裝載機負載敏感液壓系統優化設計及仿真分析

申慧君， 陶 柳

(四川省沖壓發動機先進制造技術工程實驗室， 四川 德陽 618000)

引言

隨著國民經濟的快速發展，液壓裝載機作為一類快速、高效的施工機械廣泛使用在各種工程建設領域，特別是在基礎設施建設中的作用尤為重要。我國工程機械行業發展規劃中把液壓裝載機作為重點發展產品，同時對裝載機的節能、高效、操作簡化和舒適等方面的研究，也被列為重點研發內容及關鍵技術。負載敏感壓力補償技術是近年來發展起來的一門新型技術，在改善操縱性、協調各機構同時動作、節能等方面都有顯著特點，和電子控制結合起來是將來機械液壓系統的發展趨勢[1-3]。

負載敏感系統具有節能和比例控制兩大優點，操作者可以通過控制方向閥的行程來控制2個或2個以上機構的速度，而不受負荷大小的影響，且不會有過多的能量損失。因此，負載敏感技術將是裝載機液壓系統的發展方向，但是負載敏感液壓系統中關鍵元件多路閥通過壓力補償閥設定兩側壓力差為彈簧力來穩定系統的流量，會造成一定的能量損失[4-6]。鑒于此，本研究提出了增加節能控制閥來降低多路閥補償壓差的節能負載敏感液壓系統，利用AMESim仿真軟件建立仿真模型并進行仿真分析研究。結果表明，在相同的工況下，改進后的負載敏感系統，能夠降低工作時多路閥的能量損耗，提高系統及元件的性能及使用壽命。結論對裝載機負載敏感液壓系統的節能及優化設計提供了理論參考。

1 改進負載敏感液壓系統工作原理及節能特性分析

1.1 工作原理

圖1給出了負載敏感液壓系統工作原理圖，其中圖1b為改進后的負載敏感液壓系統原理圖，其節能工作原理為，在負載敏感多路閥出口及泵流量調節閥之間串接1個節能控制閥，系統梭閥采集的系統最高工作壓力pLs先作用在節能控制閥右腔，出口壓力作用在節能控制閥左端。通過動態調節節能控制閥液阻開口的大小來降低反饋到泵出口流量調節閥的最高壓力，進而降低泵出口壓力即負載敏感多路閥進口的壓力，相同工況下多路閥進出口壓差減小。再通過增大負載敏感多路閥開口面積，使經過負載敏感多路閥的流量大小保持不變。此種控制方式降低了負載敏感多路閥的壓力損失，起到節能作用的同時維持泵的反應靈敏性和裝載機的操作性不變，降低了系統的能量損耗，提高系統工作效率的同時對系統及元件的使用壽命提升也有一定效益。

1.2 節能特性分析

為了便于對節能控制器節能作用進行分析，對圖1簡化后進行受力計算，簡化的液壓系統受力分析如圖2所示，圖中pL1，pL2為支路負載壓力，設定pL1>pL2；pn1，pn2為可變節流閥1，2的出口油壓；p1為泵的工作壓力；Δp為可變節流閥兩端壓差。閥后壓力補償器閥芯一端受可變節流閥出口壓力作用，另一端通過先導控制閥和最高負載壓力相作用，節能控制閥右端引入最高負載壓力，出口壓力一路作用在左端彈簧腔，一路引入至流量調節閥彈簧腔。流量調節閥左端作用于液壓泵出口壓力。根據系統組成和受力情況，進行如下分析計算。

1) 無節能控制器液阻降壓

以壓力補償閥11為例，如圖2a所示，閥平衡條件分別為[7]：

圖2 負載敏感液壓系統受力分析原理圖

(1)

(p1-pL1)A2=FT2

(2)

Δp=(p1-pn1)=FT2/A2-FT1/A1

(3)

式中，FT1—— 壓力補償閥11的彈簧力

FT2—— 流量調節閥彈簧力

A1，A2—— 分別為壓力補償閥11、流量調節閥的閥芯受壓作用面積

閥流量計算公式為[8-9]

Q=CdAΔpm

(4)

式中，Q—— 流量

Cd—— 流量系數

A—— 多路閥閥口通流面積

m—— 系數

將式(3)、式(4)代入閥功率損耗計算公式Pw=PQ可得壓力補償閥11的功率損耗公式：

Pw1=CdA(FT2/A2-FT1/A1)(1+m)

(5)

綜上可知，多路閥中壓力補償閥的功率損耗為其補償壓差(1+m)次方成比例，降低多路閥壓力補償閥的補償壓差能有效的降低多路閥能量損耗，流量越大，作用越明顯。

2) 增加節能控制器液阻降壓

以壓力補償閥11為例，如圖2b所示，閥平衡條件分別為：

(pn1-pL1)A1=FT1

(6)

(pL1-p3)A3=FT3

(7)

(p1-p3)A2=FT2

(8)

Δp=(p1-pn1)=FT2/A2-FT1/A1-FT3/A3

(9)

式中，p3—— 節能控制器彈簧腔壓力

FT3—— 節能控制器的彈簧力

A3—— 節能控制器閥芯受壓作用面積

此時，求得壓力補償閥11及節能控制閥能量損耗，如式(10)、式(11)所示：

Pw1=CdA(FT2/A2-FT1/A1-FT3/A3)(1+m)

(10)

Pw3=CdA3(FT3/A3)(1+m)

(11)

由式(10)、式(11)推導得出，壓力補償閥減少的能量損失：

PΔw1=CdA(FT3/A3)(1+m)-CdA3(FT3/A3)(1+m)

(12)

其中，A3為節能控制器的通流面積。因為節能控制器通過的為梭閥采集過來的控制油路，流量小，所以節能控制器產生的能量損失CdA3(FT3/A3)(1+m)近似為0，可以忽略不計。

綜上所述，改進后系統多路閥減少能量損失為：

PΔw1≈CdA(FT3/A3)(1+m)

(13)

2 AMESim建模及仿真分析

2.1 模型建立

根據改進的負載敏感液壓系統，利用AMESim軟件[10-11]建立系統仿真模型如圖3所示。

1.油箱 2.電動機 3.油泵 4.變量調節液壓缸 5.流量調節閥 6.壓力截止閥 7.穩流閥 8-14.多路閥 15-16.液壓缸 17.節能控制閥

2.2 參數設置

根據負載敏感液壓系統元件結構及工作原理，設定AMESim各主要模塊的參數如表1所示，其他參數保持默認。

(續表1)

2.3 仿真分析

1) 模型驗證分析

設定兩支路的輸入信號(A)如圖4所示：0～10 s內為-40 mA，仿真時間為10 s，仿真步長0.01 s，進行仿真運行分析。

圖4 換向閥輸入信號曲線

設定支路1外加負載F1在10 s內由0 N增加到25000 N，支路2外加負載F2在10 s內由0 N增加到15000 N。換向節流閥的開度設定相同，進行仿真，結果如圖5、圖6所示。

圖5 支路1多路閥主閥口流量及負載變化曲線

圖6 支路2多路閥主閥口流量及負載變化曲線

由仿真結果圖5、圖6可知：支路1外加負載在10 s內由0 N增加到25000 N，經過約2.3 s支路流量達到最大值74.3 L/min;支路2外加負載在10 s內由0 N增加到15000 N，經過約2.3 s支路流量達到最大值74.9 L/min。兩支路的流量基本一致，與負載無關，只與系統中多路閥閥口開度有關，證明了所建立模型的正確性和精確性。

2) 節能工況分析研究

為了保證壓力補償工作穩定性等性能，補償彈簧補償壓力值范圍一般為1～2 MPa[12-13]。本研究取液壓泵流量調節閥、壓力補償閥彈簧補償壓力值為1.53 MPa。將流量調節閥閥芯直徑d=5 mm代入壓力計算公式p=4F/πd2，計算得出壓力補償閥補償彈簧預緊力F=30.2 N。

設定支路1的工作負載恒為25000 N，支路2的工作負載恒為15000 N，換向閥節流口大小一致，壓力補償閥彈簧預緊力為30.2 N，節能控制器彈簧預緊力為0 N，即先不考慮節能控制器節能作用，設置仿真時間為10 s，進行仿真，結果如圖7、圖8所示。

如圖7所示為液壓泵出口、流量調節閥右端壓力及彈簧力變化曲線圖，從仿真結果可以發現，仿真開始時閥芯左右壓差存在輕微的震蕩，0.5 s之后趨于穩定，取仿真時間為3 s時仿真數據，在流量調節閥彈簧力為30.2 N時，泵出口壓力和流量調節閥右腔壓力差為1.53 MPa，仿真結果與理論推導所得結論一致，再次驗證了所建立仿真模型的精確性。

圖7 液壓泵出口、流量調節閥右端壓力及彈簧力變化曲線

如圖8所示為壓力補償閥11主閥口流量及功率損耗曲線圖，從仿真結果可以發現，仿真0.5 s之后流量和功率參數達到穩定，取仿真時間為3 s時仿真數據，流量穩定在72.9 L/min，功率損耗穩定在1.07 kW。

圖8 多路閥主閥口通過流量及功率損耗變化曲線

設定支路1的工作負載恒為25000 N，支路2的工作負載恒為15000 N，多路閥節流口大小一致，流量調節閥彈簧預緊力為30.2 N保持不變，節能控制器彈簧預緊力11.9 N，考慮節能控制器的節能作用，將節能控制器閥芯直徑d=5 mm代入壓力計算公式p=4F/πd2，得到在節能控制器上產生的壓降約為0.61 MPa，設置仿真時間為10 s，進行仿真，結果如圖9所示。

如圖9所示為考慮節能控制器節能作用后液壓泵出口、流量調節閥右端壓力及彈簧力變化曲線圖，從仿真結果可以發現，仿真開始時閥芯左右壓差存在輕微的震蕩，0.4 s之后趨于穩定，取仿真時間為3 s時仿真數據，在節能控制器彈簧預緊力為11.9 N時，流量調節閥左右腔壓力差為1.53 MPa，由于節能控制器的節能作用，泵的出口壓力降低了約為0.61 MPa。

圖9 液壓泵出口、流量調節閥右端壓力及彈簧力變化曲線

利用AMESim后處理功能得到考慮節能控制器節能作用后多路閥主閥口流量及多路閥閥口節約功率曲線如圖10所示，從仿真結果可以發現，仿真0.4 s之后流量和功率參數達到穩定，取仿真時間為3 s時仿真數據，流量穩定在72.9 L/min,節約功率穩定在0.78 kW。

圖10 多路閥主閥口流量及多路閥閥口節約功率曲線

綜合圖7～圖10所示，通過設定節能控制器彈簧力為11.9 N，壓力補償閥11主閥能量損失減少了0.78 kW，證明通過利用節能控制器的串聯液阻分壓作用，有效降低了多路閥的能量損耗。

3 結論

裝載機負載敏感液壓系統中通過壓力補償作用來維持多路閥前后壓差的恒定，補償壓差的存在會造成一定的能量損失，降低系統效率和元件的使用性能及壽命。鑒于此，本研究設計提出了增加節能控制閥串聯液阻分壓作用來降低多路閥補償壓差的節能負載敏感液壓系統。利用AMESim仿真軟件建立仿真模型并進行仿真分析研究。

本設計方案中，通過設定節能控制器彈簧力為11.9 N，壓力補償閥11主閥能量損失減少了0.78 kW。仿真數據表明，在相同的工況下，改進后的負載敏感系統，能夠有效降低工作時多路閥的能量損耗，提高系統及元件的性能及使用壽命，并且隨著系統流量及多路閥閥片聯數越多，效果越明顯。所得結論對裝載機負載敏感液壓系統的節能及優化設計提供了理論參考。