负载敏感系统在工程机械液压系统中的应用

负载敏感系统在工程机械液压系统中的应用

0负载敏感技术的应用由于该标准有几个安装组件的特点，因此在关节件的操作过程中，经常会发现不同的液压板执行元件的负载，并且各电路的必要流量也不同。因此，在实际工作中，该工具的液压库效率低下，能耗高。对用户来说,希望工程机械具有高性能、高可靠性、高舒适性及良好的经济性。这样不仅能在工作过程中能大幅提高工作的效率,还可以提高发动机及液压系统的效率和传动元件的寿命和可靠性,减少机器故障率和维修成本,用户操作时的舒适性也大大提高。液压负载敏感技术由于自身具有较佳的经济性、可靠性和先进性等优点,在很大程度上能够满足用户的需求,是一种广泛地应用于工程机械的液压系统。负载敏感系统(LoadSensingSystem)是20世纪90年代国外在液压挖掘机上发展起来的一种新型的系统,是液压传动与控制领域内的一项革新的系统,现已广泛应用于各种工程机械上,其节能效能显著。它是一种能够感受系统压力-流量需求,且仅提供所需求的流量和压力的液压回路。负载敏感系统可用于液压定量泵系统,也可用于液压变量泵系统,特别是在变量泵系统中,最能体现负载敏感系统的优势,所以在变量泵系统中负载敏感系统的应用较为常见。目前由于我国工程机械发展的自身原因,导致我国在负载敏感技术的研究上远远落后于发达国家。为改变这种现状,实现国产负载敏感技术的突破,安徽博一流体传动有限公司基于负载敏感技术的原理,研制出自主知识产权的国产负载敏感系统并得到广泛应用。1压力反馈油路和流量控制阀一般工程机械液压系统一般都由4大系统组成:(3)各液压执行元件液压子系统,包括动臂、斗杆、铲斗、回转和行走液压系统;(4)多路阀操纵和控制液压系统。负载敏感控制系统也由以上4部分组成,典型负载敏感系统原理如图1所示。变量柱塞泵需要带有压力补偿器,系统不工作时柱塞泵能在较低的压力下保持待机状态。当系统开始工作时,负载压力发生变化,此时变量柱塞泵会感受系统的压力需求,提供与负载压力相适应的压力,同时根据多路阀的开启情况提供所需的流量。当外部负载变化时,液压系统的工作压力随着外部负载的变化而变化,而各支路的流量变化只决定于多路阀节流口的开口大小。压力反馈油路和流量控制阀来实现负载敏感系统的整个功能,压力反馈油路可以检测并筛选出各个支路中最大的负载压力,然后将这个压力信号反馈给液压泵,让液压泵作出相应调整。流量控制阀则可以控制泵的输出流量与系统需要的流量相适应。整个系统工作的过程为:负载敏感系统未工作处于待机状态时,多路阀关闭,此时它切断执行元件(液压缸或液压马达)与液压泵之间的压力信号,液压泵自动转入低压等待状态,输出较小的压力与流量。当多路阀开始工作时,先从执行元件(液压缸或液压马达)得到压力需求,并将压力信号传递给液压泵,使泵开始对系统压力做出响应。系统的流量需求通过压力反馈油路和多路阀反馈给液压泵,最终系统所需的流量是由多路阀的开度控制的。此时负载敏感式柱塞泵与负载敏感多路阀使整个液压系统具有感受系统压力-流量需求,且仅提供所需求的流量和压力的功能,此即负载敏感系统的工作过程。2主泵和多路阀之间的匹配关系负载敏感主泵是一种能量转换装置,它将发动机传来的机械能转换为液压能,为液压系统提供一定压力和流量,驱动执行元件(液压缸和液压马达),是整个液压系统的动力源。图2是安徽博一流体传动股份有限公司生产的负载敏感泵。该泵设置有恒功率控制阀,负载敏感阀及液压伺服控制机构等来对负载敏感主泵进行控制,可实现恒功率控制,按需输出流量,降低能耗。发动机起动前,整个系统中液压油没有压力。负载敏感主泵的斜盘只在复位弹簧弹力的作用下处于摆角最大位置。当发动机起动后,如果整个液压系统此刻没有流量的需求,则负载敏感主泵的斜盘在液压油压力的作用下克服复位弹簧弹力,回到摆角最小位置,保持负载敏感主泵出口压力约为2MPa。而这个过程往往只需要几十毫秒。如果负载敏感阀的节流口开启,表明液压系统此时对流量有需求,则负载敏感主泵的负载敏感控制机构会根据不同的流量需求,自动地改变主泵的斜盘摆角,进而改变主泵的排量,可以控制输出的流量,维持节流口两端的压差在一个预先设定的固定值Δp。根据流体力学中流量的计算公式:保证Δp保持恒定,且除节流口过流面积A外的其他值为定值,表示通过节流口到负载的流量q与A呈正比例关系,A越大,负载所需要的流量越多,主泵的斜盘摆角就越大,提供的流量q就越多。主泵提供的流量完全取决于负载需要的流量,与负载压力无关,没有溢流损失,没有多余的流量输出,还有较好的操控性能。以上是负载敏感泵最大的优势。如图3所示,液压泵出口压力和负载压力分别被引到负载敏感阀芯,同时负载敏感阀芯的左端还承受弹簧力。主泵工作时,负载敏感阀芯始终将泵出口压力与负载压力两端的压差与弹簧的预压力进行比较,根据泵出口压力与最大负载压力的比较结果来改变变量伺服缸的位置,从而决定柱塞泵斜盘的摆角大小。当液压系统不工作时,执行元件不需要流量,负载敏感阀芯被泵的输出压力推到左端,泵输出的流量进入变量伺服缸的右侧大腔,增大右侧压力,使斜盘摆角变小,直到压力与变量缸左侧小腔中的复位弹簧在3MPa左右时达到平衡,形成储备压力(当有流量需求时,储备压力可以更快地推动变量缸,提高主泵的响应速度,使主泵斜盘摆角快速增大)。此时主泵的排量很小,主要由泵内部泄油。在打开多路阀时,通过节流口的流量很少,节流口两端压差基本为零,负载敏感阀芯右侧压力迅速减小,在弹簧的预设压力作用下向右移动,使变量缸右侧大腔流量减小,压力降低,在复位弹簧的弹力作用下,泵的斜盘摆角变大,排量增大。当通过节流口的流量增大时,节流口两端压差也随之升高,当其压力达到弹簧的预设压力时,负载敏感阀芯将变量伺服缸右侧大腔的流道关闭,负载敏感主泵排量不再变化,保持恒定的输出流量。弹簧的预设压力就是之前提到设定压力Δp。Δp的值通常设定为1.6~3MPa。负载敏感控制在一般的情况下可以通过改变泵斜盘的摆角而改变泵的排量,使稳态时节流口两端压差保持Δp,从而保证输出流量q与节流口开度A保持正比例关系。但是,当泵的最大供油能力不能满足系统需要的流量时(已达到泵排量的最大值时继续增大节流口开度),Δp才会小于其设定值。该情况一般出现在一个负载敏感主泵向多个负载同时供油的时候。图4是负载敏感泵压力流量特性测试曲线。在试验时,负载敏感主泵的转速保持在1800r/min,试验的载体泵为80mL/r的单泵,图4左侧表中泵1压力为泵的外控口压力,泵2压力为泵本身的压力,通过泵2的压力模拟负载压力加载到负载敏感泵的LS口,被试泵也就是泵1的压力和泵2模拟的LS压力进行比较并观察当前泵流量变化。图中以压差做横轴,流量做纵轴,在负载压差值从0.1MPa到5MPa逐渐增大的过程中,泵的流量从109L/min到18L/min逐渐变小。负载来的压力通过泵的外控口与泵本身产生压差最后导致泵的流量上升和下降。同时该负载敏感泵还能进行恒功率控制,其主泵压力流量功率曲线如图5所示。试验油温为62℃,先导压力2.2MPa,从图中可以看出当泵的压力增大到12MPa左右时,泵的转矩和功率基本保持稳定,在压力升高的时候,泵的输出流量逐渐变小,此时泵的功率保持恒功率的特性。在对泵进行加载到30MPa再逐渐卸荷的过程中,可以看到泵的滞环曲线保持得较好。3负载敏感多路阀多路阀油路是液压挖掘机的液压系统中的主油路,液压泵可以通过多路阀来改变各个液压执行元件的供油方式,进而决定了液压挖掘机的工作特性。整体式全钢结构负载敏感多路阀的新产品采用整体式结构,其典型内部结构参数如图6,其原理参阅图1中主多路阀框图部分。当液压油进入操纵阀后,先通过阀的节流部分,再经压力补偿阀,最后通过阀的换向部分到液压执行元件。在操纵阀的可变节流口之后设置了阀后补偿的压力补偿阀,由于一般的液压执行元件是双作用的,有两条油路。油路换向部分必须布置在压力补偿阀之后,从而避免在两条油路上分别设压力补偿阀。常常把节流部分和换向部分都集成于一体(操纵阀中)而简化阀的结构。主泵出口压力随执行元件中负载压力的最大值变化而变化,并且与最大负载压力之差等于负载敏感机构的弹簧力设定值。执行元件(液压缸或液压马达)中负载压力最大的,压力补偿阀阀口全开。负载压力较低者,由补偿阀进行补偿。补偿后的结果是每个主阀的主阀口两端压差均保持为一个设定值Δp。当仅有一个执行元件动作时,支路上压力补偿阀芯全部打开,该执行元件的负载压力作为最高负载压力通过LS管路传递到主泵的LS口,多路阀主油口两端的压差维持在主泵负载敏感机构弹簧的设定值(例如Δp=2MPa),此时输出到执行元件的流量始终与多路阀主油口的开度保持线性关系,不受执行元件负载压力变化的影响。当有多个执行元件共同动作时,此时在梭阀筛选出执行元件中的最大负载压力,并将其引入负载敏感泵的变量机构,压力补偿阀关小,使各个多路阀的主油口两端的压差等于弹簧的设定值(例如Δp=2MPa),此时输出到各个执行元件的流量始终与控制它的多路阀主油口的开度保持线性关系,不受执行元件负载压力变化的影响。整体式多路阀与传统的片式和铸造多路阀相比,避免了铸造流道的生成,提高了产品的成型率,由于没有片间连接,具有更好的密封性,没有外漏。由于是整体式钢结构,在设计和制造时可以做到很精准,多路阀在整体外形方面同等流量范围体积时可以做的更小。当在实际使用过程出现磨损等情况影响阀的工作时,更换阀套即可翻新使用,而且对阀体没有影响。因此,理论上阀体的使用寿命是无限的。通过使用各种专门设计的插装阀,可以把各种附加功能方便快捷地整合到一起。图7负载敏感多路阀实际测试结果。试验油温50±5℃,系统最高压力30MPa,图中pp是多路阀进口压力,p1是某一路负载的压力;Δp为前两者的压力差,Q为实际测试的某一路的实际流量;以Δp做横轴,Q做纵轴。从图中可以看出,多路阀单路阀口两端压差虽然从1.8~8MPa发生变化,但系统的流量基本维持在110L/min左右;由于是实验室前期产品,线性不是非常好,但已经能够足够的说明问题。该整体式负载敏感阀集成方便,系统泄漏少,各路动作协调统一性好,已经在一些农用机械(见图8)、煤矿机械等获得初步的应用。配合负载敏感泵,该系统能在很广的领域如起重机械、路面机械等领域得到更为广泛的推广和应用。4负载敏感系统要求在考虑整机传动与控制系统的设计方案时,负载敏感系统是具有下列特点工作系统的理想选择:(1)系统具有多个回路和执行元件,且每一回路有压力和流量需求不同;(2)系统需要采用容积调速,对流量进行调节;(3)系统需要低压小流量的待机工况直至有更高的压力和流量需求;(4)系统需要提供恒定的流量而不受输入转速及压力变化的影响;(5)系统对节能要求比较高,避免产生过多的能量损耗及热损耗;(6)系统需要保持执行元件恒定速度而不受到负载影响。上述介绍的新型负载敏感系