汽車起重機起升機構液壓系統的節能改進

， ， (.太原理工大學 機械工程學院， 山西 太原　03004; .太原理工大學 力學學院， 山西 太原　03004)

引言

對汽車起重機起升機構液壓系統的研究表明，起升機構液壓系統在重載工況時的效率較高，而在空載或輕載工況時效率很低[1]。這是因為汽車起重機起升機構液壓系統在負重下降工況時平衡閥的控制壓力是按照滿載時的控制壓力調定的，在輕載或空載工況時由于負載產生的壓力無法克服該控制壓力，必須依靠液壓泵在較高的壓力下運行，導致更大的能量損失，液壓系統的效率較低。姚平喜等提出了一種新型負載敏感平衡閥[2],這種新型負載敏感平衡閥，平衡壓力能夠隨著負載的變化而變化，從而保證控制壓力一直處于一個較小的定值，使得下降工況時油液全流量通過該閥，降低能耗損失，提高功率利用率， 達到節能的目的。在汽車起重機起升機構的液壓系統當中應用該平衡閥，以實現定量泵的壓力與負載相匹配，使得系統壓力與執行元件負載的變化相適應，從而提高液壓系統的效率。

1　新型負載敏感平衡閥

新型負載敏感平衡閥主要由液控節流閥、液控單向閥和單向閥三部分組成，利用負載敏感技術，將負載下降由自重而引起的壓力反饋到控制活塞的一端，使閥芯的位移隨之產生相應的變化量，從而控制節流閥的開啟量，該開啟量在保證產生足夠背壓的條件下使油液全流量通過[3]，既降低了能耗損失，也保證了負載的平穩下降。

負載敏感平衡閥的工作原理[4]如圖1所示。

1.　液壓泵　2. 換向閥　3. 液控單向閥控制活塞 4. 液控單向閥　5. 液壓缸　6. 單向閥　7. 節流閥芯 8. 控制活塞　9. 溢流閥

對應圖1中換向閥的三個位置，負載敏感平衡閥有三種工況：

(1) 起升工況換向閥右位工作時，壓力油從A口進入平衡閥，打開單向閥6，從B口進入液壓缸下腔，負載起升。

(2) 靜止承載工況換向閥中位工作時，系統卸荷，液控單向閥4在彈簧和液壓缸下腔的壓力作用下閉合，液壓缸鎖定。

(3) 下降工況換向閥左位工作時，壓力油進入液壓缸有桿腔，一部分壓力油通過C口作用在液控單向閥控制活塞3的右端，打開液控單向閥4。在液壓缸下腔由負載自重產生的壓力通過平衡閥內部孔道作用于控制活塞8的左端，使節流閥芯7具有相應的開口量，液壓缸下腔的油液全流量通過節流閥以及已開啟的液控單向閥，經A口回油箱。負載增大，節流閥開口減小，負載減小，節流閥開口增大，從而產生一個與負載相適應的背壓，使負載平穩下降。

2　汽車起重機起升機構液壓系統

2.1　液壓系統原理圖及分析

根據汽車起重機起升系統的工作原理和液壓元件的實際結構，進行合理簡化的普通平衡閥起升機構液壓系統原理圖如圖2所示[5]。

圖2　原起升機構液壓系統原理圖

圖2所示普通平衡閥起升機構液壓系統的工作原理為：

(1) 起升工況換向閥位于右位，泵壓力油進入平衡閥并打開單向閥進入馬達，馬達正轉，負載起升。

(2) 靜止承載工況換向閥位于中位，泵卸荷，馬達停止轉動，靜止承載。

(3) 下降工況換向閥位于左位，壓力油進入油馬達，馬達反轉，負載在自重和平衡閥背壓作用下下降。

根據該液壓系統的工作原理可知，平衡閥背壓的設定是按照能夠平衡最大起重量的重力而設定的。對于普通的平衡閥液壓系統，在負載下降過程中負載要克服所設定的背壓才能下行，所以負載減小時，負載自重無法克服設定的背壓，只有提高泵的輸出壓力才能克服該背壓。這就造成了原起升機構液壓系統在重載工況時的液壓系統效率較高，而在輕載和空載工況時的液壓系統效率較低的現象。而新型負載敏感平衡閥采用負載敏感技術，可以明顯改善負載下降時能量損耗問題。

將原液壓系統中的普通平衡閥用這種新型負載敏感平衡閥代替，改進后的液壓系統原理圖如圖3所示。

為便于分析和對比普通平衡閥和負載敏感平衡閥液壓系統在負載下降過程中的能量損耗問題，對原起升機構的液壓系統進行等效代替，其等效原理圖如下圖4所示。

圖3　改進后起升機構液壓系統原理圖

2.2　等效液壓系統原理圖及分析

圖4是圖2原起升機構液壓系統原理圖的等效原理圖，是將原液壓系統中的執行機構液壓馬達等效為雙出桿液壓缸。

如圖4所示，由圖2所示液壓系統的工作原理可知，負載起升階段，油液只需打開單向閥進入執行機構，其壓力取決于負載，即起升壓力隨負載而變，故原液壓系統和改進后液壓系統的起升工況泵油液壓力基本相同；負載靜止承載階段，系統卸荷，兩系統壓力一致；負載下降階段，普通平衡閥的背壓恒定不變，負載減小，泵油液壓力反而增大，而新型負載敏感平衡閥的負載壓力反饋作用在閥上，閥的背壓能與負載相適應。分析可得，起重機起升機構液壓系統的工況中，負載下降工況是決定系統能量損耗的關鍵，以下主要分析負載下降工況。

圖4　起升機構液壓系統等效原理圖

負載下降過程中，設雙出桿液壓缸上下腔的作用面積為均為A，液壓缸上腔壓力為p1，下腔壓力為p2，負載重量為G。則對雙出桿液壓缸的活塞進行受力分析可得：

p1A+G=p2A

(1)

式中，普通的平衡閥液壓系統中p2是以滿足平衡最大負載而設定的，當重物的重量G減小時，為平衡平衡閥的設定壓力p2，油泵壓力p1要增大。這說明負載越小，泵輸出壓力越大，損耗越大，即在輕載或空載工況下系統的能量損耗增大。而負載敏感平衡閥液壓系統中重物的重量G變化時，產生相應的背壓p2，同時p2作用在閥的控制端，控制閥口的開啟量，從而產生與之相應的壓力使油液全流量通過，這樣泵油液壓力無須增大以克服背壓，則p1基本保持為一較小值，即輕載或空載工況下系統的損耗較低。

在等效原理圖4的基礎上，用負載敏感平衡閥的平衡回路代替單向順序閥作平衡閥的平衡回路，即為改進后液壓系統的等效原理圖。在等效原理圖的基礎上對兩個等效液壓系統應用AMESim 軟件進行仿真分析，比較二者的耗能情況。

3　液壓系統的仿真模型及節能分析

3.1　AMESim搭建的兩個液壓系統的模型

圖5為普通平衡閥起升機構的液壓系統的AMESim模型，圖6為負載敏感平衡閥液壓系統的AMESim模型。

圖5　普通平衡閥液壓系統的AMESim模型

3.2　起升機構液壓系統的仿真及結果分析

為便于進行對比分析，兩個液壓系統模型中各元件的參數設置相同，但負載敏感平衡閥的參數和普通平衡閥的參數要分別設置。系統參數設定為：仿真起始時間均為0 s，終止時間為1 s，仿真步長為0.01。

因負載敏感平衡閥液壓系統和普通平衡閥液壓系統均采用定量泵，且泵的參數值及負載的參數值的設定相同，故泵的輸入功率相同。但由于采用不同的平衡閥，泵的輸出壓力不同，泵的輸出功率不同。因此，起重機起升機構液壓系統的能耗損失主要體現在泵輸出功率的大小上。

圖6　負載敏感平衡閥液壓系統的AMESim模型

泵的輸出功率表達式：

P=qp

(2)

其中,P為液壓泵輸出功率 ;q為液壓泵輸出的實際流量;p為液壓泵輸出壓力。

系統以20 t汽車起重機為例，系統仿真運行后得到在一個周期內兩個液壓系統分別在空載0.36 t、輕載5 t、重載(滿載)20 t三種工況下泵的輸出功率曲線圖如圖7～圖9所示。

對圖7所示空載工況曲線的相應數據進行比較計算可得：在負載下降工況，即0.6～1 s內，負載敏感平衡閥液壓系統輸出功率比普通平衡閥減少了94.7%。

對圖8所示輕載工況曲線的相應數據進行比較計算可得：在負載下降工況，即0.6～1 s內，負載敏感平衡閥液壓系統的輸出功率比普通平衡閥減少了93%。

對圖9所示重載工況曲線的相應數據進行比較計算可得：在負載下降工況，即0.6～1 s內，負載敏感平衡閥液壓系統的輸出功率與普通平衡閥時的相當。

綜合圖7～圖9的仿真結果分析可得，在一個空載和輕載工況下，負載敏感平衡閥液壓系統的輸出功率(即下降工況時的能耗)遠低于普通平衡閥液壓系統的輸出功率，重載工況下，二者的輸出功率相近。

同時，由以上三個圖的仿真分析結果還可以得出，在承載下降時，輕載和空載工況下，負載敏感平衡閥液壓系統輸出功率小于普通敏感平衡閥液壓系統輸出功率的效果較為顯著，空載下降工況輸出功率減少了94.7%，輕載下降工況輸出功率減少了93%。

圖7　空載工況時泵的輸出功率曲線

圖8　輕載工況時泵的輸出功率曲線

圖9　重載工況時泵的輸出功率曲線

綜合以上仿真分析可以得到，在承載下降過程中，負載敏感平衡閥液壓系統輸出較小的功率就可以讓負載在自重作用下平穩下降，其背壓可隨著負載的變化而變化，改善了原普通平衡閥液壓系統因負載背壓恒定而引起較大壓力損失的問題，降低了能耗，達到較為顯著的節能效果。

根據以上分析可得，負載敏感平衡閥的應用， 使汽車起重機起升機構液壓系統的輸出功率與負載相適

應，提高了能量利用率，體現了節能的本質，達到了節能的目的。

4　結論

在汽車起重機起升機構液壓系統中采用負載敏感平衡閥，在負載下降工況時背壓能隨負載的減小而減少，降低了系統的輸出功率，避免了原普通平衡閥起升機構液壓系統存在的負載小而壓力大的現象，很好的解決了汽車起重機在輕載和空載工況下的能量損耗大的問題，提高了在輕載和空載工況下液壓系統的能量利用率，達到了液壓系統節能的目的。

參考文獻：

[1]孫延明，趙安墉.大型汽車起重機典型工況及其功率特性分析[J].機械,1994,21(4):15-18.

[2]麻井偉,姚平喜.一種新型的負載敏感平衡閥[J].機械管理開發,2007,(2):81-82.

[3]張恒.負載敏感平衡閥的可視化分析及結構優化[D].太原:太原理工大學,2010.

[4]姚平喜,張恒,王偉.負載敏感平衡閥動態特性仿真及參數優化研究[J].機床與液壓,2011,39(7):29-32.

[5]吳瓊.中小噸位汽車起重機液壓工作回路仿真及實驗研究[D].沈陽:沈陽建筑大學,2011.