挖掘機(jī)閥前補(bǔ)償負(fù)載敏感系統(tǒng)特性分析

胡鑫樂

（中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

挖掘機(jī)閥前補(bǔ)償負(fù)載敏感系統(tǒng)特性分析

胡鑫樂

（中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

為研究閥前補(bǔ)償負(fù)載敏感系統(tǒng)的動態(tài)特性，通過建立負(fù)載敏感泵以及閥前補(bǔ)償多路閥的AMESIM數(shù)值仿真模型，對不同工況下系統(tǒng)的特性進(jìn)行研究，分析產(chǎn)生飽和工況的原因，為閥前補(bǔ)償負(fù)載敏感系統(tǒng)的抗飽和研究提供參考。

負(fù)載敏感；閥前補(bǔ)償；仿真；流量飽和

負(fù)載敏感系統(tǒng)在機(jī)械液壓中應(yīng)用越來越廣泛，系統(tǒng)采用壓力閉環(huán)控制，壓力有很好的跟隨效果，通過梭閥網(wǎng)選擇多執(zhí)行機(jī)構(gòu)中最大負(fù)載壓力反饋給敏感泵然后輸出壓力，僅提供系統(tǒng)需要的壓力，對旁路流量損失也有一定的抑制，相比其他幾類控制系統(tǒng)（正流量、負(fù)流量控制系統(tǒng)）節(jié)能效果好。閥前補(bǔ)償系統(tǒng)繼承了傳統(tǒng)的閥前補(bǔ)償系統(tǒng)負(fù)載敏感這一特性，同時具有自身優(yōu)良性能，在外負(fù)載波動時，補(bǔ)償閥通過調(diào)節(jié)主閥前后壓差來控制液壓系統(tǒng)流量，以此來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的流量分配，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。因此，在正常工況下，閥前補(bǔ)償系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能。工況復(fù)雜時，系統(tǒng)出現(xiàn)流量飽和即系統(tǒng)流量不能滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)出現(xiàn)運(yùn)行減慢甚至停止的情況。為了分析這幾種工況，建立AMESIM數(shù)值仿真模型，主要包括負(fù)載敏感泵、閥前補(bǔ)償多路閥，以分析挖掘機(jī)多執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時動作在非飽和工況以及飽和工況下系統(tǒng)的動態(tài)特性［1，2］。

1 負(fù)載敏感泵數(shù)值模型

負(fù)載敏感泵原理如圖1所示，主要元件包括：1.流量控制閥；2.壓力切斷閥；3.變量大缸；4.變量小缸；5.節(jié)流閥。圖中Ps為泵壓，Pl為負(fù)載所需壓力。一般工作狀態(tài)下，流量控制閥左右受力平衡，閥口關(guān)閉，系統(tǒng)壓力與負(fù)載壓力保持一定壓差，當(dāng)負(fù)載所需壓力值增大，流量控制閥右端反饋壓力增大，閥芯向左移動，變量大缸與油箱連通，柱塞泵圓盤擺角增大，流量增加；同理，當(dāng)負(fù)載所需壓力減小，反饋壓力減小，閥芯向右側(cè)移動，壓力油進(jìn)入變量大缸，使柱塞泵圓盤擺角減小，流量減小。負(fù)載壓力超負(fù)荷時，壓力切斷閥被打開，壓力油進(jìn)入變量大缸，此時泵輸出維持系統(tǒng)正常運(yùn)行的流量最小，外負(fù)載不存在時，系統(tǒng)壓力僅為流量控制閥彈簧壓力，文中設(shè)置為20bar，流量幾乎為零［3，4］。

從負(fù)載敏感泵的原理分析看出，負(fù)載敏感系統(tǒng)主要包括三個工作狀態(tài)：①一般工作狀態(tài)，系統(tǒng)壓力僅提供負(fù)載需要壓力；②保壓狀態(tài)，系統(tǒng)達(dá)到最大壓力，流量減小僅維持系統(tǒng)正常運(yùn)行的最小流量；③空轉(zhuǎn)狀態(tài)，系統(tǒng)輸出流量幾乎為零。

圖1 負(fù)載敏感多路閥原理圖

根據(jù)負(fù)載敏感泵原理及參考力士樂A10VNO系列泵參數(shù)進(jìn)行數(shù)值建模，建模如圖2所示。圖2中P為泵壓力輸出，Pls為最大負(fù)載壓力反饋，1為變量大小缸，2為流量控制閥，3為壓力切斷閥。數(shù)值模型中主要參數(shù)這樣設(shè)置：質(zhì)量塊質(zhì)量為0.02kg，流量閥和壓力切斷閥閥芯直徑都為7mm，桿徑為4mm。通過設(shè)置流量控制閥彈簧預(yù)緊力來控制系統(tǒng)壓力裕度，按照力士樂A10VOS設(shè)置為14bar，使泵輸出壓力始終與最大負(fù)載壓力保持14bar壓力裕度，壓力切斷閥同樣以彈簧預(yù)緊力設(shè)置，保持系統(tǒng)最大壓力為300bar，當(dāng)系統(tǒng)壓力大于300bar，壓力切斷閥被打開，泵流量進(jìn)入大缸，敏感泵圓盤擺角減小，流量開始減小，與原理中的保壓狀態(tài)相符。

圖2 負(fù)載敏感泵數(shù)值模型

為驗(yàn)證模型的正確性，仿真負(fù)載壓力上升和下降過程系統(tǒng)的相應(yīng)時間。壓力上升階段仿真時間大約為45ms，與官方給出時間40ms略有偏差，壓力下降階段時間大約為20ms，與官方給出時間20ms一致，符合要求，說明敏感泵模型基本正確，可以用于后文研究。

2 閥前補(bǔ)償多路閥建模

閥前補(bǔ)償系統(tǒng)原理如圖3所示。以兩路執(zhí)行機(jī)構(gòu)為例，各聯(lián)通過伺服閥選擇最大負(fù)載壓力Pls反饋到負(fù)載敏感泵的流量控制閥，保證系統(tǒng)壓力滿足最大負(fù)載壓力并保持一定的壓力裕度。各聯(lián)補(bǔ)償閥置于節(jié)流閥之前，泵的流量首先通過補(bǔ)償閥，并將主閥閥前壓力作用于補(bǔ)償閥一側(cè)，流量通過主閥將壓力作用于補(bǔ)償閥彈簧腔一側(cè)，補(bǔ)償閥左右兩側(cè)保持壓力平衡，起到壓力補(bǔ)償作用，使主閥前后壓差調(diào)定，不受負(fù)載壓力變化而波動，控制主閥開口大小可調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)流量，可以看出閥前補(bǔ)償屬于先調(diào)壓后節(jié)流［5］。

圖3 閥前補(bǔ)償系統(tǒng)原理簡圖

上式中：Cd為流量系數(shù)；W為換向閥口面積梯度；?P為換向閥前后壓差；ρ為油液密度。

上式中流量系數(shù)調(diào)定為0.7，節(jié)流閥閥口面積梯度設(shè)

閥前補(bǔ)償多路閥采用迪普馬公司生產(chǎn)的BLS6系列多路閥為樣本進(jìn)行分析，此型號多路閥是帶閥前補(bǔ)償閥的多路閥，根據(jù)多路閥結(jié)構(gòu)和原理，建立多路閥模型，換向閥以先導(dǎo)壓力油方式作用閥芯兩側(cè)斷面，推動閥芯移動，改變閥口的過流面積，閥口的過流面積影響主閥的流量特性，控制流量大小。

閥芯兩側(cè)先導(dǎo)力大小通過實(shí)際先導(dǎo)壓力和閥芯直徑計(jì)算得出，先導(dǎo)壓力最大40bar，閥芯最大位移8mm。換向閥模型中阻尼孔、彈簧剛度、射流角、閥口過流面積等參數(shù)，通過仿真過程的提示和結(jié)果對比進(jìn)行了最優(yōu)化調(diào)試。

換向閥流量方程：定為固定值，油液密度固定，只有閥口前后壓差對系統(tǒng)有一定影響，當(dāng)負(fù)載壓力變化，導(dǎo)致壓差變化，但是閥前補(bǔ)償閥設(shè)定節(jié)流閥的壓差，在負(fù)載變化時，補(bǔ)償閥改變閥口大小，調(diào)整節(jié)流閥前后壓差保持不變，根據(jù)上式，節(jié)流閥流量會保持恒定，系統(tǒng)調(diào)速性能良好。

3 系統(tǒng)動態(tài)特性分析

3.1 非飽和工況下挖掘機(jī)多執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時動作系統(tǒng)的動態(tài)特性分析

非飽和工況下的多執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，以挖掘機(jī)斗桿和鏟斗同時動作為例，斗桿負(fù)載1為大負(fù)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)，鏟斗負(fù)載2為小負(fù)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)，兩機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中負(fù)載沒有變化，為仿真系統(tǒng)流量不斷增加，最終達(dá)到負(fù)載最大需求流量，設(shè)定閥的先導(dǎo)信號在5s內(nèi)都從0增加到40，流量逐漸增加，仿真時長5s，時間步長0.01s。得到如圖4系統(tǒng)動態(tài)特性曲線。

圖4 非飽和工況復(fù)合動作系統(tǒng)特性

圖4為非飽和工況多執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時動作得出的系統(tǒng)特性曲線，圖4a中泵輸出流量始終滿足各聯(lián)要求，大負(fù)載流量明顯小于小負(fù)載流量，參考圖4b發(fā)現(xiàn)，即使大負(fù)載補(bǔ)償閥閥芯完全打開，仍然小于小負(fù)載流量，在2s時，大負(fù)載補(bǔ)償閥完全打開，流量保持平穩(wěn)不再上升，在非飽和工況下，所有負(fù)載執(zhí)行機(jī)可以平穩(wěn)運(yùn)行，沒有出現(xiàn)運(yùn)行緩慢或者停止運(yùn)行現(xiàn)象。

3.2 非飽和工況下挖掘機(jī)多執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時動作系統(tǒng)的動態(tài)特性分析

以飽和工況下鏟斗和斗桿的復(fù)合動作為例，各負(fù)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)壓力始終保持不變，主閥先導(dǎo)壓力5s內(nèi)從0到20bar，閥口逐漸打開，流量逐漸增大，仿真時間步長0.01s，仿真時長5s。

隨著閥芯打開，起初由于系統(tǒng)死區(qū)和反饋時間的關(guān)系，系統(tǒng)不穩(wěn)定，各聯(lián)流量大小有波動，隨著系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，大小負(fù)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量按比例分配，在大約1.5s時系統(tǒng)達(dá)到飽和，泵輸出全部流量，大負(fù)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量隨后開始下降，小負(fù)載流量則繼續(xù)增加，在3s時，大負(fù)載流量為零，小負(fù)載流量達(dá)到最大，系統(tǒng)有一定流量損失。大負(fù)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)在流量下降過程中，執(zhí)行元件出現(xiàn)運(yùn)行緩慢，最后在3s左右完全停止運(yùn)行

4 結(jié)論

①閥前補(bǔ)償系統(tǒng)在挖掘機(jī)單執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作時運(yùn)行穩(wěn)定，在外負(fù)載波動的情況下，系統(tǒng)能夠快速復(fù)原運(yùn)行狀態(tài)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度幾乎沒有波動，穩(wěn)定性好。

②挖掘機(jī)在非飽和工況下系統(tǒng)具有很好的流量分配功能，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，同時負(fù)載敏感系統(tǒng)的壓力只提供系統(tǒng)需求壓力，節(jié)能性能良好。

③在飽和工況下，挖掘機(jī)多執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時運(yùn)行，系統(tǒng)壓力裕度下降，基本與最大負(fù)載壓力相等，系統(tǒng)的壓力顯示不足，而隨著流量需求的加大，系統(tǒng)達(dá)到最大流量，大負(fù)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)流量開始下降，小負(fù)載流量繼續(xù)增加，流量全部流向小負(fù)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)，大負(fù)載流量為零，執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行緩慢，最終停止運(yùn)行。挖掘機(jī)需要避免這種工況的出現(xiàn)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］王秀君，胡建軍，高偉政，等.負(fù)載敏感多路閥數(shù)學(xué)建模及分析［J］.液壓氣動與密封，2013（11）：15-17.

［2］張立杰，王力航，李德新，等.負(fù)載敏感閥前補(bǔ)償系統(tǒng)原理分析［J］.液壓與氣動，2015（7）：63-67.

［3］王炎，胡軍科，楊波.負(fù)載敏感泵的動態(tài)特性分析與仿真研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2008（12）：84-87.

［4］徐志剛.負(fù)載敏感泵控系統(tǒng)流量控制方法研究［J］.液壓與氣動，2014（12）：51-54.

［5］李德新.挖掘機(jī)LS系統(tǒng)機(jī)液聯(lián)合仿真及抗飽和技術(shù)研究［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2015.

Characteristics Analysis of Load Sensitive System for Excavator Front Valve Compensation

Hu Xinle
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha Hunan 410083）

In order to study the dynamic characteristics of pre-valve compensation of load-sensitive system,the AMESIM numerical simulation model of load-sensitive pump and pre-valve compensation for multi-way valve is es?tablished.So that the dynamic characteristics of the system under different working conditions are analyzed and the cause of the saturation condition is analyzed.This provided a reference for the anti-flow saturation of the pre-com?pensated load-sensitive system.

load-sensitive system；pre-valve compensation；simulation；saturated flow

TU603

A

1003-5168（2017）08-0060-03

2017-07-03

胡鑫樂（1988-），男，碩士，研究方向：大型機(jī)械液壓系統(tǒng)研究與仿真分析。