液壓鏟負載敏感流量分配特性研究

姜 鵬，王占武，關(guān) 旭，張金龍，鄒 偉，呂秀梅

（1.遼寧瀚石機械制造有限公司，遼寧阜新 123000；2.遼寧北辰液壓氣動有限公司，遼寧阜新 123000）

目前液壓鏟大多采用全液壓驅(qū)動模式，為了節(jié)約能量、降低油溫和提高控制精度，及使同步動作的幾個執(zhí)行元件在運動時互不干擾，較先進的液壓鏟都采用了負載敏感泵與比例負載敏感多路閥技術(shù)[1]。目前液壓鏟常用的流量分配系統(tǒng)可根據(jù)壓力補償閥在液壓回路中的位置，可以將負載敏感系統(tǒng)分為閥前補償系統(tǒng)，即傳統(tǒng)的LS 負載敏感系統(tǒng)和閥后補償?shù)呢撦d獨立流量分配的LUDV 系統(tǒng)[2]。

1 閥前壓力補償

閥前壓力補償系統(tǒng)是負載敏感系統(tǒng)傳統(tǒng)的壓力補償法，能夠使各工作油口均可按主機構(gòu)執(zhí)行元件的要求，提供相應(yīng)的流量，且保證執(zhí)行機構(gòu)的工作速度不受負載變化的影響[3]。閥前補償全負載敏感多路閥基于調(diào)速閥的工作原理。調(diào)速閥由定差減壓閥和節(jié)流閥2 部分組成。負載敏感閥中的壓力補償器相當于調(diào)速閥中的定差減壓閥，比例換向閥可以控制閥的開口度，相當于調(diào)速閥中的節(jié)流閥。閥前補償控制系統(tǒng)如圖1，定差減壓閥（壓力補償閥）位于主閥節(jié)流口之前，壓力補償閥彈簧腔測壓力為該回路的負載壓力，但是負載敏感泵的負載敏感閥引入的壓力為該系統(tǒng)通過梭閥比較后的最大負載壓力。

當通過所有閥的流量小于變量泵所提供的流量時，即流量沒飽和時，通過的流量分配閥進入液壓缸的流量可由式（1）得出[4]：

式中：Q 為通過閥的流量，m/s；Cd為流量系數(shù)；A為閥的面積，m2；ρ 為油液黏度，kg/m3；△p 為閥前后壓差，Pa。

主閥節(jié)流口兩端壓差△p 為：

圖1 閥前補償控制系統(tǒng)

式中：pL1、pL2為系統(tǒng)負載壓力，Pa；pm1、pm2為節(jié)流閥前壓力，Pa。

因為壓力補償閥為定差減壓閥，所以無論負載如何變化△p1=△p2，因此通過流量分配閥進入液壓缸的流量與負載無關(guān)，只取決于節(jié)流閥的開口度從而保證了執(zhí)行元件的運行相對速度不發(fā)生改變。

當多個執(zhí)行器同時動作，流量需要超過泵的供油流量（即流量飽和）時，高負載側(cè)節(jié)流閥口兩端壓差下降，達不到補償閥的設(shè)定壓力，此時，補償閥失去作用，系統(tǒng)進入流量飽和狀態(tài)[5]。使得幾個機構(gòu)不能同時動作，影響工程機械正常工作。這是傳統(tǒng)負載敏感系統(tǒng)的明顯缺點。

2 閥后壓力補償

閥口壓力補償負載敏感系統(tǒng)，即LUDV 系統(tǒng)，LUDV 表示與負載壓力無關(guān)的流量分配[6]。在閥口壓力補償負載敏感系統(tǒng)中，壓力補償閥基于比例溢流閥原理。比例溢流閥（壓力補償閥）位于主閥節(jié)流口之前，壓力補償閥彈簧腔壓力和負載敏感泵的負載敏感閥引入的壓力均為該系統(tǒng)通過梭閥比較后的最大負載壓力，閥后補償控制系統(tǒng)如圖2。

當通過所有閥的流量小于變量泵所提供的流量時，即流量沒飽和時，液壓油經(jīng)過主閥節(jié)流口的兩端壓差。

式中：pP為泵口壓力，Pa；pm1、pm2為節(jié)流閥后壓力，Pa。

圖2 閥后補償控制系統(tǒng)

在壓力補償閥的作用下pm1＝pm2，此時△p1＝△p2，同時負載壓力通過梭閥比較后，將壓力傳導(dǎo)至變量泵負載敏感閥，變量泵負載敏感閥設(shè)定壓力△p＝pPpLmax，所以△p1＝△p2＝△p，主閥節(jié)流口兩端壓差等于變量泵的負載敏感閥的設(shè)定壓力。因此通過主閥的流量只取決于閥的開口度，和系統(tǒng)的負載無關(guān)。但是這時泵的負載敏感閥設(shè)定的△p 壓力會直接影響進入液壓缸的流量大小[7]。

當通過所有閥的流量大于變量泵所提供的流量時，泵的壓力控制器失效，泵此時只受功率控制器調(diào)節(jié)，高負載側(cè)的壓力通過梭閥比較后，將壓力同時傳到低負載和高負載側(cè)補償閥的控制腔，補償閥全開，節(jié)流閥后的壓力也等于最高負載壓力[8]。隨著不飽和度的增加，泵的出口壓力pP逐漸減小，△p1和△p2也隨之減小，但是流閥后壓力pm1、Pm2等于最高負載壓力，所以△p1一直等于△p2，并且大小取決于系統(tǒng)的最大負載。所以通過流量分配閥進入液壓缸的流量仍然取決于節(jié)流閥的開口度，從而按照閥的開口度將流量分配到液壓缸，保證執(zhí)行元件的相對運行速度不發(fā)生改變[9]。

3 液壓鏟液壓系統(tǒng)

由于液壓鏟工作條件負載，流量波動較大，目前使用的液壓鏟多為壓力閥前補償?shù)呢撦d敏感閥。在使用過程中，當流量需求量較大時候，會出現(xiàn)明顯的爭流現(xiàn)象。為了解決爭流現(xiàn)象，選擇帶有LUDV 壓力補償器M7-25 系列的全負載敏感比例多路閥，搭載A11V 系列負載敏感泵，重新設(shè)計液壓系統(tǒng)。

選擇A10VO140+A11VO140 系列串泵作為液壓正鏟的主要動力源，為液壓系統(tǒng)提供動力，控制方式DFLR 的A10VO 系列變量泵，具有負載敏感-壓力切斷-恒功率控制功能，可以滿足液壓鏟復(fù)雜工作的要求。

當系統(tǒng)啟動時，壓力切斷閥DR、負載敏感閥FR閥處于右位，變量缸無桿腔與油箱通路，大擺角狀態(tài)；當負載加大至變量初始拐點階段：X 口節(jié)流口壓差不斷增大，壓差大于負載敏感閥FR 閥彈簧設(shè)定壓力時（力士樂規(guī)定FR 彈簧壓力為1.4～2 MPa），F(xiàn)R 閥處于左位，變量缸有桿腔進入油液，擺角減小，排量減小，呈現(xiàn)壓力增加排量減小狀態(tài)即負載流量壓力匹配作用。此時DR 閥未起作用，處于右位，當負載壓力到達變量初始觀點后，F(xiàn)R 繼續(xù)負載流量匹配工作，同時LR 減壓閥（恒功率控制）起作用，控制斜盤擺角度滿足壓力、流量的乘積即功率保持恒定，具體原理是壓力增加，流量相匹配的較少，形成壓力、流量1 個增加1 個減少的匹配線性關(guān)系，從而保證功率是恒定的；達到壓力切斷階段時，當系統(tǒng)負載壓力到達泵設(shè)定的壓力切斷數(shù)值（DR 彈簧預(yù)設(shè)力）時，DR 左位導(dǎo)通，此時排量減少，較少到幾乎為0（泵體會有少許排量以滿足泵本身的內(nèi)泄漏）時，泵處于恒壓狀態(tài)，系統(tǒng)壓力不會隨負載而繼續(xù)提高了，這樣實現(xiàn)了壓力切斷[10]。

功率曲線如圖3，最大功率曲線是DR 閥、FR 閥起作用時泵體輸出功率曲線，即DFR（31 系列）作用。最小功率曲線是DR 閥、FR 閥、LR 閥共同作用時泵體輸出的功率曲線，即DFLR（31 系列--外控恒功率）作用?？梢娭虚g陰影部分是2 種控制形式DFR、DFLR 在節(jié)能方面的差別，很明顯DFLR 比較節(jié)能[11]。

圖3 功率曲線

為此，選用M7-22 系列負載敏感閥、平衡閥等控制原理以及行走馬達、液壓油缸、液壓附件等搭建液壓鏟的液壓系統(tǒng)，液壓鏟液壓原理圖（略）。

4 結(jié)語

A11VO 系列負載敏感泵和M7-22 系列負載敏感多路閥組合使用，搭建了基于負載敏感的液壓鏟閥后壓力補償流量分配系統(tǒng)，并對此套液壓系統(tǒng)在改造的液壓鏟中進行試驗應(yīng)用。試驗結(jié)果表明，采用閥后壓力補償系統(tǒng)的液壓鏟不再有爭油現(xiàn)象，動作更加平穩(wěn)，LUVD 系統(tǒng)和LS 系統(tǒng)相比，在實現(xiàn)多執(zhí)行元件同時而不受負載影響，LUDV 系統(tǒng)具有更好的抗流量飽和特性。