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负载敏感系统的原理及其应用[1]
收录时间:2022-11-25 23:02:01  浏览:0
图1传统的负载敏感液压回路 收稿日期 2010 08 26 作者简介 景俊华 1983 男 硕士研究生 德国波鸿鲁尔大学硕士 研究生 中图分类号 TH137文献标识码 A文章编号 1672 8904 2010 06 0021 004 第 6 期 总第 43 期 2010 年 11 月 No 6 Serial No 43 Nov 2010Fluid Power Transmission and Control 负载敏感系统的原理及其应用 景俊华 同济大学中德学院 上海 2 0 0 0 9 2 前言 现代工程机械要求液压系统能耗低 精度高 并 且能够实现同步动作的几个执行元件在运动时互不 干扰 负载敏感技术利用负载变化引起的压力变化 去调节泵或阀的压力与流量以适应系统的工作需 求 因此在很多工况下能够很好地满足上述要求 1负载敏感系统基本原理及结构 采用 闭中心 系统的负载敏感系统 是由负载 感应式变量柱塞泵与负载敏感控制阀组成 如图 1 所示 泵的排量可调 无需设置溢流阀 比 开中心 系统节省能源 当液压系统未工作时 在较低的压力下保持处 于待机状态 多路阀 1 切断执行器与变量柱塞泵之 间的压力信号 当多路阀工作时 先从执行器得到压 力需求 并将压力信号通过负载感应油路 图中虚 线 传递给压差调节阀 3 即负载敏感阀 它和最高 压力调节阀 2 共同控制柱塞泵的变量机构 使泵的 输出压力对系统压力做出响应 1 1 1压力 泵的输出压力与负载压力的压差 P 是由负载 敏感阀的弹簧调定的 通常为泵最高压力的 1 5 约 1 5 到 2 5 MPa 因此泵的压力只需要比负载压 力略高 这有利于延长泵的寿命 由公式 式中 p 为压差 pL为负载压力 pp为泵的输出 压力 可知 压差 p 值小能源利用率高 但是加大了 控制难度 压差大易于控制 但是能耗相应变大 当压差 p 恒定时 负载压力 pL越大 泵的输出 压力 pp也随之变大 系统效率提高 1 2流量 系统所需的流量是由多路阀节流口的开度控制 的 与系统的实际需要流量相等 如图 2 所示 无溢 流损失 只有压力损失 实现了节能 液压系统由此实现了根据负载变化提供所需压 力 流量的特性 2系统基本类型 摘要 负载敏感系统是近年来在工程机械领域获得广泛应用的一项技术 文章介绍了该技术的原理 结构 类型及 其特点 并分析了具有抗饱和功能的负载***流量分配系统实现负载***流量分配的过程 依据实例探讨了新型负 载敏感系统对比传统流量控制方式的节能优势 关键词 工程机械 负载敏感 流量分配 节能 1 pLQ ppQ pL pp pp p pp p pp p MPa q L min 图2负载敏感系统压力流量图 图3阀前补偿液压回路 实际工况中应用较多的是单泵多负载复合动 作 此时负载间的相互干扰使控制变得复杂 为使泵 的供油压力足以驱动两负载中较大者 可利用梭阀 将两回路中较高的负载压力通过负载传感油路传递 给变量泵 在两回路的负载压力不同时 系统不能保 证两执行元件均具有流量匹配特性 只能使负载压 力较高的回路保持流量和压力补偿的特征 为避免 这种不利的影响 可在各回路设置压力补偿阀 以便 调节执行元件间的负载差 根据压力补偿阀在液压回路中的位置 可以将 负载敏感系统分为阀前补偿的传统的负载敏感系统 LS 和阀后补偿的负载***流量分配系统 2 1阀前补偿 阀前补偿是负载传感系统较为传统的压力补偿 方法 见图 3 压力补偿阀位于主阀节流口之前 将 主阀口后的负载压力引入压力补偿阀 且补偿阀弹 簧腔引入的压力是本回路的负载压力 工作时 压力 补偿阀通过其内部截流口开度的变化来调整主阀口 前的压力 使主阀口前后的压差为常值 这样主阀芯 控制截流面积的变化来控制并分配流量 流量大小 就只与该阀口的开度有关 而不受负载压力的影响 提高了阀的控制性能 当通过所有的阀截流面所需的流量大于泵所能 提供的流量时 传统的负载敏感系统就丧失了其控 制能力 压力补偿阀的压差调节将失效 负载压力高 的用户降低其速度直至停止 流量大部分流向负载 压力低的用户 这是传统的负载敏感系统的缺点 2 2阀后补偿 具有抗饱和功能的负载***流量分配系统 则 是把压力补偿阀设在主阀节流口之后 并以负载最 高压力来控制泵和压力补偿阀 见图 4 即使泵的流量小于系统复合运动所需的流量 系统也会按比例将流量分配给各个执行器 而不是 流向负载压力小的执行器 2 这样各个动作的相对速 度就不会变化 从而保证了动作的协调性 避免冲 击 3负载***流量分配系统工作原理 当通过所有的阀截流面的流量小于泵所能提供 的流量时 主阀节流口两端的压差近似地等于变量 泵流量*** 即压差调节阀 的设定压差 压力损 失是在泵到节流口的油路上 负载最高压力通过负 载敏感油路传递到负载压力低的压力补偿器弹簧腔 内 即图 5 中的 1 处 在压力补偿器作用下 两只控 制阀节流口后 也即图 5 中的 2 处的压力相等 即 p1 p2 两个控制阀节流口两端的压差为 p1 pp p1 p2 pp p2 p1 p2 Cp 各个执行器控制阀节流口两端的压差相同 根 据流量方程 式中 C1 C2为流量数 A1 A2为阀口开度 为 油液密度 故上述流量方程可改写为q1 f A1 q2 f A2 所以流量 即执行器速度 与负载无关 只取决 于节流口开度 q1 q2 A1 A2 当通过所有的阀截流面的流量大于泵所能提供 的流量时 压力***失效 泵只受功率***调节 3 如图 5 所示 右侧执行器的负载压力高 其压力补 q f A p1 p2 图4阀后补偿液压回路 q f A p1 p2 q1 C1A1 q2 C2A2 2 p1 2 p2 222010 年第 6 期 图7采用不同液压系统的割草机能耗比较 偿阀完全打开 故控制阀节流口后的压力等于负载 压力 负载最高压力通过负载敏感油路传递到负载压 力低的压力补偿器弹簧腔内 其控制阀节流口后的 压力也等于负载压力 两个控制阀节流口两端的压差为 pH pL 总而言之 各个执行器的控制阀节流口两端的 压差始终相同 但是其值不是定值而是和负载压力 相关的 由此实现了流量的比例分配 随着不饱和度 的增加 泵的压力减小 控制阀节流口两端的压差以 及流量都要减小 各个执行器按照各自控制阀节流 口的开度为比例降低速度 即使在饱和的情况下 高 负载的执行器也不会立刻停止 4负载敏感系统的优缺点 在这两种负载敏感技术中 泵都是作为机液式 压力闭环***来确保供应压力超出最高负荷压力 一个固定的压力差 p 由于泵供应的压力不断地随 最高负载压力调整 使系统避免了流量损失 因而 比 开中心 系统节约能源 尽管上述两种控制有很多优点 但是在系统响 应和能源效率方面还有改进的余地 在这些系统中泵供应压力超出最高负荷压力一 个固定的压力差 p 在某些条件下 预定的压差过 高 会不必要地浪费能源 此外负载压力的变化通过 负载敏感回路将压力信号传给泵 而这个压力控制 回路受许多因素影响 控制难度较大 而且负载敏感 回路同时通向控制阀的压力补偿器和泵压力控制 器 可能引起后两者的干涉 增加液压振荡的倾向 另外 只有在操纵杆生成先导压力命令 阀心移动和 负载信号被发送到泵的控制回路后 变量泵才能产 生响应 因此 负载敏感技术也需要随着工程实际的要 求 不断地被改进和完善 5电液流量匹配 电液流量匹配系统是负载敏感技术发展的最新 阶段 是由德国 Bosch Rexroth 公司发明的下一代流 量分配系统 其原理如图 6 所示 该系统以电子控制系统调整泵的摆角 而非机 液式系统中的压力式控制 它有以下改进之处 3 泵之间阀的压差***与系统的最大负载压力 设定 节省了能源 电比例变量泵是在一个开放控制回路中的 因此 泵***与压力补偿器单独作用 不会相互影 响 提高闭路控制技术的可靠性 特别是在关键 的工作点 这有助于降低振动趋势 泵和阀控制几乎同步 因此 EFM 系统消除了 从操纵杆信号输入到负载敏感信号到达泵的延迟 这也提高了系统的响应 它增强了对于扰动变量的 稳定性 图 7 所示例子比较的是使用不同液压系统的割 草机的能耗以及能源利用率 修剪路旁的杂草时需 要割草机的马达以高流量和中等压力工作 但经常 遇到障碍 期间必须不断中断割草工作 3 图中比较了工作一小时后 机液式与电液式的 能源利用率 后者节省约 24 的能源损失 图 7 左 侧 并提高了 5 的能源利用率 图 7 右侧 一般 情况下 降低平均液压功率 更能显示 EFM 的节能 优势 图5系统的抗饱和功能 图6电液流量匹配系统 低负载压力高负载压力 2010 年 11 月23景俊华 负载敏感系统的原理及其应用 A Design Improvment of Hydraulically Operated Throttle Valve Han BingqiHan ZhengweiHe Junhai 阀门在关闭或开启时与调节过程中作用在阀芯上的 力相当 可不必单独考虑 故阀杆力矩的计算公式可 写作 2 M F R 8 式中 R 阀杆螺纹的摩擦半径 m 由式 7 可以看出 等式的右端是一个关于流量 q 的抛物线方程 计算时只要确定了最大流量 q 即 可求出阀杆最大轴向力 F 代入式 8 即可计算出阀 杆的最大扭矩 以此选择或设计液马达 3特点 液马达驱动式液动节流阀调节方便 性能可 靠 其节流口不随压力的变化而变化 采用大螺距梯形螺纹传递动力 传动效率高 在螺旋升角小于摩擦角的情况下 尽量增大梯形螺 纹的螺旋升角 以提高传动效率 4结语 为了验证该新型节流阀的性能 在室内进行了 试验 结果表明 该阀调节轻快 灵活 自锁可靠 传 动效率高 阀门开度不随液流压力变化 能更好的服 务于石油钻井作业 保证井控安全 参 考 文 献 1 王华 井控装置实用手册 M 北京 石油工业出版社 2 0 0 8 2 杨源泉 阀门设计手册 M 北京 机械工业出版社 2 0 0 0 3 万邦烈 李继志 石油工程流体机械 M 北京 石油工业出 版社 1 9 9 9 4 R H 沃森 密封件与密封手册 M 北京 国防工业出版社 1 9 9 0 上接第20页 Principle and Aplications of Load sensing System Jing Junhua Abstract Load Sensing system is in the field of construction machinery in recent years widespread This paper introduces the principle type structure and characteristics of load sensing technology It analyzes the load independent flow distribution process of LUDV system with anti saturation function Use Comparison with the traditional flow control methods shows the energy saving advantages of load sensing system Key words load sensingconstruction machineryflow distributionenergy saving 6结束语 经历了几十年的不断发展和完善后 负载敏感 控制技术高效的特点使之成为传动及控制系统的理 想设计方案 可以预见在不久的将来 对于复杂的系 统 它能够与电子操纵系统联合工作 精确地控制和 提供负载需要的液压动力 参 考 文 献 1 H a n s J r g e n M a t t h i e s K a r l T h e o d e rR e n i u s E i n f h r u n g i n d i e 魻l h y d r a u l i k Wi e s b a d e n V i e w e g T e u b n e r V e r l a g G WV F a c h v e r l a g e G m b H 2 0 0 8 2 2 6 2 2 7 2
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