負荷傳感在登高平臺液壓系統(tǒng)設計中的應用

苗 增，胡旭杰，邵彥山，孟凡皓

（連云港杰瑞自動化有限公司，江蘇連云港 222006）

0 引言

高空作業(yè)平臺作為工程機械領域的一個重要分支，廣泛應用于建筑、市政、工廠、園林等場所，從事?lián)岆U救災、施工維護、建筑安裝等工作［1］。

近年來為響應國家節(jié)能減排政策，同時為滿足用戶對高空作業(yè)平臺工作穩(wěn)定性的需求。廣大科技工作者對高空作業(yè)平臺結構形式及液壓系統(tǒng)進行分析和優(yōu)化。趙靜一［2］、王寶琳［3］、胡元［4］分別對高空作業(yè)液壓系統(tǒng)、壓力補償和負荷傳感技術以及不同的調平的機構形式做了大量的研究，但沒有涉及到具體的液壓系統(tǒng)回路優(yōu)化。本文將在分析對比不同負荷傳感原理的基礎上，結合工程實際，對高空作業(yè)平臺液壓系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，以達到更好的驅動控制效果。

1 負荷傳感原理分析

負荷傳感按反饋方式可分為閥控負荷傳感和泵控負荷傳感兩種不同形式。前者為容積調速，其主要特點是通過反饋模塊控制變量泵的排量，具有系統(tǒng)的動態(tài)響應快、多負載并聯(lián)工況可調性好等特點；后者為節(jié)流調速，其主要特點是通過反饋模塊中的流量控制閥調節(jié)系統(tǒng)的供油量，具有壓力損失小、流量穩(wěn)定性好等特點［5-6］。登高平臺作業(yè)時各運動機構在運動過程中所受到的外負載力大小是時刻變化的，為實現(xiàn)作業(yè)過程的各個關節(jié)動作的平穩(wěn)可控，在設計中引入負荷傳感技術以滿足作業(yè)需求。

負荷傳感是一種利用液壓泵出口壓力與負載壓力之間的差值來控制和調節(jié)系統(tǒng)輸出流量的系統(tǒng)。其一般由變量泵（或定量泵）、負荷傳感閥及壓力補償閥組成，通過壓力補償閥，使流經(jīng)壓力補償閥的流量只與閥芯的開度成正比，不受負載變化的影響。通過控制閥的液壓系統(tǒng)流量Q為：

式中：Q為通過閥口流量，m3／s；Cd為流量系數(shù)，Cd＝0.6～0.61；A0為開口面積，m2；ΔP 為閥口壓差，Pa；ρ 為流體密度，kg／m3；

1.1 閥控負荷傳感系統(tǒng)

閥控負荷傳感系統(tǒng)原理圖如圖1 所示。圖中的壓力補償器作用在系統(tǒng)的工作油路上，控制閥口前后壓差ΔP 為定常值。通過調節(jié)控制閥口的開度，使系統(tǒng)進入執(zhí)行機構的流量只與閥芯的開度成正比，而與外負載的變化無關，進而實現(xiàn)執(zhí)行機構的速度可調控。同時通過梭閥將最高外負載壓力信號反饋至三通流量控制閥，使系統(tǒng)的最高輸出壓力始終高于最高外負載壓力一個設定值，而定量泵輸出的多余流量通過三通流量控制閥流回油箱?？梢?，閥控負荷傳感系統(tǒng)的壓力損失小，只有流量損失，相比于定量泵和溢流閥組成的液壓系統(tǒng)更節(jié)能。

圖1 閥控負荷傳感系統(tǒng)原理

1.2 泵控負荷傳感系統(tǒng)

泵控負荷傳感系統(tǒng)原理如圖2所示。在泵控負荷傳感系統(tǒng)中，通過梭閥將外負載中的最高工作壓力信號傳遞到變量機構中的負荷傳感閥，從而控制變量泵的排量增大或減小，使變量泵輸出的流量滿足外負載速度要求，而輸出的壓力始終高出最高工作壓力一個定值。利用這一原理，實現(xiàn)變量泵輸出流量與負載相匹配，減少了流量損失。和閥控負荷傳感系統(tǒng)相比，泵控負荷傳感液壓系統(tǒng)由于沒有了流量損失，節(jié)能效果更為明顯。

圖2 泵控負荷傳感系統(tǒng)原理

2 登高平臺負荷傳感系統(tǒng)的應用

通過上述分析，可知閥控負荷傳感系統(tǒng)和泵控負荷傳感系統(tǒng)都具有節(jié)能的優(yōu)點，同時又有各自的特點。其中，閥控系統(tǒng)具有良好的速度穩(wěn)定性，泵控系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。結合登高平臺作業(yè)特點，在液壓系統(tǒng)設計中，為了追求登高平臺的穩(wěn)定性和舒適度，工作平臺調平液壓系統(tǒng)采用的是閥控負荷傳感系統(tǒng)，為了追求登高平臺驅動機構的響應及時性和快速性，驅動液壓系統(tǒng)采用的是泵控負荷傳感系統(tǒng)。采用分開獨立的液壓系統(tǒng)分別進行控制，達到最佳控制效果。

2.1 登高平臺液壓系統(tǒng)組成

登高平臺由于其高空作業(yè)的特點，要求其具有高度的安全可靠性能和抗干擾能力，工作過程中要求運動機構響應迅速，工作效率高。端部工作平臺在整個調平過程中要求平穩(wěn)可靠，不能出現(xiàn)調不平、晃動等情況。

結合登高平臺工作性能特點，為達到最佳的經(jīng)濟性和可平穩(wěn)可靠性。在登高平臺液壓系統(tǒng)設計中為充分發(fā)揮兩種負荷傳感技術的性能優(yōu)勢，將登高平臺液壓系統(tǒng)分成驅動液壓系統(tǒng)和工作平臺調平液壓系統(tǒng)兩個組成。驅動液壓系統(tǒng)由一臺負載敏感變量泵作為液壓動力源為系統(tǒng)供油，實現(xiàn)登高平臺整體回轉、主臂變幅及伸縮功能；工作平臺調平液壓系由一臺定量泵作為液壓動力源為系統(tǒng)供油，實現(xiàn)工作平臺左右擺動、調平及小臂升降功能。

2.2 驅動液壓系統(tǒng)

驅動液壓系統(tǒng)原理如圖3 所示。圖中字母P 表示壓力油，T表示回油，L1表示泄漏油，S表示吸油。驅動液壓系統(tǒng)主要實現(xiàn)整體回轉、主臂變幅及伸縮功能。驅動液壓系統(tǒng)由變量泵、負荷傳感閥、梭閥、比例閥、補償器以及對應的回轉馬達、主臂變幅油缸、主臂伸縮油缸等液壓執(zhí)行元件組成。登高平臺作業(yè)時，發(fā)動機帶動變量泵運轉，輸出液壓動力油源P，當驅動機構不動作時，各有運動機構的反饋壓力為零，通過梭閥網(wǎng)絡，負荷傳感閥的反饋口Ls 接收到零壓信號，并將此信號傳遞給變量泵，使變量泵保持小流量輸出Qmin，以保證液壓元件潤滑，輸出壓力僅比最高負載高出一個固定壓差ΔP（約2.5 MPa）。此時可驅動液壓的功率損失Ps為：

圖3 驅動液壓系統(tǒng)原理

式中：Ps為功率，kW；ΔP 為系統(tǒng)壓差，MPa；Qmin為流量，L／min。

當驅動機構動作時，通過梭閥網(wǎng)絡的選擇，將某個系統(tǒng)中執(zhí)行機構中的最高工作壓力信號傳遞到變量泵的負荷傳感閥，可實時控制變量泵的排量和輸出壓力，以適應負載變化，實現(xiàn)變量泵輸出功率與負載功率相匹配，減少了液壓系統(tǒng)溢流損失，系統(tǒng)壓力損失小，起到明顯的節(jié)能效果。同時液壓驅動系統(tǒng)采用補償器和比例閥配合使用，可通過調節(jié)作用在比例電磁鐵上的電流來控制通過比例閥的液壓油流量大小，進而控制執(zhí)行機構的運動速度［7］。實現(xiàn)在多負載并聯(lián)工況下，系統(tǒng)速度可調、響應快速。

2.3 調平液壓系統(tǒng)

工作平臺調平液壓系統(tǒng)如圖4所示。工作平臺調平液壓系統(tǒng)主要實現(xiàn)工作平臺回轉、工作平臺調平及小臂登高功能［8］。工作平臺調平液壓系統(tǒng)由定量泵、三通流量控制閥、梭閥、比例閥、補償器以及對應的擺動馬達、工作平臺調平油缸、小臂升降油缸等液壓執(zhí)行元件組成。由于高空作業(yè)的特點，要求登高平臺在工作時，工作平臺在調平過程連續(xù)、平穩(wěn)，調平性能好、控制精度高，通過以上分析，在同坐平臺調平液系統(tǒng)設計中采用閥控負荷傳感技術。

圖4 工作平臺調平液壓系統(tǒng)

登高平臺作業(yè)時，發(fā)動機帶動定量泵運轉，輸出液壓動力油源始終處于待命狀態(tài)，由于采用定量泵，可保證液壓系統(tǒng)輸出流量穩(wěn)定，使液壓系統(tǒng)始終都有充足的液壓油供應調平液壓系統(tǒng)執(zhí)行器，保證了調平系統(tǒng)的穩(wěn)定性，犧牲了一部分流量損失，達到更好的調平效果。

當調平系統(tǒng)不工作時，此時，執(zhí)行機構負載壓力為零，反饋至三通流量控制閥，使系統(tǒng)的輸出壓力始終比最高外負載高出一個固定值。減少了系統(tǒng)的溢流損失，起到了一定的節(jié)能效果。由于登高平臺機構在運動過程中，工作調平始終在執(zhí)行調平動作，當調平系統(tǒng)工作時，通過梭閥網(wǎng)絡的選擇，將某個執(zhí)行機構的最高工作壓力信號反饋到三通流量控制閥的彈簧控制腔，使系統(tǒng)輸出壓力始終比外負載最高壓力多出一個設定值，以驅動執(zhí)行機構運動，實現(xiàn)自動調平功能。

在該系統(tǒng)中，三通流量控制閥使系統(tǒng)具有實時的負載適應功能，各支路上的定差減壓型壓力補償閥與電液比例閥配合，保證進入該執(zhí)行元件的流量基本恒定。通過改變電液比例閥控制電流的大小，從而調節(jié)系統(tǒng)分配給每個執(zhí)行器的流量，實現(xiàn)工作機構的運動速度任意調節(jié)可控的功能。

工作平臺調平系統(tǒng)采用閥控負載敏感技術，該系統(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)壓力損失少，發(fā)熱量小。通過梭閥網(wǎng)絡的調節(jié)，系統(tǒng)壓力只比執(zhí)行機構的最高壓力高出一個設定值，系統(tǒng)剛性大，受負載壓力變化影響小。在系統(tǒng)總流量足夠的情況下，可同時滿足不同支路上執(zhí)行元件同時動作要求，控制靈敏度高，節(jié)能效果明顯。且速度平穩(wěn)可靠、調平效果較好。

3 結束語

根據(jù)登高平臺功能特點，結合兩種負荷傳感技術特點，將登高平臺液壓系統(tǒng)分為驅動液壓系統(tǒng)和調平液壓系統(tǒng)兩個獨立的液壓控制系統(tǒng)，使登高平臺液壓系統(tǒng)始終處于最佳工作狀態(tài)，最大限度地減少能量損失。反饋結果表明驅動液壓系統(tǒng)泵控負荷傳感技術多負載并聯(lián)工況穩(wěn)定，系統(tǒng)更加節(jié)能。工作平臺調平系統(tǒng)采用閥控負荷傳感技術，可滿足登高平臺良好的速度穩(wěn)定性、可操控性要求。通過液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設計，使設備達到了節(jié)能、高效、平穩(wěn)的要求，同時降低了液壓元件的故障率，提高了設備的使用壽命。本文的論述可為登高平臺及同類設備液壓系統(tǒng)的設計提供參考。