多機構負載敏感液壓系統沖擊耦合干擾抑制方法研究

金肅靜，張小環，靳浩偉，施俊文，李存良

(1.浙江省交通運輸科學研究院，浙江杭州 311305；2.長安大學公路養護裝備國家工程實驗室，陜西西安 710064；3.輕工業西安機械設計研究院有限公司，陜西西安 710086)

0 前言

負載敏感(Load Sensing，LS)液壓系統廣泛應用于工程機械等領域。單泵多執行機構回路并聯的設計，可以簡化液壓系統結構。負載敏感泵能夠感受系統壓力-流量需求，僅提供所需流量，實現節能。但負載敏感液壓系統并聯回路中，某一回路流量控制閥(Flow Control Valve，FCV)的快速閉合，會造成壓力沖擊，除了引發振動、噪聲，影響元器件使用壽命外，還會影響其他回路的正常工作。

為解決負載敏感液壓系統的壓力沖擊問題，葉鑫等人[1]針對混凝土泵送負載敏感液壓系統換向時產生的壓力沖擊，通過換向閥與蓄能器相互配合來吸收壓力沖擊，并在AMESim中仿真驗證了此方法的可行性；趙燕等人[2]采用三通流量閥來減緩汽車起重機液壓系統快速操作時產生的壓力沖擊，并通過仿真和整機測試驗證了方法的可行性；婁磊等人[3]針對螺旋鉆機回轉系統換向過程中產生的沖擊與振動問題，提出減小換向瞬間節流閥芯開口面積和采用雙節U形節流閥芯的方法，可以有效減小馬達換向時進油口的最大沖擊壓力和壓力波動幅值；王成賓和權龍[4]針對大負載液壓系統產生的壓力沖擊問題，提出一種主動降低液壓沖擊的方法，利用控制信號主動預測沖擊峰值壓力的出現時間，并以此調整可變阻尼孔的孔口面積，達到降低液壓沖擊的目的；趙小龍等[5]提出了一種“小閥芯、雙閥口”型三通壓力補償閥結構優化方案，對定量泵負載敏感液壓系統快速卸荷時產生的壓力沖擊進行抑制，并通過仿真和試驗驗證了該方法的有效性；張軍等人[6]采用比例插裝閥作為防沖擊閥來降低負載敏感液壓系統閥門關閉時產生的壓力沖擊；KIM等[7]為了減少壓力波動，將平行管路引入液壓管路中，并通過試驗和仿真證明了采用平行液壓管路可以有效地減小壓力脈動；LEE等[8]提出采用阻尼孔減緩液壓系統的沖擊，減緩沖擊的效果取決于阻尼孔的類型、尺寸、開口壓力以及通流速率。

本文作者通過建立負載敏感液壓系統液壓泵出口壓力的數學模型，分析沖擊壓力形成的原因及影響壓力沖擊峰值的因素，對比防沖擊(Anti Shock，AS)回路對于降低液壓泵出口壓力沖擊及減小回路之間耦合干擾的作用，為提高多回路并聯負載敏感液壓系統的工作穩定性提供參考。

1 單泵多執行機構LS液壓系統壓力沖擊與耦合的數值分析

1.1 單泵多執行機構LS液壓系統結構

圖1所示為同步碎石封層車中使用的單泵多執行機構LS液壓系統結構。

單泵多執行機構負載敏感液壓系統由負載敏感泵、壓力補償閥、梭閥、流量控制閥(FCV)以及執行元件(液壓馬達)組成。梭閥通過比對選取所有執行機構的最高負載壓力，并反饋到負載敏感閥的右側控制油口，與泵的出口壓力進行比較，調節負載敏感泵的排量僅提供系統所需的流量，液壓泵出口壓力與最高負載壓力的差值由負載敏感閥的彈簧設定。每一回路均設置有壓力補償閥，通過調節閥前液阻，保證流量控制閥前后壓差不變，可以獲得與FCV閥口過流截面面積成比例的穩定的液壓馬達轉速。壓力補償閥同時也是隔離回路之間相互干擾的重要元件。

理想情況下，壓力補償閥可以較好地隔離回路之間負載變化的干擾。實際工作中，壓力補償閥存在響應滯后，不能隔離回路之間及液壓泵出口的動態載荷干擾，某一回路工作參數的調整，會影響其他回路液壓馬達轉速的穩定性。

1.2 單泵多執行機構LS液壓系統穩態工況分析

根據油液的體積模量公式，建立圖1所示系統液壓泵與流量控制閥之間管路內的壓力模型：

(1)

式中：pp為液壓泵出口壓力；B為液壓油彈性模量；Vpl為液壓泵與流量控制閥之間的容積；Qv為進入液壓泵與流量控制閥之間管路內的凈流量；Qp為液壓泵出口流量；Qv1、Qv2分別為回路1和回路2的工作流量。

液壓泵的出口流量為

Qp=Qpt-Qps

(2)

Qpt=Dpωβ

(3)

(4)

式中：Qpt為液壓泵理論流量；Qps為液壓泵泄漏流量；Dp為液壓泵容積排量；ω為液壓泵轉速；β為液壓泵容積排量比；Cs為層流泄漏系數；μ為液壓油動力黏度；ptank為液壓油箱壓力，文中設定為0；Ks為變量泵流量泄漏系數。

流經流量控制閥的流量為

(5)

(6)

式中：Av為流量控制閥過流截面面積；xv為流量控制閥閥芯位移；ΔpFCV為壓力補償閥調定的流量控制閥兩端的壓差；ρ為液壓油密度；Cd為孔板流量系數。

當流量控制閥采用矩形開口時，出口流量與閥芯的位移成正比：

Qv1=Kv1xv1

Qv2=Kv2xv2

式中：Kv1、Kv2分別為流量控制閥的常數。

單泵多執行機構(文中以雙執行機構為例)LS液壓系統穩態工作時有：

(7)

式中：pm為設定的負載敏感壓差；pLS為梭閥反饋的負載壓力。

(1)回路1流量控制閥的過流截面面積為Av11且回路2流量控制閥的過流截面面積為Av21時，雙執行機構負載敏感液壓系統狀態參數為

(8)

式中：pl1、pl2分別為回路1、回路2的負載壓力。

(2)回路1流量控制閥關閉后，回路2穩定工作，則雙執行機構LS液壓系統狀態參數為

(9)

回路1流量控制閥關閉后，負載敏感泵的排量自動調節，只提供回路2所需的流量。

1.3 單泵多執行機構LS液壓系統沖擊耦合原因

假設回路1的流量控制閥關閉時過流截面面積線性減少，調整過程中負載敏感泵的排量也呈線性減小，則：

(10)

(11)

式中：kv為回路1流量控制閥的過流截面面積變化梯度系數；kβ為變量泵排量比變化梯度系數。

液壓泵排量比從β1調節到β0的過程中，液壓泵與流量控制閥之間的管路內產生的壓力沖擊值Δpp(t)的表達式為

(12)

負載敏感泵的響應速度是泵的設計制造參數，不可改變。液壓泵與流量控制閥之間管路內的壓力沖擊主要受流量控制閥關閉速度的影響。流量控制閥不同關閉速度下，液壓泵與流量控制閥之間管路內的流量沖擊峰值如圖2所示。

由圖2可以看出：回路1流量控制閥關閉越快，產生的壓力沖擊峰值越大；當回路1流量控制閥突然關閉(如快速切斷回路1流量控制閥的控制電流或突然手動關閉回路1的流量控制閥)，壓力沖擊峰值達到最大；沖擊壓力達到峰值以后，受液壓泵泄漏的影響，沖擊壓力逐漸降低；當回路1流量控制閥關閉速度慢于液壓泵的最快響應速度時，液壓泵的出口不存在壓力沖擊。

液壓泵出口出現壓力沖擊時，若壓力補償閥響應不及時，流量控制閥兩端的壓力不穩定，工作裝置的速度穩定性會受到影響。當系統中存在需要頻繁快速關閉的回路，且沖擊壓力峰值越大，這種影響越明顯。

2 單泵多執行機構負載敏感液壓系統防沖擊方法

2.1 影響沖擊壓力峰值的因素

從式(12)可以看出，影響壓力沖擊峰值的因素可分為三大類：變量泵的結構參數影響，人為的操作影響以及液壓系統中管路參數的影響。

(1)變量泵本身的結構參數由元件生產商工藝水平確定，一般不能修改。

(2)操作程序決定操作參數，緩慢操作流量控制閥，可以顯著降低泵出口的壓力沖擊峰值，但犧牲了回路操作的快速性。

(3)設計液壓系統時，可以對管道參數進行調整，如采用不同直徑、不同剛度、不同長度的管道以及在管路上添加阻尼孔等均可改變壓力沖擊峰值，也可以通過增加蓄能器、減振器來降低壓力沖擊，但是會影響系統動態特性。

考慮到壓力沖擊僅在流量控制閥突然關閉時產生，其本質是泵與流量控制閥之間管路內凈流量的增加所引起，能夠及時卸荷多余流量也是一種較好的選擇。

2.2 AS回路消除回路之間耦合的原理

多回路并聯的液壓系統中，回路之間操作通過影響液壓泵的出口壓力對其他回路的工作穩定性造成影響。防沖擊(AS)回路工作的原理是通過卸荷多余流量，降低壓力沖擊峰值，從而減小、直至消除回路之間耦合影響。系統結構如圖3所示。

AS回路設置在液壓泵的出口處，通過變量泵出口壓力和梭閥反饋的負載敏感壓力的差值來控制AS閥的啟閉。AS閥具有較高的響應頻率，開啟壓差略大于設定負載敏感壓差，當液壓泵的出口壓力與負載敏感壓力的差值大于AS閥的設定壓差時，AS閥開啟，多余流量從AS回路流入油箱。

理想情況下，排量調節過程中產生的多余流量可以通過AS回路卸荷完全消除，液壓泵出口不出現沖擊壓力。

3 建模仿真分析

在AMESim軟件中建立單泵雙馬達負載敏感液壓系統仿真模型，對比增設AS回路前后，液壓泵出口沖擊壓力，如圖4所示。

仿真參數如表1所示。雙執行機構共同穩定工作，5秒的時候快速關閉左側執行機構的流量控制閥，系統仿真結果如圖5所示。

表1 仿真模型主要參數設置

由圖4、圖5可知：

(1)未安裝AS回路(圖(4a))的單泵雙馬達負載敏感液壓系統在左側回路突然關閉的情況下，右側回路馬達轉速會短時間出現大幅度波動情況，回路之間存在較強的沖擊耦合影響；安裝AS回路(圖4(b))的單泵雙馬達負載敏感液壓系統中，右側回路馬達的轉速平穩，工作狀態幾乎未受到左側執行機構工作狀態突變的影響；

(2)防沖擊回路能在極短時間內卸荷多余流量，消除回路之間耦合的影響，且不影響液壓系統正常的工作過程。

4 結語

(1)通過理論分析單泵雙執行機構負載敏感液壓系統回路之間耦合干擾的原因，指出并聯的兩個回路中，某一回路流量控制閥突然關閉時，液壓泵與流量控制閥之間管路內凈流量增加，產生壓力沖擊，并導致另一回路流量的波動，影響速度穩定性。

(2)采用防沖擊回路的負載敏感液壓系統，能夠及時卸荷單泵多執行機構負載敏感液壓系統中液壓泵與流量控制閥之間管路內的多余流量，降低了壓力沖擊峰值，消除了調節過程中的相互影響，且不影響液壓系統動態特性和效率等。

(3)AMESim仿真結果驗證了防沖擊回路能夠顯著減小單泵多執行機構負載敏感液壓系統中回路之間的相互干擾。