某型清洗車負載敏感液壓系統應用及探討

史小波,賈耀輝,于亞輝

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所,河南 鄭州 450015)

某型清洗車負載敏感液壓系統應用及探討

史小波,賈耀輝,于亞輝

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所,河南 鄭州 450015)

針對某型清洗車液壓系統調試過程中出現的問題,結合某型負載敏感比例多路閥的液壓原理及內部結構,對系統中二次調速問題,閥控馬達系統出現壓力振蕩的問題,啟動沖擊和馬達停機憋壓問題以及在電液先導控制功能同時選用時出現的先導功能失效等問題,分別分析了誘發故障的原因和機理,并提出相應的解決措施,可為負載反饋控制系統的應用和調試提供一定參考.

負載敏感;多路閥;壓力振蕩;憋壓

某型清洗車由于功能模塊多,動作執行元件多采用單泵多執行器負載敏感液壓系統,具有節能性好,系統元件少,設備結構緊湊,流量輸出與負載變化無關,可滿足多個執行元件在不同負載下同時工作等優點.負載敏感多路閥是該系統的核心元件,它并不是一個簡單、單一的液壓元件,而是一個由多個不同功能的插裝元件組成相互耦合的具有特定壓力、流量調節功能的高度集成、復雜的(液壓)系統.本文就基于負載敏感比例多路閥設計的液壓控制回路中的二次調速問題,閥控馬達回路出現壓力振蕩問題,慣性旋轉負載停機憋壓問題,電液先導功能同時選用時,先導功能失效或使用不當可能會引起其他事故等問題,結合負載反饋控制技術及某比例多路閥的液壓原理及內部結構,分析了誘發問題的原因并提出解決措施或注意事項.

1 二次流量調節

在清洗器姿態調整控制過程中,操作人員須調節進給油缸的速度,防止清洗器噴頭碰撞孫好壞.雖然比例多路閥有流量調節裝置,但都不能實時、便捷、頻繁調節每一聯輸出流量,本文設計了以下3種進給油缸速度控制方案:(1)如圖1a,為圖1中進給油缸控制回路的局部液壓原理圖,該方案在多路閥出口油路中串聯接入手輪調節式節流閥14,來控制進給油缸速度.此方案出現問題是:在調節節流閥工程中系統持續高壓,控制流量非常差,甚至不能正常使用.經分析,這是由于比例多路閥中壓力補償閥的緣故,該聯在二次溢流閥溢流之前,以恒定流量輸出,節流閥14基本不起作用.(2)如圖1b,將節流閥并聯在多路閥控制口,與其他油路構成旁路調速回路.此方案可以達到流量控制要求,但多余流量以負載壓力通過節流閥,能耗較高,造成系統油溫高,有缺點.(3)基于負載敏感比例多路閥的特點,提出了一種quot;外置先導減壓流量調節quot;方案,在多路閥控制進給油缸-聯主閥的液控油路中串聯接入手輪調節減壓泄荷閥13,通過控制主閥先導控制壓力,進而控制主閥閥芯開度,從而達到控制主閥輸出流量的目的.此方案經現場試驗,流量調節性能良好,工作穩定、可靠滿足設備工作需要,且回路簡潔,無能量損失.

圖1 節流調速方案液壓原理圖

2 閥控馬達回路壓力振蕩

圖2 馬達驅動回路

在清洗車液壓系統中,采用負載敏感變量泵-負載敏感比例多路閥-液壓馬達回路.開啟時,系統壓力均出現持續振蕩.文獻3和文獻4所描述過類似現象,分別通過在路Ls回路加直徑0.6mm的阻尼孔和改變流量限制閥口開度的方法解決了各自系統壓力振蕩問題.由于各系統的差異性,目前已有文獻中所提及的減振方法尚無一種能在每個發生壓力振蕩的系統都可以取得理想效果,只能作為定性參考.綜合負載敏感系統及變量泵傳遞函數和負載敏感比例多路閥數學模型,可知泵的變量機構-Ls負載反饋閥-主閥壓力補償閥-主閥節流口-Ls反饋油路以及負載馬達組成一個復雜的壓力流量閉環控制系統,所以壓力振蕩問題的實質就是系統穩定性問題.通過分析,影響系統穩定的因素很多,其中工程實踐中不易操控調整的參數有Ls閥的彈簧剛度、泵變量機構的結構參數以及其他元件相關參數、負載等;現場可調參數如Ls閥的壓差、節流閥開度、反饋管路的液容與液阻等.目前,大多數情況只能根據仿真結果或定性理論分析與工程試驗相結合的方法去確定相關參數的具體值,來解決系統壓力振蕩問題,有時可能需要多種方法同時采用.從工程實踐及可操作角度,除了以上方法外,可嘗試下列方法:(1)在多路閥選型時優選二通壓力補償器含減振阻尼或Ls油路含阻尼元件的選項,通過阻尼增加壓力補償器的穩定性或減小系統開環增益.(2)在Ls反饋油路加微型蓄能器衰減壓力振蕩.在此清洗車液壓系統調試中采用在Ls反饋油路加微型蓄能器的方法解決了壓力振蕩問題,效果良好.

3 啟動沖擊和馬達停機憋壓

在此清洗車液壓系統中有多個旋轉動作由液壓馬達驅動,旋轉執行機構轉速較高,慣量大.在系統調試中發現存在以下問題:(1)啟動時沖擊較大,啟動瞬時壓力達到系統變量泵設置的切斷壓力(系統中最高壓力設置點),且伴有較大噪音,發動機冒黑煙并出現熄火現象.(2)馬達執行元件停機時出現尖銳噪聲,設備執行機構及液壓管路振動劇烈.

系統回路原理見圖2.分析后判斷:問題(1)是由于執行機構慣量大,閥口打開太快,造成全流量瞬時通入液壓馬達,引起沖擊;問題(2)中,設計時已經考慮了馬達的停機工況,多路閥換向聯選型為Y型機能,當馬達停機時,馬達兩個油口和油箱相通構成回路,允許馬達慣性自由旋轉.實際應用中此比例多路閥中位油路帶阻尼,導致馬達停機時進出油口不能建立順暢回路,引起憋壓,馬達短時被憋停,對執行機構沖擊振動也較大.

解決措施:(1)通過控制器對多路閥控制電流輸出加延時,多路閥控制電流大小決定閥口開度,從而決定輸出流量(對應馬達轉速),使馬達緩慢加速到額定轉速,有效減小沖擊,延時時間越長,沖擊越小.(2)圖2中可見,此負載敏感比例多路閥出廠時A、B口油路預裝有截止閥芯,用于加裝二次溢流閥.根據馬達需要的旋向,將A、B口中一個截止閥芯去掉,使馬達回油繞過帶阻尼的主閥芯直接與多路閥T口相通,保證馬達停機時可形成順暢回路.消除憋壓引起的噪音和沖擊振動.注意,此方法只適用于單旋向馬達,反向因壓力油直接通T口而不能建立壓力,動力失效.

4 電液先導聯合控制時先導失效

當負載敏感比例多路閥采用電液先導聯合控制時,由于比例減壓閥在非工作狀態下控制口A和泄油口T相通,所以在外加液控先導裝置時,閥體內液控油路會內置一個直徑0.7mm的節流孔,如圖3中零件3,節流孔的作用是既要保證先導比例減壓閥能正常工作,又防止外加液控先導閥在工作時,大量油液進入主閥芯控制腔(彈簧罩或手柄座內)后直接到比例減壓閥控制口A口,再通過T口泄掉,導致加先導閥失效.

圖3 換向聯先導電液聯合控制液壓壓原理圖

此回路易出現的問題:(1)節流孔堵塞:由于節流孔直徑約為0.7mm,易堵塞,造成主閥芯一端被推動另一端彈簧罩或手柄座內油液無法被釋放,主閥芯無法換向.此時應將節流孔拆下清洗處理.(2)閥開啟慢、彈簧罩漏油:當外加先導液控手柄油源不是來源于多路閥本身時,綜合考慮直徑0.7mm節流孔和先導閥控制口與回油口之間間隙泄漏,主閥芯6和閥體4之間的間隙泄漏的總和,以及主閥開啟響應速度等因素,通過計算,要求輸入先導閥流量不小于2L/min.由于負載敏感比例多路閥主閥芯的最大液壓驅動壓力在2～2.5MPa,過大的液控壓力會導致彈簧罩變形,造成彈簧罩與閥體之間漏油,所以先導閥的輸出壓力應不大于3MPa.

5 結語

(1)針對某型清洗車液壓系統調試過程中出現的問題,設計了一種基于負載敏感比例多路閥的quot;外置先導減壓二次流量調節quot;回路,具有流量調節性能良好,工作穩定、可靠,回路簡潔,無能量損失等優點.(2)從自動控制原理角度定性、宏觀分析了誘發系統壓力振蕩的原因,并以此為基礎,結合工程實踐提出減振措施:在多路閥選型時優選二通壓力補償器含減振阻尼或Ls油路含阻尼元件的選項,通過阻尼增加壓力補償器的穩定性或減小系統開環增益.在Ls反饋油路加微型蓄能器用于衰減振蕩壓力.(3)分析了馬達驅動回路啟動沖擊和停機憋壓的原因,結合設備調試實踐,提出增加啟動延時和拆除多路閥相應位置截止閥芯的解決故障方法.(4)從負載敏感多路閥內部結構原理角度分析了在電液先導聯合控制時,造成先導失效或出現其他事故的原因,并通過分析,提出外接先導閥的輸出流量、壓力參數,作為回路、系統的設計或故障排查依據.

[1]蔣棟林.基于LuGre模型的比例多路閥摩擦力分析與顫振補償[D].秦皇島:燕山大學,2014.

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