挖掘機閥前補償負載敏感系統特性分析

胡鑫樂

（中南大學機電工程學院，湖南 長沙 410083）

挖掘機閥前補償負載敏感系統特性分析

胡鑫樂

（中南大學機電工程學院，湖南 長沙 410083）

為研究閥前補償負載敏感系統的動態特性，通過建立負載敏感泵以及閥前補償多路閥的AMESIM數值仿真模型，對不同工況下系統的特性進行研究，分析產生飽和工況的原因，為閥前補償負載敏感系統的抗飽和研究提供參考。

負載敏感；閥前補償；仿真；流量飽和

負載敏感系統在機械液壓中應用越來越廣泛，系統采用壓力閉環控制，壓力有很好的跟隨效果，通過梭閥網選擇多執行機構中最大負載壓力反饋給敏感泵然后輸出壓力，僅提供系統需要的壓力，對旁路流量損失也有一定的抑制，相比其他幾類控制系統（正流量、負流量控制系統）節能效果好。閥前補償系統繼承了傳統的閥前補償系統負載敏感這一特性，同時具有自身優良性能，在外負載波動時，補償閥通過調節主閥前后壓差來控制液壓系統流量，以此來調節系統的流量分配，保證系統穩定。因此，在正常工況下，閥前補償系統具有很好的調速性能。工況復雜時，系統出現流量飽和即系統流量不能滿足執行機構，導致執行機構出現運行減慢甚至停止的情況。為了分析這幾種工況，建立AMESIM數值仿真模型，主要包括負載敏感泵、閥前補償多路閥，以分析挖掘機多執行機構同時動作在非飽和工況以及飽和工況下系統的動態特性［1，2］。

1 負載敏感泵數值模型

負載敏感泵原理如圖1所示，主要元件包括：1.流量控制閥；2.壓力切斷閥；3.變量大缸；4.變量小缸；5.節流閥。圖中Ps為泵壓，Pl為負載所需壓力。一般工作狀態下，流量控制閥左右受力平衡，閥口關閉，系統壓力與負載壓力保持一定壓差，當負載所需壓力值增大，流量控制閥右端反饋壓力增大，閥芯向左移動，變量大缸與油箱連通，柱塞泵圓盤擺角增大，流量增加；同理，當負載所需壓力減小，反饋壓力減小，閥芯向右側移動，壓力油進入變量大缸，使柱塞泵圓盤擺角減小，流量減小。負載壓力超負荷時，壓力切斷閥被打開，壓力油進入變量大缸，此時泵輸出維持系統正常運行的流量最小，外負載不存在時，系統壓力僅為流量控制閥彈簧壓力，文中設置為20bar，流量幾乎為零［3，4］。

從負載敏感泵的原理分析看出，負載敏感系統主要包括三個工作狀態：①一般工作狀態，系統壓力僅提供負載需要壓力；②保壓狀態，系統達到最大壓力，流量減小僅維持系統正常運行的最小流量；③空轉狀態，系統輸出流量幾乎為零。

圖1 負載敏感多路閥原理圖

根據負載敏感泵原理及參考力士樂A10VNO系列泵參數進行數值建模，建模如圖2所示。圖2中P為泵壓力輸出，Pls為最大負載壓力反饋，1為變量大小缸，2為流量控制閥，3為壓力切斷閥。數值模型中主要參數這樣設置：質量塊質量為0.02kg，流量閥和壓力切斷閥閥芯直徑都為7mm，桿徑為4mm。通過設置流量控制閥彈簧預緊力來控制系統壓力裕度，按照力士樂A10VOS設置為14bar，使泵輸出壓力始終與最大負載壓力保持14bar壓力裕度，壓力切斷閥同樣以彈簧預緊力設置，保持系統最大壓力為300bar，當系統壓力大于300bar，壓力切斷閥被打開，泵流量進入大缸，敏感泵圓盤擺角減小，流量開始減小，與原理中的保壓狀態相符。

圖2 負載敏感泵數值模型

為驗證模型的正確性，仿真負載壓力上升和下降過程系統的相應時間。壓力上升階段仿真時間大約為45ms，與官方給出時間40ms略有偏差，壓力下降階段時間大約為20ms，與官方給出時間20ms一致，符合要求，說明敏感泵模型基本正確，可以用于后文研究。

2 閥前補償多路閥建模

閥前補償系統原理如圖3所示。以兩路執行機構為例，各聯通過伺服閥選擇最大負載壓力Pls反饋到負載敏感泵的流量控制閥，保證系統壓力滿足最大負載壓力并保持一定的壓力裕度。各聯補償閥置于節流閥之前，泵的流量首先通過補償閥，并將主閥閥前壓力作用于補償閥一側，流量通過主閥將壓力作用于補償閥彈簧腔一側，補償閥左右兩側保持壓力平衡，起到壓力補償作用，使主閥前后壓差調定，不受負載壓力變化而波動，控制主閥開口大小可調節執行機構流量，可以看出閥前補償屬于先調壓后節流［5］。

圖3 閥前補償系統原理簡圖

上式中：Cd為流量系數；W為換向閥口面積梯度；?P為換向閥前后壓差；ρ為油液密度。

上式中流量系數調定為0.7，節流閥閥口面積梯度設

閥前補償多路閥采用迪普馬公司生產的BLS6系列多路閥為樣本進行分析，此型號多路閥是帶閥前補償閥的多路閥，根據多路閥結構和原理，建立多路閥模型，換向閥以先導壓力油方式作用閥芯兩側斷面，推動閥芯移動，改變閥口的過流面積，閥口的過流面積影響主閥的流量特性，控制流量大小。

閥芯兩側先導力大小通過實際先導壓力和閥芯直徑計算得出，先導壓力最大40bar，閥芯最大位移8mm。換向閥模型中阻尼孔、彈簧剛度、射流角、閥口過流面積等參數，通過仿真過程的提示和結果對比進行了最優化調試。

換向閥流量方程：定為固定值，油液密度固定，只有閥口前后壓差對系統有一定影響，當負載壓力變化，導致壓差變化，但是閥前補償閥設定節流閥的壓差，在負載變化時，補償閥改變閥口大小，調整節流閥前后壓差保持不變，根據上式，節流閥流量會保持恒定，系統調速性能良好。

3 系統動態特性分析

3.1 非飽和工況下挖掘機多執行機構同時動作系統的動態特性分析

非飽和工況下的多執行機構動作，以挖掘機斗桿和鏟斗同時動作為例，斗桿負載1為大負載執行機構，鏟斗負載2為小負載執行機構，兩機構運行過程中負載沒有變化，為仿真系統流量不斷增加，最終達到負載最大需求流量，設定閥的先導信號在5s內都從0增加到40，流量逐漸增加，仿真時長5s，時間步長0.01s。得到如圖4系統動態特性曲線。

圖4 非飽和工況復合動作系統特性

圖4為非飽和工況多執行機構同時動作得出的系統特性曲線，圖4a中泵輸出流量始終滿足各聯要求，大負載流量明顯小于小負載流量，參考圖4b發現，即使大負載補償閥閥芯完全打開，仍然小于小負載流量，在2s時，大負載補償閥完全打開，流量保持平穩不再上升，在非飽和工況下，所有負載執行機可以平穩運行，沒有出現運行緩慢或者停止運行現象。

3.2 非飽和工況下挖掘機多執行機構同時動作系統的動態特性分析

以飽和工況下鏟斗和斗桿的復合動作為例，各負載執行機構壓力始終保持不變，主閥先導壓力5s內從0到20bar，閥口逐漸打開，流量逐漸增大，仿真時間步長0.01s，仿真時長5s。

隨著閥芯打開，起初由于系統死區和反饋時間的關系，系統不穩定，各聯流量大小有波動，隨著系統達到穩定，大小負載執行機構的流量按比例分配，在大約1.5s時系統達到飽和，泵輸出全部流量，大負載執行機構的流量隨后開始下降，小負載流量則繼續增加，在3s時，大負載流量為零，小負載流量達到最大，系統有一定流量損失。大負載執行機構在流量下降過程中，執行元件出現運行緩慢，最后在3s左右完全停止運行

4 結論

①閥前補償系統在挖掘機單執行機構動作時運行穩定，在外負載波動的情況下，系統能夠快速復原運行狀態，執行機構運行速度幾乎沒有波動，穩定性好。

②挖掘機在非飽和工況下系統具有很好的流量分配功能，系統運行穩定，同時負載敏感系統的壓力只提供系統需求壓力，節能性能良好。

③在飽和工況下，挖掘機多執行機構同時運行，系統壓力裕度下降，基本與最大負載壓力相等，系統的壓力顯示不足，而隨著流量需求的加大，系統達到最大流量，大負載執行機構流量開始下降，小負載流量繼續增加，流量全部流向小負載執行機構，大負載流量為零，執行機構運行緩慢，最終停止運行。挖掘機需要避免這種工況的出現，保證系統穩定運行。

［1］王秀君，胡建軍，高偉政，等.負載敏感多路閥數學建模及分析［J］.液壓氣動與密封，2013（11）：15-17.

［2］張立杰，王力航，李德新，等.負載敏感閥前補償系統原理分析［J］.液壓與氣動，2015（7）：63-67.

［3］王炎，胡軍科，楊波.負載敏感泵的動態特性分析與仿真研究［J］.現代制造工程，2008（12）：84-87.

［4］徐志剛.負載敏感泵控系統流量控制方法研究［J］.液壓與氣動，2014（12）：51-54.

［5］李德新.挖掘機LS系統機液聯合仿真及抗飽和技術研究［D］.秦皇島：燕山大學，2015.

Characteristics Analysis of Load Sensitive System for Excavator Front Valve Compensation

Hu Xinle
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha Hunan 410083）

In order to study the dynamic characteristics of pre-valve compensation of load-sensitive system,the AMESIM numerical simulation model of load-sensitive pump and pre-valve compensation for multi-way valve is es?tablished.So that the dynamic characteristics of the system under different working conditions are analyzed and the cause of the saturation condition is analyzed.This provided a reference for the anti-flow saturation of the pre-com?pensated load-sensitive system.

load-sensitive system；pre-valve compensation；simulation；saturated flow

TU603

A

1003-5168（2017）08-0060-03

2017-07-03

胡鑫樂（1988-），男，碩士，研究方向：大型機械液壓系統研究與仿真分析。