電控負(fù)載敏感系統(tǒng)在液壓長管路中的應(yīng)用

徐彬彬，董志偉，俞超

(無錫市鉆通工程機(jī)械有限公司，江蘇無錫 214161)

0 前言

為了提高作業(yè)效率，各行業(yè)競相采用大型工程機(jī)械。工程機(jī)械大多采用以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的集中液壓源，一臺(tái)工程機(jī)械有好幾個(gè)、甚至十幾個(gè)作業(yè)機(jī)構(gòu)，這些作業(yè)機(jī)構(gòu)分布在不同位置，但它們都從集中液壓源獲到動(dòng)力。近年來出現(xiàn)的具有抗流量飽和及負(fù)載敏感功能的電液比例多路閥，是工程機(jī)械液壓控制系統(tǒng)的一大進(jìn)步。這種多路閥結(jié)構(gòu)緊湊且具有抗流量飽和功能，利用其負(fù)載敏感信號(hào)，可對變量泵排量進(jìn)行控制，使泵適應(yīng)外負(fù)載及內(nèi)燃機(jī)工況變化，以提高液壓系統(tǒng)效率[1-3]。隨著工程機(jī)械向大型化方向發(fā)展，其中一些作業(yè)機(jī)構(gòu)與液壓源的距離越來越大。

管路里不可避免地混有少量空氣，這就降低了液壓油的體積彈性模量，從而降低了管路中的壓力傳播速度。管道本身不是剛性的，當(dāng)液壓油受到壓縮時(shí)，管壁會(huì)發(fā)生膨脹，這同樣也會(huì)影響管路中的壓力傳播速度。由于液壓源與控制閥組之間的長管道流動(dòng)滯后的影響，當(dāng)流量發(fā)生突變時(shí)，管道中壓力會(huì)有一個(gè)瞬時(shí)突降過程；當(dāng)通過某一穩(wěn)定流量時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的壓力降。

負(fù)載敏感閥離開中位時(shí)，它將通過梭閥和軟管將負(fù)載壓力連接到泵上的LS控制閥上，泵的負(fù)載敏感調(diào)節(jié)閥通過調(diào)整排量來維持P口和LS口的設(shè)定壓差，從而達(dá)到流量平衡。由于液壓長管路的影響，負(fù)載敏感泵的響應(yīng)嚴(yán)重滯后于外負(fù)載的變化[4-6]，有時(shí)甚至?xí)ω?fù)載變化作出不正確的反應(yīng)。管路的壓損也會(huì)直接影響到負(fù)載敏感閥的輸出流量。本文作者提出了幾種電控負(fù)載敏感系統(tǒng)的組成，并分析了其具有的特性及優(yōu)勢。

1 液壓原理

圖1所示為典型負(fù)載敏感原理，其中:pp為變量泵出口壓力；ΔpP為負(fù)載敏感泵壓差設(shè)定值；ΔpD為二通補(bǔ)償器彈簧設(shè)定值；pA、pB為負(fù)載壓力。薄壁孔壓力流量公式:

(1)

式中：Cd為流量系數(shù)；A0為小孔的截面積，此處為負(fù)載敏感閥的開口面積；ρ為油液密度；Δp為小孔前后的壓差，此處為通過主閥芯1處開口前后的壓差。

通過主閥芯的油液流量與開口面積以及主閥芯開口前后的壓差相關(guān)。在前后壓差保持不變的情況下，流量與開口面積成正比[7-8]。在不考慮流量飽和的情況下，閥前補(bǔ)償主閥前后的壓差為二通補(bǔ)償器的壓差ΔpD，管路損失的影響相對較小，只需要保證ΔpP-Δp管路>ΔpD即可。

對于閥后補(bǔ)償?shù)闹鏖y來說，其主閥的壓差為

Δp=ΔpP-Δp管路-ΔpD

(2)

由此可見管路損失對于閥后補(bǔ)償?shù)闹鏖y來說將會(huì)直接影響到主閥流量的穩(wěn)定性。

圖1 典型負(fù)載敏感原理

2 傳統(tǒng)的解決方案

2.1 高壓待命

2.1.1 提高負(fù)載敏感泵的壓差設(shè)定值ΔpP

直接調(diào)整負(fù)載敏感泵的壓差設(shè)定值ΔpP，可以提高閥組的動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間。負(fù)載敏感泵的壓差設(shè)定值要求舉例如表1所示。對于閥前補(bǔ)償?shù)亩嗦烽y，增加了功率損失;對于閥后補(bǔ)償?shù)亩嗦烽y，ΔpP增大不僅會(huì)增加能耗，同時(shí)其控制精度也大打折扣[9]。即使不考慮能耗問題，ΔpP也不宜過大，否則會(huì)影響油泵的穩(wěn)定性，產(chǎn)生壓力波動(dòng)。所以略微調(diào)高ΔpP針對液壓管路稍長的負(fù)載敏感回路來說起一定的效果。

表1 負(fù)載敏感泵的壓差設(shè)定值要求舉例

2.1.2 增加LS放大器

由于LS反饋管路中抗震阻尼的存在，導(dǎo)致LS反饋油路建壓慢，并且存在一定的壓損。在進(jìn)油模塊內(nèi)集成一個(gè)外控減壓閥，其彈簧壓力設(shè)定為定值。丹佛斯的PVG閥組增加LS放大器如圖2所示。

圖2 LS放大器原理

待命狀態(tài)，外控端的壓力(工作模塊的反饋壓力)為0，此時(shí)LS口的壓力為0.6 MPa(由外控減壓閥的彈簧設(shè)定值決定)，泵也以比油泵設(shè)定值ΔpP高0.6 MPa的壓力待命。

工作模塊開啟時(shí)，LS放大器模塊中的外控減壓閥的控制端建壓后會(huì)打開泵P口-LS口的通道，快速建壓。

2.1.3 恒壓變量泵代替負(fù)載敏感泵

采用恒壓變量泵代替負(fù)載敏感泵，此回路必須使用閥前補(bǔ)償?shù)呢?fù)載敏感閥，如圖3所示。恒壓泵+負(fù)載敏感閥系統(tǒng)功率分布如圖4所示，其響應(yīng)速度及流量控制精度都得到了保證，但是其功率損失較大，尤其是在大流量(低于泵的最大輸出流量)、低負(fù)載壓力的工況下。

圖3 恒壓泵+負(fù)載敏感閥回路

圖4 恒壓泵+負(fù)載敏感閥系統(tǒng)功率分布

2.2 流量待命

流量待命原理示意如圖5所示，負(fù)載敏感泵設(shè)定有最小排量，以小排量待命，其輸出的流量經(jīng)過多路閥內(nèi)部的三通補(bǔ)償器進(jìn)行卸荷，此時(shí)三通補(bǔ)償器的壓力設(shè)定值需要比油泵的設(shè)定值ΔpP要高1 MPa左右[10-11]。

流量待命壓力、流量曲線如圖6所示，若主閥的流量需求低于主泵最小輸出流量時(shí)，反饋口LS壓力為負(fù)載壓力，負(fù)載敏感多路閥中的三通補(bǔ)償器的開啟壓力為彈簧設(shè)定值加上LS壓力，泵以最小流量輸出，輸出壓力即三通補(bǔ)償器的開啟壓力，多余的流量從三通補(bǔ)償器流回油箱[12]。

圖6 流量待命壓力、流量曲線

若主閥的流量需求介于主泵的最小及最大輸出流量中間時(shí)，主閥的三通補(bǔ)償器仍然是彈簧設(shè)定值加上LS壓力，反饋口LS壓力為負(fù)載壓力。此時(shí)負(fù)載敏感泵上的LS閥起作用，泵的輸出流量即主閥的需求流量，泵輸出壓力為LS壓力加上油泵設(shè)定值ΔpP。若主閥的三通補(bǔ)償器彈簧設(shè)定值過低，部分油液將從此處流回油箱，造成功率損失，甚至主閥達(dá)不到需求的流量。

3 電控負(fù)載敏感系統(tǒng)

3.1 電比例泵+開芯負(fù)載敏感閥

電比例泵+開芯負(fù)載敏感閥回路如圖7所示，此回路在閥組換向的同時(shí)控制油泵變量。為了滿足閥組的流量需求，始終保證泵的輸出流量略大于閥組的需求流量，多余的流量經(jīng)過三通補(bǔ)償器進(jìn)行卸荷[13]。此處的三通補(bǔ)償器與第2.2節(jié)中的壓力補(bǔ)償器的壓力設(shè)定值不同，此處只需要比工作聯(lián)中的二通補(bǔ)償器彈簧設(shè)定值高0.2～0.3 MPa即可。

圖7 電比例泵+開芯負(fù)載敏感閥回路

系統(tǒng)中的泵不作為壓力控制器運(yùn)行，以開放控制回路中的電比例變量泵運(yùn)行。因此，泵不再響應(yīng)負(fù)載壓力的變化，而是獨(dú)立運(yùn)行，不與壓力補(bǔ)償器相互作用。

響應(yīng)時(shí)間曲線如圖8所示，泵和負(fù)載敏感閥幾乎同步控制，因此，消除了操縱桿輸入和到達(dá)泵的LS信號(hào)之間的延遲，改善了系統(tǒng)的響應(yīng)，可根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，如圖8虛線所示。流量待命法在此處依然適用，從而系統(tǒng)的響應(yīng)速度會(huì)更加迅速。

圖8 響應(yīng)時(shí)間對比

此方案取消了負(fù)載敏感系統(tǒng)的反饋油路，軟管數(shù)量少，裝配時(shí)間短，安裝成本低，泄漏點(diǎn)更少,不存在體積模量(壓縮性)引起的不穩(wěn)定性，工作液壓系統(tǒng)更靈活，更不容易受到振蕩的影響。

油泵限扭示意如圖9所示，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性曲線，可以提前算好發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩上限，從而計(jì)算出不同系統(tǒng)壓力對應(yīng)的油泵排量上限，避免發(fā)動(dòng)機(jī)超功率導(dǎo)致掉轉(zhuǎn)速甚至熄火，充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率。

圖9 油泵限扭示意

電比例泵+開芯負(fù)載敏感閥回路能耗示意如圖10所示，三通補(bǔ)償器的彈簧設(shè)定值比負(fù)載敏感泵的壓差小，相對壓力損失較小。但是始終有部分流量通過三通補(bǔ)償器進(jìn)行卸荷，所以此方案的能耗與傳統(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng)來說沒有太大優(yōu)勢。

圖10 電比例泵+開芯負(fù)載敏感閥回路能耗示意

3.2 負(fù)載敏感泵+負(fù)載敏感閥

負(fù)載敏感泵+負(fù)載敏感閥回路如圖11所示，此回路取消了反饋油路，增加了壓力傳感器以及比例溢流閥。2個(gè)壓力傳感器分別采集負(fù)載敏感多路閥反饋口LS以及主泵的輸出壓力，控制器再實(shí)時(shí)調(diào)整比例溢流閥的壓力[14]。

圖11 負(fù)載敏感泵+負(fù)載敏感閥回路

待命狀態(tài)下，可以通過提高比例溢流閥的設(shè)定值來提高主泵的待命壓力，從而極大程度提高主閥的響應(yīng)速度。由于待命狀態(tài)下主泵上的LS閥依然處于工作狀態(tài)，且ΔpP為油泵的正常設(shè)定值，可避免壓差過大引起的穩(wěn)定性問題。

壓力損失補(bǔ)償示意如圖12所示，管徑一定的情況下，通過其管路的流量越大，壓力損失就越大。管路損失過大會(huì)導(dǎo)致負(fù)載敏感閥輸出流量不足，甚至無法動(dòng)作。通過2個(gè)壓力傳感器的反饋，電控負(fù)載敏感系統(tǒng)能夠有效補(bǔ)償液壓長管路造成的壓力損失，可根據(jù)實(shí)際通油量來確定補(bǔ)償量，從而達(dá)到節(jié)能的效果。

圖12 壓力損失補(bǔ)償示意

可以使用軟件來對負(fù)載壓力進(jìn)行“濾波”，減弱負(fù)載壓力波動(dòng)，甚至可以讓泵以恒壓狀態(tài)輸出，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。負(fù)載壓力濾波示意如圖13所示。

圖13 負(fù)載壓力濾波示意

在負(fù)載壓力變化迅速或希望根據(jù)運(yùn)行條件動(dòng)態(tài)限制最大負(fù)載壓力的系統(tǒng)中，可以在軟件中動(dòng)態(tài)限制允許的最大壓力，從而防止基于機(jī)器配置的操作不當(dāng)。系統(tǒng)壓力限制示意如圖14所示。從動(dòng)態(tài)載荷限制中受益的一個(gè)例子是臂架起重機(jī)，其載荷能力取決于臂架的延伸，可根據(jù)其臂伸長度來限制其壓力。

圖14 系統(tǒng)壓力限制示意

3.3 電比例、負(fù)載敏感泵+負(fù)載敏感閥

電比例、負(fù)載敏感泵+負(fù)載敏感閥回路如圖15所示，此回路中電比例排量控制和負(fù)載敏感控制都用于控制泵的排量。當(dāng)2個(gè)控制功能均收到控制指令時(shí)，泵將輸出2個(gè)指令中比較小的排量。

圖15 電比例、負(fù)載敏感泵+負(fù)載敏感閥回路

此回路綜合了前2種回路的所有優(yōu)勢。為了簡化回路控制復(fù)雜程度，一般優(yōu)先選擇電比例控制或者負(fù)載敏感控制模塊，屏蔽掉另外一個(gè)控制模塊，或者作其他越權(quán)保護(hù)功能使用。如電比例控制時(shí)，負(fù)載敏感控制模塊可作為限壓閥使用；負(fù)載敏感控制時(shí)，電比例可作為限制系統(tǒng)功率使用等。

4 結(jié)論

在具有長管路的負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)中，由于管路損失、油液彈性模量的影響，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的響應(yīng)及穩(wěn)定性。此時(shí)電控負(fù)載敏感系統(tǒng)最有利，有響應(yīng)速度快、節(jié)能、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

電控負(fù)載敏感系統(tǒng)除了在長管路系統(tǒng)中有著獨(dú)有的優(yōu)勢，其附有的功率限制、限壓等功能同樣能應(yīng)用于常規(guī)負(fù)載敏感系統(tǒng)，讓系統(tǒng)變得多樣化、智能化。