挖掘機工作裝置中多路閥的研究

郜立煥，劉錦陽，李健仁，水清皎，鄭吉

(1. 蘭州理工大學能源與動力工程學院，甘肅蘭州730050;2. 山推工程機械股份有限公司，山東濟寧272073)

液壓挖掘機作為一類快速、高效的施工機械在現代化施工建設中得到越來越廣泛的應用。但是由于挖掘時挖掘工況的不確定性，也就是挖掘力的不確定性，會出現泵供油不足的情況，功率損失大，油耗高、經濟性差和排放不好［1－3］。針對這種情況，力士樂公司開發了負載獨立流量分配系統［4］。

1 液壓挖掘機工作裝置液壓系統建模分析

挖掘機負載獨立流量分配系統因為具有流量分配不受負載干擾和抗飽和能力而得到廣泛應用，負載獨立流量分配系統主要由負載敏感泵控系統和多路閥系統組成，其中決定其具有負載獨立流量分配特定和抗飽和能力的是具有壓力補償功能的多路閥系統［5－6］。

1.1 建立多路閥的數學模型

1.1.1 建立節流閥的數學模型

液壓泵的出口壓力經過多路閥時首先進入節流閥進行節流，節流閥的運動通過控制先導壓力進行調節，為建模仿真簡化，將先導壓力等效為手柄的作用力，即不論何種調節方式統一等效為調節手柄。節流閥閥芯運動微分方程:

式中:F 為節流閥閥芯上作用的控制力;

F0為節流閥彈簧預調力;

Mm為節流閥閥芯閥質量;

Bm為節流閥閥芯的黏性阻尼系數;

xm為節流閥芯位移;

km為主閥對中彈簧剛度。

對公式(1)進行拉普拉斯變換得

1.1.2 建立壓力補償閥的數學模型

壓力補償閥是負載獨立流量分配系統中進行流量分配的關鍵部件，當壓力補償閥接收到來自負載的壓力信號，開始移動，直到平衡，則移動過程中的運動微分方程為:

式中:p1為壓力補償閥進油口壓力;

pV為經過比較器比較后的最大負載壓力;

m 為壓力補償閥閥芯質量;

x 為壓力補償閥閥芯位移;

B 為油液黏性阻尼系數。

對公式(3)進行拉普拉斯變換得

2 多路閥參數對執行元件流量和位移的影響

負載獨立流量分配系統具有負載獨立和流量按比例分配的特性，通過分析不同負載時的流量輸出可得出這些特性。將分析多路閥的的參數對流量輸出的影響，選擇一聯進行分析，為了便于比較對照，在MATLAB/SIMULINK 仿真中建立如圖1 所示的框圖，其中System 組為原參數，另一組為修改后的參數，對其進行仿真比較。

圖1 多路閥參數模擬對照框圖

2.1 壓力補償閥參數的影響

改變多路閥壓力補償閥彈簧剛度，壓力補償閥原來的彈簧剛度為64.25 N/m，為了比較明顯地看出彈簧剛度的影響，將其調為100 N/m。

在圖2 中曲線1 表示原參數流量，曲線2 表示彈簧剛度調節后的流量，從圖中可以看出彈簧剛度變大后，輸出的流量顯著降低。改變壓力補償閥的阻尼比，原阻尼比為3.36 N·m/s，將其調整為5 N·m/s，其變化圖形如圖3 所示。

圖2 改變壓力補償閥彈簧剛度前后流量比較圖

圖3 改變壓力補償閥阻尼比前后流量比較圖

從圖3 可以看出流量的變化主要分布在開始階段，在1 s 后基本看不出流量變化。為了更清晰地看到開始階段的流量變化，對前2 s 進行仿真，如圖4所示。

圖4 改變壓力補償閥阻尼比前后流量比較(放大)圖

改變壓力補償閥直徑，將壓力補償閥的直徑由0.025 m 調為0.028 m，則變換前后流量輸出如圖5所示。

圖5 壓力補償閥直徑變換前后流量比較圖

通過分析圖2—5 發現，壓力補償閥的參數變化對多路閥的流量產生一定的影響，其中壓力補償閥彈簧剛度和閥芯直徑的變化對流量的影響比較顯著，這兩個量的微小變化就可以導致較大的流量變化;阻尼比對流量的影響主要在開始階段，隨著時間的推移，其影響逐漸減小。

2.2 節流閥參數對多路閥流量的影響

改變節流閥的彈簧剛度，節流閥彈簧剛度由82.56 N/m 變換為100 N/m，變化圖形如圖6 所示。

圖6 節流閥彈簧剛度改變前后流量比較圖

通過仿真圖可以看到節流閥彈簧剛度變換前后流量沒有變化，說明彈簧剛度對流量影響小到可忽略的程度。進一步改變節流閥的其他參數，改變節流閥的阻尼比和閥芯直徑，均得到同圖6 圖形，說明這些參數對流量的影響也可忽略。

3 結論

對挖掘機負載獨立流量系統中的多路閥進行研究分析，建立了多路閥的模型。通過仿真的結果表明，在負載獨立流量分配系統中，通過改變多路閥中壓力補償閥和節流閥的參數，觀察參數改變對流量的影響，得出多路閥的參數中對流量的影響較大的是壓力補償閥，節流閥幾乎沒有影響，其中尤其以壓力補償閥的彈簧剛度和閥芯直徑對流量影響大。為今后多路閥的結構參數的設計提供依據。

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【5】李杰.負載敏感壓力補償技術在挖掘機液壓系統中的應用［J］.山西機械，200(增刊):115 －116.

【6】顧臨怡，謝英俊.多執行器負載敏感系統的分流控制發展綜述［J］.機床與液壓，2001(3):3 －6.

【7】蔣道成，于蘭英，柯堅，等.LUDV 控制系統的動態仿真［J］.機械工程師，2008(4):27 －28.

【8】王濤，陶薇.基于AMESim 的液壓挖掘機運動仿真及控制參數優化［J］.機床與液壓，2009，37(7):180 －182.