

建立如圖6所示的兩聯(lián)聯(lián)動多路閥負載敏感系統(tǒng)。并假設：Q1和Q2分別為第一聯(lián)和第二聯(lián)通過流量；p11、p12分別為第一聯(lián)和第二聯(lián)補償閥后壓力；p21、

圖6　多路閥兩聯(lián)聯(lián)動原理圖

p22分別為第一聯(lián)和第二聯(lián)負載壓力；Qm為變量泵最大排量時所對應流量；Δp為負載敏感泵設定壓差。則存在以下關系：

(11)

(12)

Q泵=Q1+Q2≤Qm

(13)

其中，當且僅當p0-max(p21,p22)≤Δp時，式(13)中的等號成立。

假設第一聯(lián)和第二聯(lián)主閥開度保持一致，且負載p21

圖7　兩聯(lián)聯(lián)動負載敏感系統(tǒng)流量壓力曲線

將第一聯(lián)和第二聯(lián)流量與泵出口壓力p0的關系曲線放在同一坐標系下，作直線p0=p22+Δp，分別交兩條曲線于A點和B點，則A點和B點的橫坐標分別表示泵出口壓力為p22+Δp時的兩聯(lián)通過流量，設為Q1′、Q2′。作直線p0=p22，交曲線與點C，并設C點橫坐標為Q0。

將每一時刻p0值所對應的各個流量相加，得到兩聯(lián)聯(lián)動時系統(tǒng)整體壓力流量曲線，如圖8所示。

圖8　兩聯(lián)聯(lián)動整體壓力流量曲線

當變量泵最大流量QmQ1′+Q2′時，p0=p22+Δp，小負載大負載流量分別為Q1、Q2，泵流量Q泵=Q1+Q2,飽和現(xiàn)象不發(fā)生。

由以上分析可以看出，多路閥兩聯(lián)聯(lián)動時流量分配與以下因素有關：

(1) 泵最大流量Qm是飽和現(xiàn)象產生的直接原因，Qm越大，越不容易產生飽和現(xiàn)象；

(2) 兩聯(lián)負載差值p22-p21直接影響Q0、Q1′與Q2′的取值，進而影響飽和區(qū)范圍，負載差值越大，飽和現(xiàn)象越容易發(fā)生;

(3) 考慮到改變主閥閥口開度會影響多路閥壓力流量曲線形狀，多路閥兩聯(lián)聯(lián)動時流量分配還與主閥閥口開度有關。

3　結論

(1) 負載敏感泵與負載敏感閥共同構成負反饋控制關系，負載敏感閥通過其前后壓差對負載敏感泵進行控制，最終實現(xiàn)泵源輸出的流量與控制閥所設定的流量匹配;

(2) 通過對兩聯(lián)聯(lián)動多路閥負載敏感系統(tǒng)工作過程進行建模，以變量泵最大流量為主要分析對象，對飽和現(xiàn)象分區(qū)間進行了討論。結果表明：多路閥兩聯(lián)聯(lián)動時流量分配與泵最大流量、 兩聯(lián)負載差值及多路閥壓力流量曲線形狀有關;

(3) 為避免出現(xiàn)流量飽和現(xiàn)象，可依據(jù)實際工況中可能會出現(xiàn)的最大負載差值及相應的流量要求，選取適合的變量泵規(guī)格；也可在檢測系統(tǒng)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象后，主動調節(jié)主閥開口，適當提高多路閥壓力流量增益，通過使飽和區(qū)間前移的方式達到消除飽和現(xiàn)象的目的。

參考文獻：

[1]黃新年,張志生,陳忠強.負載敏感技術在液壓系統(tǒng)中的應用[J].流體傳動與控制,2007,(5):28-30.

[2]王慶豐,魏建華,吳根茂,等.工程機械液壓控制技術的研究進展與展望[J].機械工程學報,2004,39(12):51-56.

[3]景俊華.負載敏感系統(tǒng)的原理及其應用[J].流體傳動與控制,2010,(6):21-24.

[4]李現(xiàn)友.負載敏感液壓系統(tǒng)典型工況原理分析[J].價值工程,2013,32(26):51-52.

[5]黃宗益,李興華,陳明.液壓傳動的負載敏感和壓力補償[J].建筑機械,2004,(4):52-55,58.

[6]WU D. Modeling and Experimental Evaluation of a Load-sensing and Pressure Compensated Hydraulic System[D].Saskatoon:University of Saskatchewan,2003.

[7]高峰,潘雙夏.負流量控制模型與試驗研究[J].機械工程學報,2005,41(7):107-111.

[8]肖前龍.負載敏感閥前補償在工程機械中的應用研究[J].液壓氣動與密封,2014,(2):33-36,40.