傳感器安裝位置對(duì)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響

劉杰

(1.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西太原 030006；2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西太原 030006；3.煤礦采掘機(jī)械裝備國家工程實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030006)

0 前言

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)是一種將壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的工作方式，常見的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)有：定量系統(tǒng)、恒壓變量系統(tǒng)、負(fù)載敏感系統(tǒng)等。負(fù)載敏感系統(tǒng)由于壓力、流量與負(fù)載的實(shí)時(shí)匹配性而作為工程機(jī)械特別是行走機(jī)械裝備的常用系統(tǒng)[1-5]。隨著智能化裝備的飛速發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)整套設(shè)備的自動(dòng)化工作，需使用各式傳感器以構(gòu)成系統(tǒng)閉環(huán)，其中液壓系統(tǒng)的壓力、流量等也是閉環(huán)系統(tǒng)中重要的監(jiān)測環(huán)節(jié)。

本文作者針對(duì)工程實(shí)踐中出現(xiàn)的負(fù)載敏感系統(tǒng)響應(yīng)遲滯故障，經(jīng)過排查分析與實(shí)驗(yàn)，探討傳感器在系統(tǒng)的不同位置對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響，以使不同工況選擇最優(yōu)的安裝位置。

1 負(fù)載敏感系統(tǒng)原理

圖1所示為負(fù)載敏感系統(tǒng)的簡化原理。其核心元件是負(fù)載敏感泵和負(fù)載敏感閥。負(fù)載敏感泵中包含負(fù)載反饋閥、壓力切斷閥、恒功率閥。由圖1可知：在負(fù)載反饋閥閥芯左端為LS口壓力+彈簧設(shè)定壓力，閥芯右端為泵出口壓力。由二力平衡可知：閥芯左端力等于閥芯右端力，因此泵出口壓力始終比LS口壓力大一個(gè)彈簧設(shè)定力，實(shí)現(xiàn)泵壓力隨反饋負(fù)載壓力的跟隨變化。

圖1 負(fù)載敏感系統(tǒng)原理

壓力切斷閥閥芯左端為彈簧設(shè)定壓力，閥芯右端為泵出口壓力。當(dāng)泵出口壓力大于彈簧設(shè)定壓力時(shí)，壓力切斷閥換向，油液推動(dòng)變量活塞動(dòng)作，減少斜盤傾角，切斷系統(tǒng)壓力。

恒功率閥閥芯左端為彈簧設(shè)定力，閥芯右端為變量杠桿機(jī)構(gòu)活塞力。當(dāng)功率未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，泵出口壓力推動(dòng)變量杠桿機(jī)構(gòu)使泵的斜盤傾角變大。當(dāng)變量杠桿機(jī)構(gòu)活塞力大于彈簧設(shè)定力時(shí)，恒功率閥換向，油液推動(dòng)變量活塞動(dòng)作，減少斜盤傾角，使系統(tǒng)的功率值不超過最大功率。

負(fù)載敏感閥在實(shí)際使用中為多路閥，由首片、中間片、尾片組成。其中首片有進(jìn)油口P、回油口R、負(fù)載反饋口LS；中間片有多路閥及測壓口X；尾片有泄油口T。多個(gè)中間片多路閥的油口壓力通過阻尼孔并經(jīng)梭閥篩選后到LS口。因此，LS口壓力即為整片負(fù)載敏感多路閥最大負(fù)載處的壓力，且流量較小，約為2 L/min。X口壓力取自單片中LS口的支路，可實(shí)現(xiàn)單片壓力的監(jiān)控，壓力流量和LS口相同，常用來連接壓力傳感器等測壓裝置。

2 故障現(xiàn)象與排查

目前研發(fā)的全自動(dòng)錨索鉆架可實(shí)現(xiàn)錨索的鉆孔、抓桿、接桿、拆桿全流程的自動(dòng)化操作，系統(tǒng)中集成了大量的傳感器用于閉環(huán)控制。但在設(shè)備調(diào)試過程中出現(xiàn)了夾鉗油缸響應(yīng)遲滯的現(xiàn)象。如果全系統(tǒng)中某一動(dòng)作遲滯，可能影響整體自動(dòng)化流程的實(shí)現(xiàn)。針對(duì)這一故障，進(jìn)行了相應(yīng)的排查。

步驟1，將整個(gè)系統(tǒng)循環(huán)動(dòng)作多次，調(diào)試操作2 d左右，通過不斷動(dòng)作將系統(tǒng)中的氣泡排出，減少因系統(tǒng)中存在氣泡而導(dǎo)致的響應(yīng)遲滯。

步驟1結(jié)果：夾鉗油缸響應(yīng)仍存在遲滯。

步驟2，將控制夾鉗的多路閥油口與控制回轉(zhuǎn)油缸的多路閥油口進(jìn)行更換，觀察現(xiàn)象。

步驟2結(jié)果：故障現(xiàn)象轉(zhuǎn)移，夾鉗油缸響應(yīng)遲滯現(xiàn)象消失，回轉(zhuǎn)油缸出現(xiàn)遲滯故障，可初步判斷油缸無故障，故障源于多路閥。

步驟3，油路恢復(fù)原狀，并更換多路閥上LS反饋油路的梭閥閥芯，觀察現(xiàn)象。

步驟3結(jié)果：夾鉗油缸響應(yīng)仍存在遲滯。

步驟4，拆除多路閥X口的壓力傳感器，觀察現(xiàn)象。

步驟4結(jié)果：系統(tǒng)恢復(fù)正常，夾鉗油缸遲滯現(xiàn)象消失。

通過以上步驟的排查，最終鎖定故障點(diǎn)源于多路閥X口的壓力傳感器，后續(xù)更換新的壓力傳感器，故障均再未出現(xiàn)。由于壓力傳感器對(duì)液壓系統(tǒng)的影響通常忽略不計(jì)，但針對(duì)此次故障現(xiàn)象，可通過進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)與分析查找根本原因，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)以全自動(dòng)錨索鉆架的夾鉗油缸為研究對(duì)象，使用液壓系統(tǒng)測試儀進(jìn)行測試，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場

實(shí)驗(yàn)前將整個(gè)測試儀及測試傳感器安裝在其他正常設(shè)備上，無遲滯現(xiàn)象，排除測試儀傳感器的誤差，再將測試傳感器連接在夾鉗油缸進(jìn)給的高壓管路上，實(shí)時(shí)監(jiān)測負(fù)載壓力流量。

實(shí)驗(yàn)一：恢復(fù)原系統(tǒng)連接順序，在多路閥上X口連接出現(xiàn)故障的壓力傳感器，循環(huán)動(dòng)作夾鉗操作手柄，測得實(shí)驗(yàn)曲線如圖3所示。

圖3 動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(故障傳感器)

如圖3所示，在0～0.6 s左右，壓力有一個(gè)上升臺(tái)階，流量為0，此時(shí)處于壓力建立階段，油缸無動(dòng)作；0.6～1.2 s，壓力和流量逐漸上升，油缸開始緩慢動(dòng)作；1.2～2.2 s，壓力和流量保持平穩(wěn)，油缸勻速動(dòng)作；2.2～2.7 s，油缸行程到位后憋壓，壓力上升，流量下降；2.7～3.2 s，手柄回歸中位置，流量壓力歸零；3.2～4 s為油缸回程，因此檢測壓力為回油壓力，流量為回油流量；4～4.7 s手柄處于中位，流量和壓力均為0；4.7～7 s，油缸重復(fù)第一階段的動(dòng)作，沒有出現(xiàn)上升臺(tái)階。

因此，第一階段的上升臺(tái)階是導(dǎo)致系統(tǒng)初始響應(yīng)遲滯的關(guān)鍵，開始階段由于壓力傳感器的影響導(dǎo)致初始建壓比較緩慢。而在動(dòng)作一個(gè)循環(huán)后，短時(shí)間內(nèi)再次動(dòng)作不再存在動(dòng)作遲滯。

實(shí)驗(yàn)二：在多路閥上X口處更換新的壓力傳感器，再次循環(huán)動(dòng)作夾鉗操作手柄，測得實(shí)驗(yàn)曲線如圖4所示。

圖4 動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(新傳感器)

由圖4可知：在多路閥的X口更換新傳感器后，整體動(dòng)作流程階段相同，系統(tǒng)初始動(dòng)作時(shí)也存在上升臺(tái)階。其中0～0.4 s壓力流量均為0，0.85 s后系統(tǒng)的壓力和流量才趨于平穩(wěn)，油缸勻速動(dòng)作。整體動(dòng)作比安裝故障傳感器時(shí)響應(yīng)快0.2 s。

實(shí)驗(yàn)三：將多路閥X口處的壓力傳感器拆除，更換堵頭，循環(huán)動(dòng)作夾鉗操作手柄，測試得到的實(shí)驗(yàn)曲線如圖5所示。

圖5 動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(堵頭)

由圖5可看出：在多路閥X口處安裝堵頭，此時(shí)系統(tǒng)初始動(dòng)作幾乎無響應(yīng)遲滯，不存在上升臺(tái)階。系統(tǒng)在0.3 s時(shí)開始動(dòng)作，0.7 s時(shí)壓力流量趨于平穩(wěn)。

綜合圖3—5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：在多路閥X口處安裝壓力傳感器，對(duì)系統(tǒng)確實(shí)存在影響。當(dāng)傳感器為新傳感器時(shí)，響應(yīng)時(shí)間為0.3 s，可忽略不計(jì)；但當(dāng)使用時(shí)間長或傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，響應(yīng)時(shí)間可達(dá)0.6 s，且1.2 s時(shí)才開始平穩(wěn)動(dòng)作，出現(xiàn)明顯的遲滯故障。

3.2 故障機(jī)制分析

常用的壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖6所示。油液通過阻尼孔到取壓器。取壓器中的條狀電阻可隨壓力變化而變化，并通過惠斯通電橋?qū)㈦娮璧淖兓糯鬄閴翰钭兓瑐魉椭磷兯碗娐贰翰钚盘?hào)在變送電路中經(jīng)過濾波、二次放大處理再由電氣接口進(jìn)行信號(hào)傳輸[6-8]。

圖6 壓力傳感器結(jié)構(gòu)

由于實(shí)驗(yàn)一至實(shí)驗(yàn)三中所有的響應(yīng)遲滯故障均出現(xiàn)在首次動(dòng)作時(shí)，所以壓力傳感器的電氣部分無重大故障，因此可判斷故障現(xiàn)象與壓力傳感器的阻尼孔有關(guān)。

查詢相關(guān)資料[9-12]，根據(jù)孔口流量公式：

(1)

式中：q為流經(jīng)小孔的流量，m3/s；Cd為流量系數(shù)；A0為小孔截面積，m2；Δp為小孔前后壓差，MPa；ρ為油液密度，kg/m3。

由圖6可知，壓力傳感器內(nèi)部相當(dāng)于有一個(gè)小腔體用于容納負(fù)載壓力油。在系統(tǒng)初始動(dòng)作時(shí)小腔體內(nèi)無油液存在。系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)多路閥LS口的油液通過壓力傳感器阻尼孔充滿傳感器小腔體，充滿的過程即為實(shí)驗(yàn)時(shí)的上升臺(tái)階。

根據(jù)公式(1)可知：在油液密度不變、流經(jīng)小孔的流量不變時(shí)，流量系數(shù)和小孔截面積影響小孔前后壓差大小即壓損大小，而流量系數(shù)取決于小孔的形狀。由于傳感器長時(shí)間使用以及油液中的細(xì)小顆粒磨損，導(dǎo)致壓力傳感器阻尼孔處形狀變化，從而使系統(tǒng)初始階段即上升臺(tái)階過程中壓損增大。

在動(dòng)作完一個(gè)循環(huán)后，壓力傳感器的取壓器、阻尼孔以及油缸、管路內(nèi)均已充滿油液，無需再進(jìn)行建壓，壓力傳感器為靜壓狀態(tài)。因此，短時(shí)間內(nèi)動(dòng)作第二次無遲滯現(xiàn)象。

3.3 改進(jìn)措施

根據(jù)上述分析，所有的壓力傳感器連接到多路閥X口均存在系統(tǒng)動(dòng)作初期的上升臺(tái)階過程。多路閥X口處流量約為2 L/min，為改善其初始階段的建壓性能，可提高測壓點(diǎn)處的流量，以彌補(bǔ)建壓損失，提高建壓時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)四：將夾鉗油缸A、B口與梭閥連接，然后串接原有故障壓力傳感器。循環(huán)動(dòng)作夾鉗操作手柄，測得實(shí)驗(yàn)曲線如圖7所示。可看出：此時(shí)壓力傳感器的測壓點(diǎn)為夾鉗油缸A、B口(流量約為8 L/min)，系統(tǒng)響應(yīng)變快，在0.4 s開始動(dòng)作，0.8 s后系統(tǒng)的壓力和流量趨于平穩(wěn)，油缸勻速動(dòng)作。此時(shí)原有故障壓力傳感器與實(shí)驗(yàn)二中新傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)接近。

圖7 動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(改變安裝位置)

4 結(jié)論

文中針對(duì)工程實(shí)踐中遇到的負(fù)載敏感系統(tǒng)響應(yīng)遲滯故障，通過故障排查、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、故障機(jī)制分析、改進(jìn)措施驗(yàn)證等方法進(jìn)行分析，最終結(jié)論如下：

(1)在負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)中，多路閥X口處連接壓力傳感器時(shí)，隨著使用時(shí)間增長和磨損增加，傳感器會(huì)影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)特性，遲滯時(shí)間最大可達(dá)0.6 s。其影響原因與傳感器阻尼孔磨損和負(fù)載反饋流量小有關(guān)。

(2)可根據(jù)不同的工況選擇不同的安裝方式：當(dāng)系統(tǒng)的傳感器監(jiān)測點(diǎn)不作為閉環(huán)控制中的一部分時(shí)，可將傳感器接多路閥X口，方便且節(jié)省空間；當(dāng)系統(tǒng)中傳感器監(jiān)測點(diǎn)需要與下一動(dòng)作形成閉環(huán)控制且對(duì)響應(yīng)時(shí)間有較高要求時(shí)，可將傳感器連接多路閥A/B口，系統(tǒng)響應(yīng)快但需增加使用元件和布置空間。