（机械设计及理论专业论文）负载敏感液压系统抗流量饱和控制技术研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 负载敏感系统是在工程机械领域应用较为广泛的一种节能型液压系统，而且一般采 用单泵驱动多执行器的工作模式。在负载敏感系统处于流量饱和状态时，各执行器的流 量分配就会受到负载的影响而不再与主阀开度成比例，从而对工程机械的操纵性产生较 大影响，因此有必要对系统高速复合动作时的分流控制进行研究。 本文以大连理工大学与上海金研机械制造有限公司合作开发的3 0 吨海洋平台起重 机为工程实例，对负载敏感系统的分流控制进行了深入研究，主要工作如下： ( 1 ) 分析了多执行器负载敏感液压系统的原理，并根据实际工况要求对3 0 吨海洋 平台起重机的液压系统进行了设计； ( 2 ) 基于a m e s i m 对系统中关键液压元件，如负载敏感阀、压力补偿阀等进行建 模，在此基础上建立了海洋平台起重机负载敏感液压系统的仿真模型，并通过在3 0 吨 海洋平台起重机上进行的试验验证了仿真模型的正确性； ( 3 ) 通过仿真的方法再现了负载敏感系统的流量饱和状态，研究了系统在该状态下 的特征，旨在说明流量饱和状态下系统的流量分配受负载的影响，不再与主阀开度成比 例，并分析了此状态下流量不能按比例分配的原因； ( 4 ) 提出了一种基于压差传感控制策略的负载敏感系统抗流量饱和控制方法，仿真 结果表明，该方法能在有效利用油源的基础上避免负载敏感系统流量饱和状态的出现， 从而保证多执行器复合动作的协调性。 本文建立了海洋平台起重机负载敏感液压系统的仿真模型，并对系统的多种工况进 行了仿真，提出了一种抗流量饱和控制方法，其研究成果对改进工程机械多执行器负载 敏感液压系统具有重要意义。 关键词：负载敏感；液压系统；多执行器；流量饱和；海洋平台起重机 负载敏感液压系统抗流量饱和控制技术研究 r e s e a r c ho nt h ef l o w s a t u r a t e dr e s i s t a n tc o n t r o lt e c h n o l o g y o fl o a d s e n s i n gh y d r a u l i cs y s t e m a b s t r a c t l o a d s e n s i n g ( l s ) s y s t e m ，u s u a l l ye m p l o y i n gw o r k i n gm o d e lo fo n ep u m pf o r m u l t i a c t u a t o r s ，i sat y p eo fe n e r g y s a v i n gh y d r a u l i cs y s t e mt h a t i s w i d e l yu s e di n c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y w h e nl ss y s t e mi si nf l o w s a t u r a t e ds t a t u s t h ef l o wd e l i v e r e dt o a c t u a t o r sw i l lb ea f f e c t e db yl o a da n dw i l ln o tb ep r o p o r t i o n a b l et oo p e n i n go ft h em a i nv a l v e a n ym o r e ，w h i c hc a l lc a u s es e r i o u si n f l u e n c eo nc o n s t r u c t i o nm a c h i n e so p e r a t i o n s o ，i ti s n e c e s s a r yt or e s e a r c ht h ef l o wd i s t r i b u t i o nd u r i n gm u l t i - a c t u a t o r sh i g hs p e e do p e r a t i n g i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h ep r o j e c to f3 0 to f f s h o r ec r a n ed e v e l o p e db yd a l i a nu n i v e r s i t y o ft e c h n o l o g ya n ds h a n g h a ij i n y a nm a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n gc o ，l t d ，t h ef l o wc o n t r o li n l ss y s t e mw a sf u r t h e rs t u d i e d t h em a i n w o r ki nt h i sp a p e ri ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ( 1 ) t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fm u l t i - a c t u a t o r sl ss y s t e mw a sa n a l y z e d ，a n dt h eh y d r a u l i c s y s t e mo f 3 0 to f f s h o r ec r a n ew a sd e s i g n e da c c o r d i n gt oi t sa c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n s ( 2 ) t h es i m u l a t i o nm o d e l so fl sc o n t r o lv a l v ea n dp r e s s u r ec o m p e n s a t e dv a l v ee t cw e r e b u i l tb a s e do na m e s i m ，谢t l lh e l po fw h o s em o d e l st h es i m u l a t i o nm o d e lo fo v e r a l ll s s y s t e mo fo f f s h o r ec r a n ew a sm a d e i na d d i t i o n ，t h ev a l i d i t yo f s i m u l a t i o nm o d e lw a sv e r i f i e d t h r o u g he x p e r i m e n t a lt e s ti n3 0 to f f s h o r ec r a n e ( 3 ) t h ef l o w - s a t u r a t e ds t a t u so fl ss y s t e mw a sr e p r e s e n t e d 谢t l ls i m u l a t i o nm e t h o d ，a n d t h ec h a r a c t e r i s t i c so f s y s t e mi nt h i ss t a t u sw e r ei d e n t i f i e d ，a l lo f w h i c hw a si n t e n d e dt os h o w t h a tt h ef l o wd e l i v e r e dt oa c t u a t o r sw a sa f f e c t e db yl o a di nf l o w - s a t u r a t e ds t a t u sa n dw o u l d n o tb ep r o p o r t i o n a lt ot h eo p e n i n go fm a i nv a l v e i na d d i t i o nt ot h a t ，t h er e a s o no ff l o w d e l i v e r i n gd i s p r o p o r t i o nw a s a l s oa n a l y z e d ( 4 ) an e wf l o w - s a t u r a t e dr e s i s t a n tc o n t r o lm e t h o df o rl ss y s t e mb a s e do np r e s s u r e d e c r e a s es e n s i n gc o n t r o ls t r a t e g yw a sp r e s e n t e d t h er e s u l t so fs i m u l a t i o np r o v e dt h a tt h en e w m e t h o dc o u l dm a k ee f f e c t i v eu s eo fo i ls o u r c ea n dk e e pf l o w - s a t u r a t e ds t a t u so f fl ss y s t e m ， w h i c hc o u l dm a k es u r eo ft h ec o o p e r a t i v e n e s so fm u l t i - a c t u a t o r sc o m p o u n dc o n t r o la c t i o n i nt h i sp a p e r ，s i m u l a t i o nm o d e lo fl sh y d r a u l i cs y s t e mf o ro f f s h o r ec r a n ew a sb u i l tu p s u c c e s s f u l l ya n de m p l o y e dt os i m u l a t es y s t e mu n d e rs e v e r a lw o r k i n gc o n d i t i o n s ，b a s e do n w h i c han e wf l o w - s a t u r a t e dr e s i s t a n tc o n t r o lm e t h o dw a sp r e s e n t e d a l lr e s e a r c hr e s u l t sw e r e s i g n i f i c a n ti ni m p r o v i n gm u l t i a c t u a t o r sl sh y d r a u l i cs y s t e mi nc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y k e yw o r d s ：l o a d s e n s i n g ；h y d r a u t i cs y s t e m ；m u t t i - a c t u a t o r s ；f t o w - s a t u r a t e d ； o f f s h o r ec r a n e i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：鱼堑继鎏逛玺丝垫堑坠堑燮撞丝丝查塑超 作者签名：莹塾塾日期：二竺生年丝月j 互日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 鱼丛越邀堡垒查垫垫丝垒丝剑丛生塑塞： 萱堡兰2日期：二翌互年竺月互日 j 一嘲：号旦月日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 海洋平台起重机综述 海洋平台起重机是一种用于海洋平台装卸货物和吊运人员到平台上面的设备，是海 洋石油生产中最重要的生产和安全设备之一，属于海洋石油开发工程中的常用设备。无 论是油田还是气田、无论是综合平台还是井口平台，无论是有人驻守平台还是无人平台， 除非极特殊的情况，一般都要配置一台或一台以上的起重机。 同用于其他行业或场所的起重机相比，海洋石油平台起重机由于所处环境的特殊性 与使用上的特殊要求，其安全可靠性、可维修性、可抗风性及耐腐蚀性要求很高，因此 在技术上也相应有一些特殊条款与要求加以保证，无论是使用进口起重机还是国产起重 机这些要求均应得到满足。采标要保持一致，总体上应满足s y t1 0 0 0 3 1 9 9 6 海上平台 起重机规范( 即等同采用美国石油学会a p i2 c 标准) 的要求【1 j 。 在2 0 0 0 年以前，世界上的海洋平台起重机市场基本上是由欧美等少数制造业发达 国家所垄断，平台起重机市场基本被利勃海尔和麦基嘉两大品牌垄断。在中国，则依赖 从国外进口。1 9 9 9 年华南船舶机械厂通过自主创新，成功开发出海洋平台起重机，打破 了国内海洋平台起重机全部由欧美发达国家进口的局面，填补了国内海洋平台起重机的 设计、制造空白。 平台起重机国产化不应降低要求，不应带来安全隐患，这是一条十分重要的原则。 以下给出的相关技术要求是今后国产平台起重机在设计与制造中应十分重视与认真考 虑的基本条件。 ( 1 ) 平台起重机与其他用途起重机的最大不同点就是经常要起吊人员上下平台，而 且起吊过程中环境条件与操作条件又有可能都比较恶劣。因此为保证安全，在结构要求 上明显增大了安全系数。在保证平稳起升的前提下，还要达到一定的起升速度。 ( 2 ) 平台起重机是安装在刚性基础上，故在平台内作业时对超载很敏感，平台外作 业所需的高速性能又增加了平台内提升中的冲击可能性，因此静额定起重量被严格限 定。根据不同的海况条件，在安全上为了避免可能导致机体分离事故的基座应力，动载 系数的选取与结构模型建立更加复杂与苛刻。 ( 3 ) 关键结构部件的设计应符合美国钢结构学会a i s c 规范。 ( 4 ) 由于海上油田的开发年限一般都在1 0 年以上，有的甚至达到2 0 年，而平台又 孤立地远离海岸与港口，因此对平台起重机在寿命、可靠性与自维护性上就有更高的要 求。这也是平台起重机与一般的船用起重机的一大差别，因为一般船舶有很多的机会靠 负载敏感液压系统抗流量饱和控制技术研究 岸进港，很容易利用港口机械与设施进行修理与更换部件。所以平台起重机在疲劳计算 时选取2 5 0 0 0 次设计载荷为最小值，对零部件的可更换性要求也更强。 ( 5 ) 动力设备为柴油机驱动时，应满足原动机的相关规范要求【2 j 。 海洋平台起重机的特殊性要求其操纵方便，耐冲击，制动性能好，安全可靠，装卸 货效率高。因此这就对液压系统的动态特性、复合动作性能及节能等方面提出了更高的 要求。 1 2 工程机械液压技术 近年来，工程机械的液压传动技术得到迅速发展，高性能、高可靠性的液压机械传 动辅以微型电子计算机进行控制，大大提高了工程机械的行驶性、作业性、安全性、舒 适性和经济性【3 】【4 1 。工程机械液压技术和产品在工程机械上的应用，为实现各类工程机 械机电液一体化、智能化奠定了基础。高附加值的各类工程机械液压件的研发、生产， 满足国内外两个市场需要，为企业留下了广阔的空间【5 】。 据统计，目前9 5 以上的工程机械都采用了液压技术【6 】，工程机械液压产品在整个 液压工业销售总额中占4 0 以上，现在采用液压技术的程度已成为衡量一个国家工业水 平的重要指标1 7 j 。 2 0 世纪9 0 年代，计算机技术得到了长足的发展，使现代控制理论在液压系统的应 用成为可能，促进液压技术迅速发展。单片机控制的变量泵，大大提高了液压系统的效 率。这一时期，人们成功研制了智能型液压工程机械，使工程机械的作业精度及发动机 的功率利用率有了显著提高。计算机技术在液压技术中的应用标志着现代工程机械液压 传动和液压控制的最高水平【8 】【9 1 。随着计算机技术与液压技术结合的深入，推动了液压 系统计算机仿真的发展。在计算机技术的大力支持下，液压系统仿真技术日趋成熟，在 液压系统设计的过程中所起的作用越来越大。 目前工程机械液压调速控制系统大致分为4 种：定量阀控系统、正流量控制系统、 负载敏感系统和直接泵控系统。其中前三种控制方式应用较多【1 0 1 。 ( 1 ) 定量阀控系统 这是一种较常见的控制方式，在中小吨位的工程起重机液压系统中比较常用。无论 这种系统采用的是定量泵一定量马达或液压缸的形式，还是定量泵变量马达的形式，这 种控制方式都是通过换向阀的开度进行节流调速。该方式具有简单可靠、价格低廉、耐 用等优点。但其在调速的稳定性以及整个液压系统的效率等方面却不能令人满意。 ( 2 ) 正流量控制系统 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 正流量控制是一种变量系统的控制方式，在这种系统中，由于变量泵的摆角与控制 阀的操作之间按一定的关系变化，故可以用电子或液压的方式通过改变与换向阀操纵有 关的换向阀上的先导压力来控制变量泵的排量。泵输出的流量或工作速度完全由操作人 员决定【l l 】。 图1 1 正流量控制系统 f i g 1 1 p o s i t i v ef l o wc o n t r o ls y s t e m 如图1 1 所示，该系统使用普通的六通多路阀，通过对先导压力大小的调节，同时 调节阀的开度和变量泵的排量。执行机构不工作时，泵上没有先导压力，摆角最小，泵 只输出极小的流量。如果操纵液压先导手柄使执行元件工作，则泵的流量及由此产生的 执行元件的工作速度与操纵手柄的偏转量成比例。按需求控制减少了系统能量损失和发 热，因为泵只输出实际所需要的流量。 正流量控制与阀控方式相比，虽说在调速性、系统的效率等方面有了很大程度的提 高，但也存在着其自身的缺陷。这就是随发动机转速变化系统的调速稳定性无法保证。 一个液压系统具有良好的调速性能，应使其调速的稳定性与负荷和发动机的转速变化无 关，显然正流量控制还达不到这个要求。另外，在多机构复合动作时，泵的排量仅取决 于各先导压力中最高值，因此，各机构之间的速度干扰是不可避免的。 ( 3 ) 负载敏感系统 负载敏感控制系统是当今比较受重视的一种液压系统控制方式，尽管也是变量泵的 液压控制系统，但它的性能较正流量控制系统有很大程度提高。无论是在对速度控制的 负载敏感液压系统抗流量饱和控制技术研究 稳定性方面，还是在系统的能量利用率方面都是前面所提到的两种控制方式所无法比拟 的。其构成及特点将在本文1 3 节中详细阐述。 1 3 负载敏感液压系统 负载敏感( l o a d s e n s i n gs y s t e m ) 是指系统能自动将负载所需压力和流量信号，传 到敏感控制阀和泵变量控制机构的敏感腔，使其压力参量发生变化，从而调整供油单元 的运行状态，使其几乎仅向系统提供负载所需要的液压功率，最大限度的减少能量损失。 负载敏感系统是液压传动与控制领域内的一项革新技术，已广泛应用于车辆、工程机械 以及其它机械设备的液压系统中【1 2 】【1 3 1 。 通常所说的负载敏感是指广义的负载敏感，它包括负载敏感和压力补偿两个方面内 容。负载敏感是从基本原理角度对这类系统的称呼，其技术含盖了油源和控制部分两个 方面【1 4 1 。采用负载敏感控制，可以提高原动机的利用效率，减小系统发热，达到机械设 备结构紧凑和节能的目的。 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和闭中心 两种。开中心系统( o p e n e dc e n t e rl o a ds e n s i n gs y s t e m ，o l s s ) 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，以定差溢流阀作为负载敏感控制元件。而闭中 心系统( c l o s e dc e n t e rl o a ds e n s i n gs y s t e m ，c l s s ) 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，以油泵直接作 为负载敏感控制元件1 5 】【1 6 1 。 1 3 1开中心负载敏感系统 如图1 2 所示，开中心负载敏感系统包括定量泵l 、定差溢流阀2 、定差减压阀3 、 换向节流阀5 、梭阀网络4 和7 、限压阀6 以及系统限压阀8 。其中定差减压阀、换向节 流阀、限压阀和梭阀网络通常都集成到多路换向阀中，组合成负载敏感式比例多路换向 阀。 开中心负载敏感系统的主要功能和控制原理： ( 1 ) 利用多层次高压优先梭阀网络的选择，系统最高负载压力被引导至定差溢流阀 敏感腔，通过自动调节定差溢流阀溢流量，使泵的出口压力比任一时刻系统的最高负载 压力高一定值p d ，压力差大小由定差溢流阀调压弹簧确定。 ( 2 ) 各执行机构换向阀处于中位时，系统的最高负载压力为零，则定量泵输出流量 经定差溢流阀流回油箱，泵的出口压力为p d 。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 图1 2 开中心负载敏感系统 f i g 1 2o p e n e dc e n t e rl o a d - s e n s i n gs y s t e m 卜定量泵；2 一定差溢流阀；3 一定差减压阀；4 一第一梭阀网络；5 一换向节流阀； 6 一限压阀；7 一第二级梭阀网络；8 一系统限压阀 ( 3 ) 当某一执行机构的换向阀开启时，定差溢流阀的敏感腔与供油油路相通，由于 此时可变节流阀的流量为零，敏感腔压力与泵的出口压力相等，定差溢流阀关闭，油泵 开始向执行机构供油。 ( 4 ) 随着供油压力增大，执行机构开始运动，流经换向阀或可变节流阀的流量逐渐 增大。此时，节流阀的阀口两端产生压力降，于是在定差溢流阀的敏感腔与泵的出口之 间形成一定的压力差，定差溢流阀开启。当压力差偏大时，定差溢流阀的溢流量增大， 从而降低泵的出口压力；当压力差偏小时，溢流量也减小，从而提高泵的出口压力；当 压力差等于设定值p d 时，定差溢流阀处于稳定状态。 ( 5 ) 由于定差溢流阀的溢流调节作用，节流阀两端压力差保持稳定，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。 ( 6 ) 泵的出口压力只能与系统的最高负载压力保持一定的差值，当多个执行机构同 时动作时，在负载压力较低的液压回路上，节流阀两端压力差不是恒定的，其流量取决 负载敏感液压系统抗流量饱和控制技术研究 于阀口开度和负载变化。因此，需要在各联上配置定差减压阀。其作用是利用节流原理， 保持每一联上的节流阀进出口压差恒定，使各执行机构能够同时自由动作，避免压力扰 动。 这种系统的优点是：零位压差低，与执行器数目无关；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。缺点是：只有泵的出口压 力与负载压力相适应，出口流量保持不变，能量利用率不是很高。 1 3 2 闭中心负载敏感系统 此类系统包括变量泵l 、系统限压阀2 、负载敏感控制阀3 、定差减压阀4 、换向节 流阀6 、限压阀7 、梭阀网络5 和8 。与开中心负载敏感系统相同，其定差减压阀、可变 节流阀、限压阀和梭阀网络均集成到负载敏感式比例多路换向阀中。 图1 3 闭中心负载敏感系统 f i g 1 3 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 卜变量泵；2 一系统限压阀；3 一负载敏感控制阀；4 一定差减压阀； 5 一第一级梭阀网络；6 一换向节流阀；7 一限压阀；8 一第二级梭阀网络 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 闭中心负载敏感系统的功能与开中心系统基本相同，但其控制原理与开中心系统有 着较大的区别。闭中心负载敏感系统总是仅以所需要的负载压力输出所需要的流量，即 负载压力流量自适应，因而提高了系统的能量利用率。 闭中心负载敏感系统的控制原理： ( 1 ) 利用梭阀网络，将系统最高负载压力引导至泵的负载敏感控制阀的敏感腔，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 d ，其大 小由压差弹簧决定。 ( 2 ) 换向阀位于中位时，供油油路被切断，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，补偿阀阀芯向左运动， 压力油流向斜盘控制油缸，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，而补偿阀阀芯处于中位位置，此称为低 压等待状态。 ( 3 ) 当执行机构的换向阀开启时，负载敏感控制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，负载敏感阀阀芯在压差弹簧 作用下偏离中位位置向上运动，使得斜盘控制油缸的大腔与油箱连通，控制活塞在回复 弹簧力作用下使泵的排量逐渐增大，油泵开始向执行机构供油。 ( 4 ) 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， 于是在负载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，阀芯 位于中位偏下位置，斜盘控制油缸在弹簧力作用下使泵的排量不断增大，出口压力逐渐 提高；当压力差偏大时，补偿阀阀芯位于中位偏上位置，斜盘控制油缸在压力油压力作 用下使泵的排量不断减小，出口压力逐渐降低；只有当压力差等于压差弹簧设定值p d 时， 阀芯位于中位位置，泵的排量保持不变。 ( 5 ) 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。 ( 6 ) 在多个执行机构同时动作时，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。 ( 7 ) 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，补偿阀阀芯在压差弹簧推动下向右运动，致使泵的排量增大，压力进一步升 高。当泵的出口压力达到泵内系统限压阀设定值p m x 时，系统限压阀开启，压力油进入 控制油缸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d , t 1 。7 。2 0 l 。 一7 一 负载敏感液压系统抗流量饱和控制技术研究 值得注意的是，这一调节过程与泵的转速与系统的外载荷压力无关。当发动机转速 发生变化时，负载敏感阀自动控制泵的排量，使输出流量保持不变。这表明负载敏感系 统对速度的控制具有很好的稳定性。而且，负载敏感系统不论是在机构调速甚至微动状 态还是特定状态，能量损失都很小。 目前，国内针对负载敏感系统的研究较多。如浙江大学的高峰博士研究了负载敏感 系统的节能效果【l ，浙江大学的孔晓武博士研究了管路长度对负载敏感系统的稳定性和 快速性等方面带来的影响【2 7 】，吉林大学的胡志坚博士结合钻机的实际工作参数研究了负 载敏感系统的载荷特性【1 6 1 。但是这些研究基本都是基于单执行机构的研究，本文将对多 执行器的负载敏感系统的分流控制技术进行研究。 1 4 本文主要研究工作 1 4 1 选题的背景和意义 负载敏感系统是在工程机械领域应用较为广泛的一种节能型液压系统，而且一般采 用单泵驱动多执行器的工作模式。 本课题以大连理工大学机械工程学院与上海金研机械制造有限公司合作开发的3 0 吨海洋平台起重机为工程实例。 海洋平台起重机属于海洋石油钻井平台的重要设备，随着我国海上石油开采量的增 加，对其需求量越来越大，对其性能要求越来越高。液压系统作为整机的传动与控制系 统，其性能的好坏将直接影响整个海洋平台起重机的工作性能。而且目前海洋平台起重 机多采用负载敏感液压系统，且为了提高作业效率，海洋平台起重机在工作过程中常需 要起升、变幅、回转等机构高速复合动作，因此解决多执行器负载敏感液压系统高速复 合动作时的分流控制问题是非常有意义的。 本课题以海洋平台起重机液压系统为研究对象，研究多执行器负载敏感液压系统在 流量饱和状态下的分流特性，提出一种能够有效避免系统出现流量饱和的控制方法，最 终目的是保证负载不同的多个执行机构复合动作时的协调性。 1 4 2 工作内容 本文研究工作的主要内容包括： ( 1 ) 设计海洋平台起重机负载敏感液压原理 本文对负载敏感液压原理及特点进行分析，深入研究海洋平台起重机工况，以3 0 吨海洋平台起重机为例设计了多执行器负载敏感液压系统，并为系统选择了合适的机构 及液压元件。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 建立负载敏感液压系统仿真模型 基于a m e s i m 对负载敏感液压系统进行建模，并在仿真模型的基础上对系统的典 型工况进行仿真研究。 ( 3 ) 海洋平台起重机负载敏感液压系统试验研究 试验测试3 0 吨海洋平台起重机负载敏感液压系统典型工况的主要特性，并将试验 结果与仿真结果进行对比，论证仿真模型的正确性。 ( 4 ) 负载敏感系统抗流量饱和控制的研究 在对多执行器负载敏感液压系统的流量饱和状态进行深入分析的基础上，提出了一 种基于压差传感控制策略的抗流量饱和控制方法，利用模型仿真验证所提出的控制方法 的效果。 1 5 本文的组织安排 本文第二章分析了多执行器负载敏感系统的原理及一般构成，并介绍了海洋平台起 重机的工况，设计了3 0 吨海洋平台起重机液压系统；第三章阐述a m e s i m 软件的功能7 及特点，利用该软件建立3 0 吨海洋平台起重机多执行器负载敏感液压系统的仿真模型， 并通过仿真获得系统在典型工况下的主要特性曲线；第四章进行3 0 吨海洋平台起重机 液压系统典型工况下的试验测试，比较仿真与试验的动特性曲线，验证仿真模型；第五 章在对多执行器负载敏感液压系统的流量饱和状态进行深入分析的基础上，提出了一种 基于压差传感控制策略的抗流量饱和控制方法，利用a m e s i m 与s m u l i n k 联合仿真技术 验证所提出的控制方法的效果，对比分析改进前后系统的分流效果；最后为结论和展望。 一9 一 负载敏感液压系统抗流量饱和控制技术研究 2 海洋平台起重机多执行器负载敏感液压系统设计 2 1 多执行器负载敏感液压系统构成 本文研究对象为多执行器负载敏感液压系统。由于对节能、动力控制等方面的要求， 负载敏感系统( 闭中心负载敏感系统) 在工程机械中应用越来越广泛。另外，由于工程 机械大部分以单个内燃机为动力，这样就不可能为每个执行器配备单独的液压源，大多 情况下会采用单一液压源驱动多执行器的模式。 图2 1多执行器负载敏感液压系统 f i g 2 1 l o a d s e n s i n gs y s t e mw i t hm u l t i - a c t u a t o r s 多执行器负载敏感系统的基本构成如图2 1 所示，采用压力补偿器对节流口两端压 差进行补偿的方法对执行器的分流流量进行控制。其节流口为比例方向阀的阀口，各节 流口两端压差均为定值，压力补偿器置于比例方向阀的上游。各执行器之间通过梭阀链 大连理工大学硕士学位论文 将最高负载压力反馈到泵的调节器，使泵的输出压力比该压力略高，以保证最高负载回 路的效率。每个执行器再通过各自的压力补偿器被节流，使各节流口两端的压差被分别 限定为给定值。通过对各节流口的开口面积的调整，就可以调整流过各节流口的流量， 而不会随着各自负载压力的高低而变。只要泵的输出流量足够，就可以避免低负载过快、 高负载停止的现象【2 1 】【2 2 1 。 压力补偿器主要作用是平衡流量分配，另外一个重要的作用是在负载压力大幅度变 化( 主要干扰) 或油源压力波动( 次要干扰) 时，通过广义流量阀( 包括单向流量阀、 方向流量阀等) 的流量能保持其调定值( 与输入信号，例如控制手柄的摆角相对应) 不 变，即解决系统的速度刚度问题。如公式2 1 表明了通过广义流量阀( 节流阀口) 的流 量q ，与阀口前后压差卸、过流面积a ( 阀口轴向开度x 与周向开度w 的乘积) 之间的 关系。传统的负载补偿，就是要在负载变化或油源压力波动时，基本保持卸不变，即使 流量q ，仅受过流面积a ( 输入信号对应的参量) 变化的影响。 厅一厅一 q ，= k a ，e 印= k x w ，e 肇 ( 2 1 ) ypyp 传统的办法就是给节流阀口串联或并联一个压力补偿器，以保持节流阀口两端的压 差基本不变，使负载的运动速度基本不受负载变化的影响。由于压力补偿器的敏感阀芯， 也是依靠“感应到负载的变化 才进行相应的补偿动作，所以，从广义上讲，压力补偿 也属于负载敏感的范畴【2 3 】【2 4 1 。 负载压力补偿控制，是通过消耗一部分能量，来换取工作节流阀口的压差基本不变。 其工程实施，就是在节流阀( 单个节流阀，多个并联的方向节流阀多路阀) 的基础 上，加上压力补偿器【2 5 1 ，使其成为具有所控制的流量不受负载变化影响的调速阀。 多执行器负载敏感系统提高了原动机的效率，减小了系统发热，达到使机械设备结 构紧凑和节能的目的，还可以通过压力补偿器有效减小执行器之间的相互干涉，可以仅 通过改变各操作阀的操作量来调整各执行器的速度。现在车辆和工程机械中采用多执行 器负载敏感系统，其操作性能可得到大幅度提高【2 酬。 2 2 海洋平台起重机液压系统设计 以3 0 吨海洋平台起重机为例，设计了多执行器负载敏感液压系统。 2 2 1 海洋平台起重机工况分析 海洋平台起重机的作业过程包括以下几个动作：主起升的升降、副起升的升降、变 幅的起落臂、整机的回转以及其它辅助动作。除了辅助动作不需要全功率驱动以外，其 负载敏感液压系统抗流量饱和控制技术研究 它动作均是海洋平台起重机的主要动作，需要考虑全功率驱动。由于海洋平台起重机各 驱动机构的载荷变化较大( 如起重量不同造成的载荷变化、风载引起的载荷变化等) ， 主机的工作有两项特殊的要求：一是在进行各种主要动作时，阻力与作业速度随时变化， 因此，要求驱动液压马达的压力和流量也能相应变化；二是为了充分利用发动机功率和 缩短作业循环时间，工作过程中往往要求各个主要动作能够同时进行复合动作。 海洋平台起重机主要的复合动作包括：起升和变幅复合，可以提高作业效率，实现 重物平移；回转与起升同时动作，可以提高作业效率。 由于海洋平台起重机所起升的重物工作于平台与船舶之间，这个特殊性就要求其作 业速度和作业效率都要很高，所以其工作过程中经常会工作在高速度的复合动作工况。 要求负载敏感液压系统具有以下几种控制功能： ( 1 ) 按需供油，避免溢流损失； ( 2 ) 当负载所需流量几乎为零时，要求系统压力也降到最低； ( 3 ) 液压系统的最高压力限制； ( 4 ) 当系统所需的流量过大时，要求按比例对各个工作装置的流量进行限制。 2 2 2 液压原理设计 比较同类型的机型，并结合具体工况要求，所设计的液压原理如图2 2 所示。由于 回转的机械系统转动惯量大，启、制动载荷大等特点，且要求回转工作时转速稳定，与 其它动作进行复合时不能影响回转机构的速度，本系统回转动作为独立的闭式液压系统 驱动。主起升、副起升、变幅机构采用负载敏感系统进行驱动。 系统中主要元件的参数如表2 1 所示。 表2 13 0 吨海洋平台起重机液压系统主要元件参数 t a b 2 1m a i np a r a m e t e r so f3 0 to f f s h o r ec r a n eh y d r a u l i cc o m p o n e n t s 大连理工大学硕士学位论文 聪；豫耍繇返-8聪簿匡上星量蜷籍谤-9裘碧量迎参求厶图于嚣量喜酱妒譬斟。掣妒-l硝琵-z图矿溜上 u t l i u pho盈翰o g u i i - 铀o u召置=u二u狮u一盘_甚誓盘uii_l耋h弓k量uh户一 nh一 负载敏感液压系统抗流量饱和控制技术研究 如图2 2 所示，所设计的液压系统主要包括以下几大部分：负载敏感变量泵回路、 多路阀集成、主起升回路、副起升回路、变幅回路及回转闭式回路。下面将主要分析与 本文研究相关的负载敏感变量泵回路、多路阀集成和主起升回路( 由于变幅回路、副起 升回路与主起升回路相似，此处仅分析主起升回路) 。 ( 1 ) 负载敏感变量泵液压回路分析 h p r 2 1 0 变量泵液压原理图如图2 3 所示，主要集负载敏感控制阀l 、压力切断阀2 、 变量缸3 于一体的斜盘式变量柱塞泵。 图2 3h p v 2 1 0 负载敏感泵原理图 f i g 2 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo fh p v 210l sp u m p 其工作原理为：泵启动之前，在变量缸3 的弹簧作用下，泵处于最大排量。当发动 机启动后，泵开始转动，但此时操纵阀处于中位，l s 反馈压力近似等于油箱压力，负 载敏感控制阀下端只作用2 0 b a r 左右的弹簧压力，上端作用泵的出口压力，泵的出口压 力通过负载敏感控制阀l 进入变量缸3 的下腔使斜盘角度减小到仅维持系统的泄漏量对 应的角度；当操纵阀处于工作位置时，比较泵出口压力与l s 反馈压力( 最高负载压力) ， 控制负载敏感控制阀1 的阀芯位移，进而控制变量缸3 下腔的油压，以达到特定压力下 的流量要求。如果因外界原因导致压力超过压力切断阀2 的设定压力时，压力切断阀将 泵出口的压力引入变量缸的下腔，从而将斜盘角度减小到最小，从而可以有效避免溢流 损失。 ( 2 ) 多路阀回路分析 大连理工大学硕士学位论文 从阀体结构看，多路阀分整体式和组合式两种。整体式多路阀结构紧凑、重量轻、 压力损失小，但通用性差，对阀体铸造要求较高，比较适合于工作机构相对稳定的液压 系统。组合式多路阀一般由入口联( 进油联) 、换向联、尾联( 回油连) 三部分组成， 可以按不同的使用要求进行组装，扩展了多路阀的适用范围，通用性较强，损坏的单元 易于更换和维修，缺点是体积、重量和加工面积大，各片之间泄露可能性比较大1 2 7 1 。 这次设计的3 0 吨海洋平台起重机选用布赫公司的l v 2 2 系列组合式多路换向阀， 如图2 4 所示为l v 2 2 多路阀进口联与第一和第二换向联。 u l j 矿px i 琳k 圈x 囤： 2 1 ：g l 2 z 2 9 ： 回甲 巨掣l 珲 r 一1 一一产一一l f 一：ii fl ! 、 r 黼 一商 川z ；lk刊上s “矿 1 tl ，匝囵 , 1 1，r i ，匝丑 ，玎 岳爵堰爵 i ， 一。r 趣祷滁 ；产4咖 回0 1 2 如 圆2 1 卫 r l = z l v 蕊。 咿篙h rl 硷 1 3 3 沁并 】3 踅e d 杏q芝掣杏i !薹当y 粑翠： n卤饿f 号蔷懒尸鼍 n 气 ； l - i 匾圉 lijn ： 刊 【 一庀c 阿： 团 图2 4l v 2 2 多路换向阀原理图 f i g 2 4 s c h e m a t i cd i a g r a mo fl v 2 2s a n d w i c hv a l v e 在入口联中，2 5 b a r 的减压阀用于为先导油路供油；设定压力为3 5 0 b a r 的先导溢流 阀为主溢流阀，以防止由于压力波动引起的系统超压；右侧两个串联的阻尼孔为l s 负 载反馈油路的卸荷阀口，用于改善负载敏感系统的动态特性。 换向联由以下几部分组成：主阀芯，用于换向并可控制流量大小；压力补偿阀，用 于提高速度刚性并保证复合动作时流量的分配不受负载大小的影响；梭阀，用于选择最 高负载，以反馈给泵作为整个系统的控制信号；二次溢流阀，a 、b 工作油口各有一个， 用于限制各执行机构的工作压力。 负载敏感液雕系统抗流鼍饱和控制技术研究 田25l v 2 2 多路阔换向联内部结构 f i g2 5 i n t e r n a ls t r u c t u r e o f l v 2 2s a n d w i c h v a l v e 比例先导阎i2 一一扶溢流阀；3 压力补偿阀：4 主阀芯 ( 3 ) 主起升叫路分析 起升工况是海洋平台起重机作业最频繁的工况之一主起升机构也足其最重要的执 行机构，其液压原理如图2 6 所示。a 油路为f 降油路，b 油路为起升油路，t 为泄油 油路，x 为控制马达变量的先导油路。在起升回路中，起升马达2 作为驱动起升卷筒的 执行机构。平衡阀1 是用于控制重物下放时的速度的，可以防l 由于重力作用而发牛的 重物失速。制动器3 的是用于重物在空中悬停的时候的负载保持，由于液压马达一般都 存在内泄，平衡阀不能锁住停在空中的重物，必须靠制动器使重物町靠地停在空中1 2 8 i 。 制动器开启阀4 可以通过减压阀为制动器供油，以控制制动器在马达转动时的开启。 大连理工大学硕士学位论文 2 3 本章小结 图2 6 起升回路液压原理 f i g 2 6 s c h e m a t i cd i a g r a mo fh o i s t i n gc i r c l e 卜平衡阀；2 一起升马达；3 一制动器；4 一制动器开启控制阀 x 本章首先介绍了多执行器负载敏感液压系统的一般构成及工作原理；然后在分析了 海洋平台起重机工况的基础上设计了3 0 吨海洋平台起重机的液压系统；最后对所设计 系统的泵回路、多路阀回路及主起升的液压回路分别进行了分析。这里仅对系统从原理 的角度进行定性分析，说明所设计的系统在功能上可以满足要求，但是系统的实际效果 还需要进行仿真及试验测试，以进一步分析系统在各工况下的运行效果。 负载敏感液压系统抗流量饱和控制技术研究 3 基于a m e s i m 的负载敏感液压系统仿真建模 随着现代工业的发展，对液压传动与控制系统的性能和控制精度等提出了更高的要 求。为了加速开发和研究高性能的比例元件及系统的进程