（机械电子工程专业论文）平地机工作装置负载敏感系统研究.pdf

摘要 平地机是一种以铲刀为主，配以其它多种可换作业装置，进行土地平整和整形作业 的施工机械。近年来，液压系统负载敏感技术在工程机械领域中的应用越来越广泛，国 外平地机工作装置液压系统基本全部采用了这一技术，但该技术在国产平地机中的应用 还处于起步阶段。 本文通过对国产平地机工作装置目前所采用的液压技术与负载敏感技术的分析对 比，说明了使用负载敏感技术的必要性与其在节能方面的重要意义。在对平地机作业动 作特点与动作指标要求进行详细分析的基础上，针对1 9 0 马力平地机，提出了基于负载 敏感变量泵与负载敏感多路阀结构形式的平地机工作装置负载敏感系统方案，给出了液 压系统原理图。对液压系统参数进行了研究，提出用压力归一化的原则确定系统设计压 力并对液压缸缸径、行程、回转马达的排量、负载敏感泵排量及负载敏感多路阀的流量 等参数进行计算；对负载敏感液压泵及负载敏感多路阀等元件进行了选型。研究了负载 敏感系统的效率、负载对系统流量的影响及进行复合动作时流量分配等静态特性。在 a m e s i m 仿真软件平台上，对所设计的液压系统进行了建模和仿真，仿真结果表明此方 案合理可行。 关键词：平地机，工作装置液压系统，负载敏感，复合动作，压力补偿 a b s t r a c t a sc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y , t h em o t o rg r a d e ri su s e dt of o r ma n ds h a p et h er o a d s ，a i r p o r t s ， i r r i g a t i o na n dw a t e rc o n s e r v a n c y , w i t ha b l a d eo rm a n yo t h e rk i n d so fr e p l a c e a b l ew o r kt o o l s i nr e c e n ty e a r s ，t h el o a d - s e n s i n g ( l s ) h y d r a u l i ct e c h n i q u eh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l do f c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y , f o re x a m p l em o s tm o t o rg r a d e r sa b r o a da d o p tt h i sn e wt e c h n i q u e o n t h ec o n t r a r y , t h eu s eo fl st e c h n i q u ef o rm o t o rg r a d e r si no u rc o u n t r yi ss t i l li nt h ei n i t i a l s t a g e b yc o m p a r i n gt h et r a d i t i o n a lf i x e dh y d r a u l i cs y s t e mw i t hl ss y s t e mo fw o r k i n gt o o l s ， t h en e c e s s i t yo ft h el st e c h n i q u ea n di t si m p o r t a n c ei ne n e r g ye f f i c i e n c ya r ec o m p l e t e l y i n t r o d u c e d b a s e do nt h ec o n t r o ls y s t e mc o m p r i s i n gt h el sv a r i a b l ed i s p l a c e m e n tp u m pa n d m u l t i - c h a n n e lv a l v e ，ad e s i g no fh y d r a u l i cs y s t e ma n dt h es y s t e md i a g r a mf o r19 0m o t o r g r a d e ra r ep r o v i d e d t h e nt h eh y d r a u l i cs y s t e mp a r a m e t e r sa l es t u d i e da n d d e t e r m i n e du n d e r 一 t h eo p t i m i z e dp r e s s u r er a n g e ，i n c l u d i n gc y l i n d e rd i a m e t e ra n ds t r o k e ，d e l i v e r yc a p a c i t yo ft h e r o t a r ym o t o r , d i s p l a c e m e n to fl sv a r i a b l ep u m pa n df l o wo fl sm u l t i - c h a n n e lv a l v ee r e i n a c c o r d a n c ew i t ht h ec a l c u l a t e dp a r a m e t e r s ，t h el sv a r i a b l ed i s p l a c e m e n tp u m pa n dl s m u l t i c h a n n e lv a l v ea l e l e c t e d t h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i e sa r ed i s c u s s e d ，s u c ha st h e e f f i c i e n c yo f t h el ss y s t e m ，t h ei n f l u e n c eo fl o a do nt h es y s t e mf l o wa n dt h ef l o wd i s t r i b u t i o n d u r i n gt h ec o m p o u n da c t i o n t h es i m u l a t i o nm o d e lo fh y d r a u l i cs y s t e mi se s t a b l i s h e da n d s i m u l a t e di na m e s i m t h es i m u l a t i o nm s u l tv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t y k e yw o r d s ：m o t o rg r a d e r ；h y d r a u l i cs y s t e mo fw o r k i n gt o o l s ；l o a d s e n s i n g ；c o m p o u n d a c t i o n ；p r e s s u r ec o m p e n s a t i o n 长安大学硕上学位论文 1 i 引言 第一章绪论 平地机是土方工程中用于整形和平整作业的主要机械，广泛用于公路、机场、农 田等大面积的地面平整、挖沟、刮坡、推土等工作，是国防工程、矿山建设、道路修 筑、水利建设和农田改良等施工中的重要设备。 能源在国民经济中占有重要的战略地位，随着全球能源需求加剧，能源的合理利 用已成为全社会关注的焦点。随着全球石油价格的上涨，对于能源消耗的大户一工程 机械行业来说，节能技术是提高产品竞争力、降低使用成本的重要措施。 平地机的节能降耗途径和措施很多，如采用功率自适应控制1 1 】技术、发动机变功 率控制技术【2 1 、风扇节能技术【3 1 或负载敏感技术等。 负载敏感技术是近三十年来兴起的一项液压技术，它通过感应检测负载压力、流 量和功率变化信号，向液压系统进行反馈，实现与负载相适应的压力与流量控制，大 大减少了功率浪费，与传统液压系统相比，在节能方面具有显著的优势。国外的平地 机工作装置液压系统已经广泛采用负载敏感技术，而国内却仅有极少型号的平地机采 用此种技术，多数还在采用定量泵和传统的多路阀组成的双回路开式液压系统，该系 统存在速度准确性低、复合动作不理想，同时存在压力及流量损失等问题。 目前我国正处于大力发展区域经济，大规模进行基础设施建设的时期，平地机有 广阔的市场前景。设计出真正符合平地机施工要求，满足其工作装置速度控制的精确 性、理想复合动作的实现、高效性及节能性需求的负载敏感系统具有重要的意义。 1 2 国内外平地机技术发展现状 1 2 1 国外平地机主要品牌与技术特点 平地机已有1 0 0 多年的发展历史，最早是1 9 世纪后期在英国出现的拖式平地机； 2 0 世纪2 0 年代出现了自行式平地机；自2 0 世纪8 0 年代开始，平地机经历了从低速到 高速、小型到大型、机械操纵到液压操纵、机械换挡到动力换挡、机械转向到液压助 力转向再到全液压转向以及整体机架到铰接机架的发展过程，整机的可靠性、持久 性、安全性和舒适性都有了很大的提高。2 0 世纪8 0 年代后期，平地机开始采用机电液 一体化技术，逐步向自动化、智能化方向发展。世界上著名的平地机生产厂商主要有 1 第一章绪论 美国的卡特彼勒( c a t e r p i l l a r ) 、约翰迪尔( j o h nd e e r e ) 、凯斯( c a s e ) 、德莱赛 ( d r e s s e r ) ，日本的小松( k o m a t s u ) ，德国的0 & k ，瑞典的沃尔沃( v o l v o ) ，意大 利的菲亚特、阿里斯等。 国外平地机采用的新技术及发展趋势主要集中在：新型多档位变速箱、发动机变 功率控制技术、前轮液压驱动、自动巡航、自动找平、铰接式机架、工作装置负载敏 感技术、状态监测与故障诊断及电子监控等技术，产品可靠性耐4 1 。 图1 1c a t e r p i l l a r1 6 0 m 1 2 2 国内平地机主要品牌与技术特点 我国平地机行业起步于2 0 世纪6 0 年代，目前产品的技术主要来自国外。近年的 发展，多通过综合集成、类比设计，通过二次开发设计出的产品，企业缺乏自己的核 心技术和专有技术。国内平地机的主要生产厂商有徐工、鼎盛天工、常林、三一及柳 工等。 徐州筑路机械厂于1 9 9 8 年从仿制p y l 6 0 b 型开始，现已经能够批量生产两个系 列、多个动力档次的平地机，现主推k 、g r 系列的1 6 5 、1 8 0 、2 0 0 、2 1 5 及3 0 0 马力 平地机。其产品特点：采用铰接式车架，电液控制动力换挡变速箱，后桥为三段式驱 动桥，其中g r 3 0 0 平地机工作装置采用负荷传感液压系统【5 1 。 天津鼎盛天工工程机械股份有限公司参照前苏联样机于1 9 8 0 年试制出国内第一台 p y l 6 0 a 型机械式平地机。现在，“天工牌”平地机已经从8 0 - 2 8 0 马力的9 个动力档 次、1 8 个型号、5 0 多种配置的系列产品。 常林股份公司引进日本小松平地机技术，并于1 9 9 8 年生产出1 6 0 马力和1 9 0 马力 的平地机。目前，其主要产品有p y l 6 5 c 3 、p y l 9 0 c 3 和p y 2 0 0 c 3 。其平地机产品具 夕 长安大学硕士学位论文 有以下优点：轮边驱动采用小松技术双排滚子链条，平均断裂强度高；用单个齿轮泵 经分流阀向两个操纵阀供油，回转油路合流，既保证了各动作速度，又降低整个系统 能耗；为适应重载作业，刮板比一般平地机要厚3 0 ；在铲刀两侧特别设计边刃，能 更好地进行挖沟、路面表层剥离等作业；所有主刃、边刃均为双刃结构，当一侧刃口 磨损后，将刃板拆下后换一个方向重新装上即可用另一侧刃口进行作业【6 j 。 三一重工于2 0 0 0 年开始平地机的生产，在广泛吸收国内外平地机先进技术的基础 上，创新研制成功全液压平地机，将静液压传动技术应用于平地机的行驶驱动，具有 传动环节少、操作省时省力、无极变速、自动适应负载能力强以及便于实现自动控制 等特点，享有世界专利。 图1 2 三一重工p q l 9 0 1 i 平地机 1 3 平地机工作装置液压系统技术现状 平地机工作装置操作性能的优劣对工程施工效率有着很大的影响。目前平地机工 作装置基本上都选择液压操纵的型式；铲刀的悬挂方式、回转方式和变换切削角等都 是液压油缸或者液压马达操纵，机械式操纵已经被淘汰。 平地机的主要工作装置是安装在机身中部的铲刀，它是一个多自由度的刮平装 置。为了保证施工平整度，在平地机的运行过程中需要对铲刀的位置进行控制，以保 证刮出的路槽平整度符合要求。由于平地机的铲刀位置由多个油缸控制，每个油缸都 有单独的操纵手柄，所以在施工中，平地机操作手要根据实际工况不停的通过操作多 个手柄控制机器，以保证施工质量。这就带来了两个影响：一是对平地机操作手的经 验要求高，同时劳动强度大，二是平地精度无法进一步提高，施工效率低，在实际施 第一章绪论 工中除了操作手外，经常还需要配备一名测量员或是指挥员，协助操作手工作。 为了提高平地机的平整精度，减轻操作人员劳动强度和对操作人员的技术要求， 提高施工精度和施工效率，从而提高工程的施工质量和进度，需要设计出一种操作性 能好的平地机工作装置液压系统。 负载敏感液压技术的主要特点是液压系统本身能够根据负载压力或流量信号变化 的反馈进行工作特性的自适应性调节，在挖掘机、平地机等工程机械领域内已得到了 广泛应用。 文献【7 l 着重介绍了闭中心负荷传感节能控制系统的结构和工作原理以及在小松挖 掘机上的应用；文献【8 1 1 9 介绍了负载独立流量分配控制系统的基础理论，论述了负载 独立流量分配原理、系统的效率及流量调节原理，并对博世力士乐公司挖掘机的 l u d v 系统的主要元件：m 7 多路阀和a i1 v o 变量泵的工作原理进行了阐述；文献f l o l 提出了一种新型全液压平地机液压系统方案，并将负载敏感系统应用于平地机工作装 置液压系统上，节省系统功率，提高操作性能；文献j 介绍了徐工g r b 0 0 型大功率平 地机的主要技术参数、系统配置特点与结构特点等，主要对动力传动系统、液压系 统、电气系统及带有负荷传感技术的作业装置进行了介绍；文献【1 2 1 将负载敏感控制技 术应用于掘进机液压系统中，解决了传统液压系统结构复杂，能量损失大的缺点。 负载敏感系统功率损耗较低，效率远高于常规液压系统。高效率、功率损失小意 味着燃料的节省以及液压系统较低的发热量。且对于复杂的系统，它能够与电子操纵 系统联合工作，精确地控制和提供作业需要的液压动力。同时负载敏感系统提供了良 好的操作控制方式，简单可靠。并能以单泵供油，同时满足所需流量、压力不同的多 个回路、多个执行元件的工作要求。 在负载敏感系统技术的研发与应用方面，国外平地机产品与国产平地机相比具有 明显的优势：据调研国外品牌中具有代表性的卡特、沃尔沃、约翰迪尔、小松、纽荷 兰、特雷克斯和凯斯中的4 7 种不同型号的平地机全部采用了负载敏感技术 1 3 1 4 1 5 1 1 6 。 卡特彼勒平地机工作装置液压系统采用比例优先压力补偿液压系统，该系统泵采 用压力补偿、负荷传感变量柱塞泵，这种液压泵空转压力很低，意味着工作装置不动 作时系统待机压力低，能耗低，一旦感受到有负荷，这种液压泵只提供移动执行元件 所需要的流量和压力，再加上2 1 0 0 千帕的储存压力，这样液压系统发热较少，功率消 4 长安大学硕士学位论文 耗降低；多路阀采用中闭式并联多路控制阀，所有的控制阀中都内置了锁止阀，为协 调保持正确的刮板设定，有些控制阀中还组合了管路泄压阀，保护缸体防止压力过 高。当工作装置需要的流量大于泵的流量时，多路阀将按比例向各回路供油。该系统 允许两个或更多个工作装置同时工作【1 7 】【1 8 】。 沃尔沃平地机工作装置采用一种智能的封闭中心和载荷传感的比例需求装置；小 松平地机工作装置采用了闭式中心负荷传感系统。虽然各厂家采用的负载敏感系统形 式都有所不同，但是原理都是根据负载提供需要的压力和精确的液压油流量，来精确 的控制速度并实现节能的目的。 我国平地机工作装置传统液压系统中所采用的定量泵、齿轮泵与负载敏感系统中 所采用的负载敏感泵相比成本低廉，在成本影响下国内各厂商对负载敏感系统的研发 应用普遍持观望态度。以徐工、鼎盛天工、柳工、中联、常林、三一等为代表的主要 平地机生产厂家所生产的一系列不同型号的平地机中，带负载敏感系统的有徐工 g r 3 0 0 ，天工p y 2 8 0 g 和p y l 8 0 q 三种型号平地机。 多数厂家平地机工作装置液压系统还是采用双泵定量液压系统( 双联定量齿轮泵+ 两个整体式多路阀组成的双液压回路系统) ，这些系统原理基本相同。这种双泵定量 液压系统可以同时进行工作也可以单独工作，缺点是由于采用定量泵，流量只随发动 机转速的变化而变化，而不随外负载的变化而变化，所以能量利用率不高、速度控制 不精确。但是由于这种液压系统比较便宜、维修方便，所以在国内的平地机工作装置 液压系统中应用比较普遍。 口调查品牌总数 应用负载敏感技术的数量 国外品牌 国内品牌 图1 3 国内外平地机负载敏感技术应用对比 0 0 0 0 0 o 5 4 3 2 1 第一章绪论 表1 1 国外主要品牌平地机工作装置液压系统参数 型号液压系统类型液压泵类型液压泵输出流量系统最大压力 c a t e r p i l l a r ( 卡特彼勒) h 系列 1 2 h 1 5 5l m i n 2 1 0 0r p m2 4 1 5 0b a r 1 4 0 h 比例优先压力补偿系 1 5 5l m i n 2 1 0 0r p m2 4 1 5 0b a r 1 6 0 h负载敏感变1 5 5l m i n 2 1 0 0r p m2 4 1 5 0b a r 1 4 h 统 量柱塞泵 2 4 3l m i n 1 8 5 0r p m2 4 1 5 0b a r 2 4 h5 0 8l r a i n 2 0 0 0r p m2 4 1 5 0b a r 1 6 h 闭中心负载敏感 2 5 4l r a i n 2 0 0 0r p m2 4 1 5 0b a r c a t e r p i l l a r ( 卡特彼勒) m 系列 1 2 0m1 5 1l m i n 2 1 5 0r p m 2 4 1 5 0b a r 1 2m1 9 3l m i n 2 1 5 0r p m 2 4 1 5 0b a r 1 4 0m 闭心式电子液压负载 2 1 0l m i n 2 1 5 0r p m 2 4 1 5 0b a r 1 6 0m 感应 变量柱塞 2 1 0l m i n 2 1 5 0r p m 2 4 1 5 0b a r 1 4m2 8 0l m i n 2 1 5 0r p m 2 4 1 5 0b a r 1 6m2 8 0l m i n 2 15 0r p m 2 4 1 5 0b a r 2 4m5 5 0l m i n 2 1 5 0r p m 2 4 1 。5 0b a r v o l v o ( 沃尔沃) g 9 0 0 系列g 9 3 0 g 9 4 0 g 9 4 6 g 9 6 0 g 9 7 0 g 9 7 6 g 9 9 0 闭心式，载荷传感比 2 0 8 1 p m ( 5 5 9 p m ) 2 1o o g 9 0 0 系列轴向柱塞 2 0 7 b 盯 例需求流量液压系统 印m j o h nd e e r e ( 约翰迪尔) d 系列平地耖6 7 0 d 6 7 2 d 7 7 0 d 7 7 2 d 8 7 0 d 8 7 2 d 闭中心、压力补偿负 d 系列变量柱塞泵 2 0 7l r a i n 2 0 0 0r p m1 9 0 b a r 载敏感系统 c a s e ( 凯斯) 8 4 5d h p定量齿轮泵 1 9 1 5l m i n 2 2 0 0r p m 8 6 5v h p闭中心负载敏感系统负载敏感变 18 7l r a i n 2 2 0 0r p m， 8 8 5量柱塞泵 18 7l m i n 2 2 0 0r p m n e wh o l l a n d ( 纽荷兰) r g l 4 0 b1 9 1 5l m i n ( 最大流量) 1 7 9 b a r l m l 7 0 b 闭中心负载敏感变量柱塞泵 1 8 7u m i n ( 最大流量) 1 9 0 b a r r g 2 0 0 b1 8 7l m i n ( 最大流量)1 9 0 b a r k o m a t s u ( 小松) 2 0 5l r a i n 2 0 0 0 r p m2 0 7 b 缸g d 5 5 5 3 闭心式、比例流量负 变量柱塞泵1 9 4l r n i n 1 9 0 0 r p m2 0 7 b a rg d 6 5 5 - 3 载敏感液压系统 g d 6 7 5 - 31 9 4l r a i n 1 9 0 0 r p m2 0 7 b a r o & k t g l l o1 0 4l m i n ( 最大流鼍) 1 8 4 b a r ( 工作压力) t g l 5 0 负载敏感系统 负载敏感轴 9 9l m i n ( 最大流蹙) 1 8 4 b a r ( 工作压力) t g l 9 0向柱塞泵9 9l m i n ( 最大流量) 1 8 4 b a r ( 7 - 作压力) t g 2 1 09 9l m i n ( 最大流量) 2 0 5 b a r ( 工作压力) 6 长安大学硕士学位论文 1 4 课题的意义及论文的主要研究内容 本课题将负载敏感技术应用于平地机工作装置液压系统，对负载敏感系统进行分 析并设计真正符合平地机施工要求的工作装置负载敏感系统，达到节约能源、提高控 制精度，实现理想的复合动作，提高平地机的作业生产率。 本论文的主要内容如下： ( 1 ) 针对1 9 0 马力平地机，提出基于负载敏感变量泵与l u d v 负载敏感多路阀结构 形式的平地机工作装置负载敏感系统方案，给出液压系统原理图； ( 2 ) 对液压系统参数进行研究，提出压力归一化的原则确定系统压力，对液压缸缸 径、行程、回转马达排量、负载敏感变量泵排量及负载敏感多路阀的流量等参数进行 计算，使之合理匹配： ( 3 ) 对负载敏感变量泵及负载敏感多路阀等元件进行选型； ( 4 ) 研究负载敏感系统的效率、负载对系统流量的影响及复合动作时流量分配等静 态特性； ( 5 ) 在a m e s i m 仿真软件平台上，对所设计的液压系统进行建模和仿真，验证方案 的可行性与合理性。 7 第二章1 9 0 马力平地机丁作装臂负载敏感系统方案研究 第二章 19 0 马力平地机工作装置负载敏感系统方案研究 目前国产平地机还在大量采用的双定量泵加多路阀的双回路定量液压系统，存在 能耗高且执行机构速度难于精确控制等缺点。负载敏感技术具体方案较多，本章讨论 常用负载敏感技术形式及其优缺点，并提出适合1 9 0 马力平地机工作装置的负载敏感 液压系统方案。 2 1 负载敏感系统的分类与工作原理 负载敏感技术是一种利用液压泵出口压力与负载压力之间的差值来控制和调节液 压泵输出流量的技术，是在开环的液压传动回路中实现的一种压力闭环控制液压泵的 方式。 负载敏感系统通常由负载敏感控制器、节流元件( 有时是换向阀的阀口) 以及液 压泵组成。负载传感控制器在感知液压泵输出流量与负载所需流量的匹配程度或节流 元件两端压力变化后，发出相应的控制指令，以改变液压泵的流量输出，从而使液压 泵输出流量与负载所需流量相匹配。或者，当节流元件出口压力由于负载力变化时而 变化，负载敏感控制器相应调节液压泵的排量，使经过节流元件的流量保持不变，从 而使执行元件运动速度不随负载力变化而变化。 根据负载敏感系统所采用的液压源类型，可以将负载敏感系统分为开中心系统 ( o p e n e dc e n t e rl 0 a ds e n s i n gs y s t e m ，o l s s ) 和闭中心系统( c l o s e dc e n t e rl o a d s e n s i n gs y s t e m ，c l s s ) 两种。开中心系统采用输出恒定流量的油源供油，譬如工作时 转速恒定的定量泵。而闭中心系统通常采用输出流量随负载需要而变化的油源供油， 譬如通过改变排量实现输出压力适应负载需求的变量泵或者通过改变原动机转速实现 输出流量按需要变化的变频电机+ 定量泵组合。 根据负载信号的传递方式，可以将负载敏感系统分为机液敏感和电液敏感两种。 机液敏感方式下，负载信号的提取是通过多层次高压优先梭阀网络的选择来完成，信 号的传递是由流体管道完成。而电液敏感方式中，负载信号的提取通常是由一组压力 传感器及相应的电信号处理部分完成，信号的传递也是以电信号的形式实现。 2 1 1 开中心负载敏感系统 ( 1 ) 开中心负载敏感系统的结构 8 长安大学硕上学位论文 如图2 1 所示，此类系统包括定量泵l 、系统总进口压力补偿器2 ( 定差溢流型压 力补偿器或称三通压力补偿器) 、各联阀的进口压力补偿器3 ( 定差减压型压力补偿器 或称二通压力补偿器) 、可变节流器4 和梭阀网络【1 9 】1 2 0 。 卜定量泵2 一定差溢流阀3 一定差减压阀4 一可变节流阀5 一梭阀6 一限压阀7 一梭阀8 一系统限压阀 图2 1 开中心负载敏感系统 ( 2 ) 定差溢流型压力补偿器与定差减压型压力补偿器的工作原理 狲守船嗵产 图2 2 a 定差溢流型压力补偿器 图2 2b 定差减压型压力补偿器 定差溢流型压力补偿器( 如图2 2 a 所示) 的溢流压力( 即泵出口压力) 是随负载压 力的变化而变化的，并且始终比负载压力高出一固定值( 由弹簧力调定) ，达到保持 最高负载油路上节流阀前后的压差，从而达到稳定最高负载油路流量输出的目的。 定差减压型压力补偿器( 如图2 2 b 所示) 为串联型压力补偿器，一般位于节流阀 的上游。当负载压力变化时，保持节流阀前后压差恒定，其值由弹簧力确定，于是通 过节流阀的流量保持相对恒定。 定差溢流型压力补偿器与定差减压型压力补偿器相同点是都具有压力补偿的作 用，都属于阀控调速类，都不可避免的有节流损失。不同点是定差减压型压力补偿器 9 第二章1 9 0 马力平地机工作装置负载敏感系统方案研究 无论安装在执行元件的进油路上或者回油路上，执行元件上负载变化时泵出口处压力 是由溢流阀保持不变的，而定差溢流型压力补偿器泵出口压力是随着负载压力的变化 而变化着的；定差溢流型压力补偿器用于定量泵系统，定差减压型压力补偿器既可以 用于定量泵系统，也可以用于变量泵系统【2 1 1 。 ( 3 ) 开中心负载敏感系统的工作原理 通过多层次高压优先梭阀网络的选择，各执行器实时最高压力被引导至定差溢流 型补偿器的敏感腔，使泵的出口压力比任一时刻系统的最高压力高一定值( 由定差溢 流型压力补偿器调压弹簧确定) 。 换向阀处于中位时，负载压力为零，定量泵输出流量经定差溢流型压力补偿器流 回油箱，泵的出口压力为定差溢流型压力补偿器调压弹簧产生的压力。 换向阀处于工作位时，负载变化时，各联上的定差减压型压力补偿器保持减压阀 出口到换向阀出口间的压差恒定。改变节流器4 的开度可以在一定范围内改变换向阀 阀口压差，从而改变每个执行器的最大流量。 一 ， 当多个执行机构同时动作时，泵的出口压力仅比系统的最高压力高一定值，在负 载压力低的执行机构液压回路，不能保证节流阀两端的压差恒定，这时定差减压型压 力补偿器起作用，保持每联上的节流阀前后压差恒定，流量基本不变，避免压力相互 扰动。 2 1 2 闭中心负载敏感系统 ( 1 ) 闭中心负载敏感系统的结构 如图2 3 所示，此类系统包括变量泵1 、各联的进口压力补偿器4 ( 定差减压型压 力补偿器) 、可变节流器5 和梭阀网络。此系统的功能与开中心系统相同，只是用一 台压差调节泵代替定量泵和三通压力补偿器。 1 0 长安大学硕上学位论文 1 变量泵2 - 系统限压阀3 压力流量敏感阀4 定差减压阀5 可变节流阀6 梭阀7 限压阀8 梭阀 图2 3 闭中心负载敏感系统 ( 2 ) 闭中心负载敏感系统的工作原理 利用梭阀网络，将系统最高负载压力引导至泵的压力流量敏感阀的敏感腔，通过 自动调节泵的排量，使泵的出口压力与系统的最高负载压力保持一定的差值p 。，其大 小由压差弹簧决定倒。 换向阀处于中位时，供油油路被切断，油液发生堵塞，压力迅速升高，而此时系 统的最高负载压力为零。当泵的出口压力达到并超过压差弹簧调定压力p d 时，敏感阀 阀芯向左运动，压力油流向斜盘控制油缸，推动活塞向右运动，使泵的排量减小，直 到泵的出口压力稳定在p d 值。此时，泵的输出流量很小，仅满足系统内部泄漏的需 要，而敏感阀阀芯处于中位位置，此称为低压等待状态。 当执行机构的换向阀开启时，压力流量敏感阀的敏感腔与供油油路相通，由于此 时管路的流量仍为零，敏感腔压力与泵的出口压力相等，敏感阀阀芯在压差弹簧作用 1 1 第二章1 9 0 马力平地机工作装置负载敏感系统方案研究 下偏离中位位置向右运动，使得斜盘控制油缸的左腔与油箱连通，控制活塞在回复弹 簧力作用下向左运动，泵的排量逐渐增大，油泵开始向执行机构供油。 当执行机构开始运动时，随着流量的增大，节流阀阀口两端产生较大的压力降， 于是在压力流量敏感阀的敏感腔与泵的出口之间形成一定的压力差。当压力差偏小 时，补偿阀阀芯位于中位偏右位置，斜盘控制油缸在弹簧力的作用下向左运动，泵的 排量不断增大，出口压力逐渐提高；当压力差偏大时，敏感阀阀芯位于中位偏左位 置，斜盘控制油缸在压力油压力作用下向右运动，泵的排量不断减小，出口压力逐渐 降低；只有当压力差等于压差弹簧设定值p 。时，阀芯位于中位位置，泵的排量保持不 变。 由于节流阀两端压差稳定，因此流经节流阀的流量与其阀口开度成正比，而且不 受负载变化的影响。即泵的输出压力和流量与负载相适应。 在多个执行器同时动作时，为避免各执行机构之间的压力扰动，闭中心系统也需 要在各联上配置定差减压阀，以保持每一联上的节流阀进出口压差恒定。 当执行机构运动到极限位置时，管路流量降为零，此时敏感腔压力与泵的出口压 力相等，敏感阀阀芯在压差弹簧推动下向右运动，致使泵的排量增大，压力进一步提 高。当泵的出口压力达到泵内系统限压阀设定值p 一时，系统限压阀开启，压力油进 入控制油左腔并推动活塞向右运动。此时，泵的排量迅速下降，其出口压力等于泵内 限压阀设定的最高压力。因此，泵处于高压等待状态，虽然压力高，但流量很小，因 而能量损失较小。 根据压力补偿阀在主阀前后的位置，又可以将负载敏感系统分为初级负荷传感系 统( l s ，也就是通常所说的阀前压力补偿，图2 4 a ) 和次级负荷传感系统( l o a d i n d e p e n d e n tf l o wd i s t r i b u t i o n ，阀后压力补偿，即l u d v 系统如图2 4 b ) d - 3 1 1 2 4 。 1 2 长安大学硕上学位论文 1 泵2 换向节流阀3 压力补偿器4 梭阀5 液压缸6 流量调节器 图2 4 a 阀前压力补偿系统图2 4 b 阀后压力补偿系统( l u d v ) 2 1 3 各负载敏感系统的优缺点对比分析 开中心负载敏感系统的优点：换向阀处于中位时，泵输出液压油压力低；执行器 启动恒定与负载压力无关；不同工作压力的几个阀可以同时工作，控制灵敏度高。缺 点：泵始终以1 0 0 流量输出，因此系统有较多的溢流损失；泵的出口压力与最高负载 压力相适应，低负载处有节流损失，能量利用率不是很高。 闭中心负载敏感系统的优点：在零位，没有阀动作，泵的倾角几乎为零，仅补偿 系统泄漏损失。任何一联离开中位时，泵的出口压力始终比最高负载压力高出控制所 需要的压差。即泵总是仅以所需要的负载压力输出所需要的流量。因此，这类系统能 量利用率比开中心负载敏感系统要高1 2 5 1 。 阀前压力补偿的缺点：当多个执行器同时动作时，若各操纵杆都在大开度下工 作，各执行器总流量需求往往会超过泵的供油流量，即出现所谓的流量饱和，这时由 于并联供油，压力油首先供给低压执行器，满足低压执行器的需要，流经低压操纵阀 的压力降能达到压力补偿，其压力补偿阀能起控制流量作用。即泵流量不足时首先保 证供给低压执行器，多余下来的油才供给高压执行器，此时流向高压执行器操纵阀的 流量不足，达不到压力补偿阀起作用的压力，高压执行器动作速度降低，甚至不动。 此时达到补偿压差的低压执行器，可由其操纵阀行程来控制其速度，达不到补偿压差 的高压执行器，不能用操纵阀来控制其运动。 1 3 第二二章1 9 0 马力平地机工作装置负载敏感系统方案研究 l u d v 系统的一大优点：当执行器所需流量大于泵的流量时，系统会按比例将流 量分配给各执行器，各执行器按比例减少速度，而不是流向轻负载的执行器，不会有 任何执行器停止工作。l u d v 系统可以检测出负载的压力，使泵的供油压力始终高出 负载压力一个较小压差，泵能自动调节并输出与负载速度要求相适应的流量，而与负 载大小无关，实现泵输出功率与负载需要的匹配，极大提高了系统的效率，达到了节 能的目1 拘 2 6 1 。 2 2 传统的平地机工作装置定量节流调速系统分析 平地机工作装置定量节流调速液压系统的作用是通过液压缸控制平地机的作业装 置，如铲刀，推土板，松土器等，完成平地机的作业功能。平地机工作装置定量节流 调速液压系统主要包括左右提升油缸，铲刀摆动油缸，铲角变换油缸，铰接转向油 缸，前轮倾斜油缸，推土板油缸，松土器油缸等。 工作装置定量节流调速液压系统主要由一个双联齿轮泵和两个五联多路换向阀组 成的双液压回路( 如图2 6 所示) ，主要包括定量泵1 、五联多路换向阀2 、板式双向 平衡阀3 、管式双向平衡阀4 、油缸5 及回转马达6 ；双液压回路中，一组执行右铲刀 提升油缸、铲刀引出油缸、铲角变换油缸、推土板油缸、铲刀回转，另一组执行前轮 倾斜油缸、松土器油缸、转向油缸、铲刀摆动油缸、左铲刀提升油缸。 系统压力由多路阀内部的溢流阀来控制，压力设为1 8 0 b a r , 五联多路换向阀滑阀 机能为“o ”型，中立位置为常开式，液压油通过阀内部油道经回油管道回油箱。当扳 动一个或两个操纵阀时，液压油打开单向阀进入相应的液压缸或者液压马达，单向阀 的作用是限制工作装置的液压油倒流到油箱，以保证液压系统的正常工作。 安装在铲刀倾斜、前轮倾斜和两个铲刀升降油路上的双向液压锁，能防止由于机 器本身重量和负载所造成的位移，保证了行车安全和铲刀作业精度。安装在铲刀升降 油缸活塞杆腔油路上的双向液压锁中的单向节流阀，在铲刀下降时起运动平稳的作 用。铲刀回转装置是由液压马达加涡轮蜗杆传动组成。 这种定量节流调速液压系统技术已经成熟，且成本低廉，维修方便所以得到广泛 的应用，然而该定量系统还存在以下缺点： ( 1 ) 功率损失大 1 4 长安大学硕t 学位论文 这种定量节流调速液压系统采用的进油路节流调速原理，功率损失不但有溢流功 率损失还有节流功率损失。 平地机工况多变，当负载压力变化时各执行元件的速度将发生变化，而系统采用 定量泵，只能通过改变节流口的通流面积，增加小负载处液阻来保持执行元件的运动 速度基本不变，进而造成节流口前后压力的损失；并且靠操作者的经验来操纵换向阀 阀芯位移是不精确的，速度也不能精确控制。 系统最高压力是由液压系统中的溢流阀设定的，系统的压力是由负载决定的，当 负载压力达到溢流阀设定压力时，液压泵近乎全部的流量都通过溢流阀流回油箱，导 致极高的流量损失，造成功率浪费，系统发热，元件老化，成本增加。 ( 2 ) 操作性能不好 系统采用六通多路阀对油路进行控制，操纵阀的结构原理如图2 5 a 所示。当操纵 阀处于中位时，泵出口压力油p 直通油道和各阀，最后回油箱；当操纵阀从中位向左 位或者右位移动，p 到d 的开口逐渐关小，p 到a 口和b 到t 口逐渐开大。 易 艇 图2 5 a 操纵阀结构原理 图2 5 b 流量与阀杆行程关系 图2 5 b 所示，曲线l 表示低负载，曲线2 表示高负载。当滑阀行程一定，负载压 力增大，去油缸的流量减小。随着负载压力的增加和液压泵流量的减少，阀杆调速的 死区( 空行程) 增大，而阀杆有效调速范围的行程减少，调速特性曲线变陡。阀杆行 程稍有变化，流量变化却很大，使调速操作性能差，微调控制困难。 ( 3 ) 复合动作不理想 定量节流调速系统采用双定量泵向系统供油，当复合动作是由两个泵单独供油时， 可以实现复合动作；当复合动作是由单泵供油时，由于并联油路流量和负载成反比， 液压油首先流向轻负载，需要对轻负载执行器的控制阀杆进行节流，而平地机各执行 器的负载时刻在变化，又要合理的分配流量，相互配合实现所需要的复合动作比较困 1 5 一 第二二章 1 9 0 马力平地机i 作装置负载敏感系统方案研究 = _ 二= 二= _ = _ 难，操作性能很差。 由以上分析可知，此种平地机工作装置液压系统在操作性能等方面存在的不足限 制了平地机作业效率的进一步提高，用一种新的技术加以解决已成为该系统发展的趋 势。 1 6 长安大学硕上学位论文 _ 一 1 定量泵2 五联多路换向阀3 板式双向平衡阀4 - 管式双向平衡阀5 一油缸6 - 回转马达 图2 61 9 0 马力平地机工作装置定量节流调速液压系统 1 7 第二章1 9 0 马力平地机工作装置负载敏感系统方案研究 2 3 平地机工作装置负载敏感液压系统方案 参考国外平地机负载敏感作业系统的基本形式，针对1 9 0 马力平地机，采用基于负 载敏感变量泵与负载敏感多路换向阀组成的系统，选用较为先进的l u d v 系统，它具有 节省功率、发热少的优点，负载敏感多路阀的主要特点是对各种动作能预选最大流 量，且操作性能好的特点。 博世力士乐是著名的液压元件制造商，其液压元件性能可靠，品种系列全，广泛 用于各种工程机械。本方案选择力士乐品牌的液压元件。 2 3 1 负载敏感液压泵 负载敏感变量泵采用力士乐a ii v o 变量泵，并选装d r s 负载敏感控制功能，如图 2 7 所示。 x ， ： ； ； ( 1 ) ；z - ： b 迈矿1 | ： ， 二k - r - - ! - ： ；。梦亘压； l - - jl - i ： l ： m a 6 一 ! 。j山： _ - _ 一il 一洽十1 l 附1 3 l 夫h龟怎。v 删i 耶、翠i ：。 l - 流量调节阀2 系统限压阀3 变量液压缸 图2 7a i i v o 变量泵液压原理图 a i1 v o 液压泵的工作原理【2 7 】： 负载压力通过x 口将负载压力反馈到流量调节阀的左端，通过负载压力与弹簧压 力之和平衡泵的出口压力，进而调节变量液压缸的位移来控制泵的排量，使之适应执 行器的需要。 1 8 长安大学硕上学位论文 泵的流量受装在泵与执行器之间的节流阀的影响，但在低于设定压力的整个范围 内不受负载压力的影响。 流量调节阀比较节流阀上游和下游的压力并保持压差恒定p ( p 由流量调节阀上 的弹簧调定，这里设定为l o b a r ) ，从而维持泵的流量保持恒定。如果压差增大，则泵 排量减少，如果压差减小，则泵的排量增大，直到在阀中恢复平衡。 泵输出的压力只与最高负载压力相适应，对于其他负载压力较低的回路采用压力 补偿器，使节流阀前后压差继续保持定值。 系统限压阀用来控制系统的最高压力，且优先于流量调节阀，即低于设定压力时 负载传感功能工作。 a 11 v o 液压泵的特性： ( 1 ) 斜盘结构轴向柱塞变量泵用于开式回路液压传动； ( 2 ) 主要用于工程机械领域； ( 3 ) 泵在自吸条件下，油箱加压或带升压泵( 离心泵) 工作； ( 4 ) 可提供多种变量机构用于不同的控制和调节功能； ( 5 ) 即使机器运转时也可经外部来设定功率控制； ( 6 ) 该泵可带有通轴驱动以承装齿轮泵或直到相同规格的轴向柱塞泵( 1 0 0 通轴 驱动) ； ( 7 ) 输出流量与驱动转速及泵排量成正比，并可在最大与零之间无极变化。 2 3 2 负载敏感多路阀 多路阀选择s x l 8 型与负载压力无关的流量分配多路阀( l u d v 阀) ，如图2 8 所示。 1 9 第二章1 9 0 马力平地机工作装置负载敏感系统方案研究 a b b l l - i li i卜。- 1 上iv - ，( l l 一 ： l it l t l i i 却一1 i r - 。 艄 _ l l ：i x f 阻irt 。 丫 一l 。i - p , i ， l i l 一 - i _ _ - i 岫 pl s t 图2 8s x l 8 型l u d v 阀 s x l 8 型l u d v 阀的工作原理【2 8 l ： 如上图所示，p 口接液压泵，a ，b 口接先导压力油，通过手柄控制先导压力油的 大小和方向，a 、b 口通向工作装置马达或者油缸，t 口接油箱，l s 口油路压力为最大 负载的压力。 当两个换向阀同时工作时，液压油通过换向阀后经过内部油道进入压力补偿器的 右端( 即换向阀的出口压力) ，而l s 油路压力作用于压力补偿器的左端。这里假设负 载1 的压力大于负载2 的压力，则l s