（机械制造及其自动化专业论文）新型电子式负载敏感液压控制系统研究.pdf

沈m 理t 人学硕i ：学位论文 摘要 液压挖掘机是一种多功能的工程机械，目前被广泛应用于水利工程、交通运 输、电力工程和矿山采掘等土方施工中。它在减轻繁重的体力劳动，保证工程质 量，加快：建设速度以及提高劳动生产率方面起着十分重要的作用。随着科学技术 的发展和建筑施工现代化生产的需要，液压挖掘机需要大幅度的技术进步，其中 节能减排技术成为了国外主流品牌液压挖掘机追崇的发展方向。 从上世纪六、七十年代开始，在以开环传递为主要特征的传统液压传动技术 和以闭环控制为特征的电液伺服控制技术基础上发展起来的电液比例技术已成为 工程机械和工业自动化中不可或缺的重要手段。本文在对液压挖掘机三种节能技 术进行了简单介绍后，重点对挖掘机负载敏感多路阀液压系统进行分析，以f 1 本 日立建机z a x i s 5 5 u r h h e 挖掘机液压系统为参考，利用电比例技术对复杂的多 路阀液压系统进行改造和简化，将电比例技术和液压挖掘机节能技术相结合。设 计一套基于电比例系统控制的负载敏感液压系统。 本文首先对z a x i s 5 5 u r h h e 负载敏感液压系统的功能进行分析，分析系统 中各种控制阀的工作原理。主要介绍了z a x i s 5 5 u r h h e 液压系统的负载敏感原 理、压力补偿原理、系统流量压力需求。之后提出基于电液比例系统实现负载敏 感的总体方案设计，对电液比例系统进行了主要元件选型与配置，主要包括电比 例复合控制泵、先导式三位四通电比例换向阀、电比例减压阀的选型。然后利用 三维软件进行建模，导入a d a m s 后实现a m e s i m 与a d a m s 的联合仿真，以及 根据系统仿真结果的对新系统的分析。 与多路阀系统相比，本系统更易于生产加工与维护。本文的研究成果对电液 比例系统在液压挖掘机上的应用及进一步研究具有一定的参考价值和意义。 关键词：液压挖掘机；负载敏感；电液比例技术 沈m 理丁人学坝? 卜学位论文 _=一 a b s t r a c t h y d r a l l l i ce x c a v a t o ri sam u l t i - 如n c t i o n a le n g i n e e m gm a c h i n e 彤i ti s w i d e l y u s e dl nw a t e rc o n s e r v a n c y ，t r a n s p o n a t i o n ，p o w e r e n g i n e e r i n ga n dm i n i n ge a r t h w o r k c o n s t m c “o n i tp l a y sa ni m p o r t a n tm l ei n r e d u c i n gt h eh e a v ym a n u a l l a b o r ，e n s 嘶n gp 如je c tq u a l i t y ，s p e e du pt h ec o n s t m c t i o ns p e e da i l di m p r o v el a b o rp r o d u c t i v i t y w i l - ht h es c i e n t i f i ct e c l h l o l o 西c a ld e v e l o p m e n ta n dc o n s t m c t i o nn e e d so fm o d e mp “) d u c t i o n ，h y d r a u l i ce x c a v a t o r sn e e d s i g i l i f i c a n tt e c l l i l o l o 西c a la d v a n c e s e n e 略ys a 、，i n gt e c l u l o l o g yb e c o m e st h em a i n s t r e 锄o ff o r c i 盟b r a l l d s ，h i c h g e a r e s t od e v e l 叩m e n to fh y d r a u l i ce x c a v a t o r s ， f r o n lm es i x t i e sa n dt h es e v e n t i e si nl a s t c e n t u l y ，b a s e do nt h eo p e n 1 0 0 pt r 觚s f ：e ra st h em a i nf e a t u r eo ft h et r a d i t i o n a l h y d r a u l i c “v et e c h n 0 1 0 9 ya n dc h a r a c t 嘶z e db yc l o s e d - l o o pc o n t r o ls e r v oc o n 仃o l t e c l u l 0 1 0 9 y ，e l e c t r o _ h y d r a u l i cp r 叩一 o n i o n a lt e c h n o l o g yh a sb e c o m ea n i m p o r t a n tm e a ni nm e c h a n i c a la n di n d u s t n a l e n g i n e e r i n go fa u t o m a t i o n a ：r e ri n t r o d u c et h r e ek i n d so fe n e r g y - s a v i n gt e c h n o l o g yo fh y d r a u l i ce x c a v a t o r s t h ep 印e rf o c u so nt h em u l t i w a y v a l v e1 0 a d s e n s i n g s y s t e mo fe x c a v a t o rh y d r a u l i c t a k i n gj a p a n sh a c h iu pm em a c h i n ez a x i s 5 5 u r - h h ee x c a v a t o r h y d r a u l i cs y s t 锄f o rr e f e r e n c e r e f o m i n ga n ds i m p l i 蜘n gt h ec o m p l e ：i 【m u l t i w a yv a l v eh ，d r a u l i c s y s t e mb yu s i n ge l e c t r o n i cp r o p o n i o nt e c h n o l o g y c ! o n l b i n et h ee l e c t r i c i t yp r o p o n i o na n de n e 玛y - s a v i n gt e c h n o l o g yo fh y d r - a u l i c e x c i l v a t o r s d e s i g n i n gal o a d - s e n s i n gh y d r a u l i cw i mc l o s e d 1 0 0 pc o n t r o l s y s t e l nb a s e ( io nt h ee l e c t r i c i t y p r o p o r t i o nt e d m o l o g y f i r s t l yt h ep 印e ra n a l y z e st h e 如n c t i o no fz a x i s 5 5 u r h h e1 0 a ds e n s i n gh y d r a u l i cs y s t 锄，i n c l u d i n gi t sw o r k i n gp 凼c i p l eo fv 撕o u sc o n t r o lv a l v e m a i n l y i n 仃o d u c e s 乙啦( i s 5 5 u r m e1 0 a ds c n s i n gh y d r a u l i c s y s t e i l lt h e o m ep r e s s u r e c o m p e n s a t i o np n n c i p l ea n dt h es y s t e mf l o wp r e s s u r er e q u i r e m e n t s p r o p o s i n gt h e o v e r a l ld e s i 印o ft h e 1 0 a d s e n s i n gs y s t e mb a s e do ne l e c t r 0 - h y d r a u l i cp r o p o n i o n a l t e c h n o l o g ：ya n dt h es e l e c t i o no fm em a i nc o m p o n e n t s ，m a i n l yi n c l u d i n gap u m p w h i c hi sc o n t r o l l e db ye l e c t r i c i t yp r o p o r t i o n c o m p l 一e xc o n t r o l l i n g ，t h em o d e ls e l e c t i o no fi i l o t 。o p e r a t e dt y p e e l e c t r i c i t yp r o p o r t i o n3 4 w a yv a l v e sa n de l e c t r i c i t yp r o p o r t i o np r e s s u r er e d u c i n gv a l v e s t h e nt h ep a p e ru s e st h e3 ds o r w a r ef o rm o 沈刚理：r 人学硕士学位论：艺 d e l i n g ，r e a l i z i n gc o s i m u l a t i o nb e t w e e na m e s i ma n da d a m s a tl a s t ，t h ep a p e r a n a l y z en e ws y s t e ma c c o r d i n gs i m u l a t i o nr e s u l t s c o m p a r e dw i t hm u l t i w a y v a l v es y s t e m ，t h es y s t e me a s i e rt op r o d u c e ，p r o c e s s a n dm a i n t e n a n c e b o t ho nm ea p p l i c a t i o na n dm r t h e rr e s e a r c h ，t h er e s e a r c hi n t h i sp 印e rh a sac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ea n ds i g n i f i ( ：a n c eo nt h ee l e c t l o - h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a ls y s t e mo fh y d r a u l i ce x c a v a t o r k e yw o r d s ：h y d r a u l i ce x c a v a t o r ；l o a ds e n s i n gs y s t e m ；e l e c t r 0 h y d r a u l i cp r o p o r t i - o n a lt e c h n o l o g y 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究目的和意义 液压挖掘机是一种多功能机械，目前被广泛应用于水利工程，交通运输，电 力工程和矿山采掘等机械施工中，它在减轻繁重的体力劳动，保证工程质量，加 快建设速度以及提高劳动生产率方面起着十分重要的作用。因此受到了广大施工 作业单位的青睐。液压挖掘机的生产制造业也同益蓬勃发展。随着科学技术的发 展和建筑施工现代化生产的需要，液压挖掘机需要大幅度的技术进步，因此技术 创新是液压挖掘机行业所面临的新挑瑚- 】。 对挖掘机而言，液压系统是最重要的部分之一，其液压系统的设计是挖掘机 主机厂商在产品设计中最重要的组成部分。挖掘机与液压传动紧密相联，其核心 技术就是液压系统设计。由于挖掘机的工作条件恶劣，要求实现的动作复杂，挖 掘机的液压系统是工程机械液压系统中最为复杂的。据有关资料显示液压挖掘机 4 0 的故障来自液压系统【2 】，这说明挖掘机的液压系统设计要求很高。其次，挖掘 机液压系统已成为工程机械液压系统的主流形式。所以，对挖掘机液压系统的分 析设计已经成为推动挖掘机技术发展的重要一环( 3 】。最重要的是当前大多数液压挖 掘机都存在一个很突出的缺点能量浪费严重。据统计，目前大多数液压挖掘 机的能量利用率仅为2 0 左右 4 】，尤其是对于一些大型的液压挖掘机，由于其本身 工作所需要的能量基数就很大，而浪费掉的能量占总能量的比重又如此之高，所 以实际浪费的能量是非常巨大的。将节能技术应用到液压挖掘机中可以降低能量 浪费，因此这方面的研究工作亟待展开。 图1 1 特火型挖掘机 舟l 蛐z 帮 k 妊蹲盎严 酶一静藏 撼馘枫列5 ，乙争畸辩 蠊船镄 净赫 9 唪髂 鳓教庶辑 描拣攥枫 4 0 静鳓d j 壤瞎瓣掇 铲， 婆幽堡! ! ：丛堂堡j ：堂笪堡塞 目前液压挖掘机大多仍采用复杂的多路阀作为主控阀。现今采用节能技术的 多路阀系统有力士乐l s 系统( l o a ds e n s i n gs y s t 锄) 、l u d v 系统( l a s tu n a b h a n 百g e d u r c h n u s sv 甜e i l u n g ) 、以及同本小松公司的p c 7 系列挖掘机所采用的闭中心式 负荷传感系统c l s s ( c l o s el o a ds e n s i n gs y s t e m ) 等。多路阀的使用使得多执行元 件的液压系统结构紧凑，管路简单，压力损失减小。但是除了阀体内部结构设计 复杂和阀内流道铸造成型、加工制造具有极大地困难外，在使用中阀芯与阀体之 问易发生摩擦损坏，导致阀体的气密性较低。对于：不同设备通用性不强，阀内流 道容易被污染物堵死等缺点。本课题在原有节能技；术的基础上，采用电比例系统 对多路阀系统进行简化和改造。使其便于设计、生产加工制造，降低成本t s 叫z ，。 1 2 挖掘机节能技术 由于液压挖掘机仍多采用多路阀作为主控阀，所以其能量损失以负载和液压 系统功率匹配为主【1 3 l 。随着科学技术的发展，液压挖掘机从最早的以操纵手柄先导 压力对液压泵的排量直接控制，发展到2 0 世纪8 0 年代和9 0 年代的负流量控制、 正流量控制和负载敏感控制等多种控制方式f 1 4 】。 1 2 1 负流量控制 负流量控制，是指控制压力与排量成反比。即控制压力越大，泵源的排量越 小。利用设置在主回浊口上的节流口所产生的系统：背压来控制泵源变量机构，可 使操作人员按实际需求提供流量。但就系统本而言它是恒流控制系统，在多路阀 的主回油路上仍存在少量的溢流损失，而且其调速范围有限，受负载影响较大。 如图1 2 所示。 图1 2 负流量控制原理图 第1 章绪论 1 2 2 正流量控制、 与负流量控制相反，正流量控制系统的控制压力越大，泵源的排量越大。即 控制压力与泵源排量成f 比。与负流量控制不同的是正流量控制的泵源先导控制 压力来自手柄，这样可以更有效地消除待机时的溢流损失，如图1 3 所示。虽然与 负流量相比操作性更好，响应时间缩短，但结构复杂，成本相对也较高。 图1 3 正流量控制原理图 1 2 3 负载敏感控制系统 完全负载敏感系统( l o a ds e n s i n gs y s t e m ) ，简称普通l s 系统或l s 系统。该系 统广泛应用于中小型液压挖掘机上，如图1 4 所示。该系统是利用梭阀将最大负载 压力与泵源输出压力相比较，以推动变量泵变量机构动作，调节泵源流量输出。 使泵源的流量输出始终和执行元件流量需求保持一致。泵源压力始终略高于最大 负载压力，约2 m p a 以内。但当该系统执行元件流量需求大于泵源流量供应，即流 量饱和现象时，系统不再具有流量自动分配的功能。 q 魄 蝣 k 翻l 一， 、，；： 毒教窖 蜕涵量 r 审瞄一c 图1 4l s 系统制原理图及节能效果图 逮酲 。固 p牡，p 达刚堡二! ：叁堂堕堂笪丝壅 因此，普通l s 系统具有以下特点： 1 ) 系统的流量控制根据流量控制阀节流口开度面积变化而变化，不受最大外 负载压力变化或其他任何支路外负载压力变化的影响； 2 ) l s 系统具有良好的电液比例特性与流量控制特性； 3 ) 系统的功率输出根据外负载的功率需求变化而变化，实现节能减排； 4 ) 系统不具备抵抗流量饱和的缺点【”拍】。 负载独立流量分配系统( l a s tu n a b h 赫西g ed u r c h n u s sv e i n e i l l l l l g ) ，简称l u d v 控制系统，其系统原理图如图1 5 所录1 7 】。它以执行元件的最高负载压力来控制液 压泵的斜盘并具有压力补偿功能。l u d v 表示“与：负载压力无关的流量分配 ，各 l u d v 压力补偿器均与最高负载压力有关。将补偿阀一端的压力统一改为最大负 载压力，即补偿阀的压降相等，使得流量总是与节流孔面积成正比，所有执行元 件将以同一比率减速。该系统解决了普通l s 系统中，当多个执行元件同时工作， 所需流量大于液压泵的流量时，将产生供油不足的现象。l u d v 系统中各节流口 两端的压差不变，通过节流口的流量只与节流口面积有关。l u d v 负载敏感系统 一般用在轮式挖掘机或者小于2 0 t 的履带式挖掘机系统中。 l l s 控制阀：2 、8 一模拟操纵阀；：；、7 一压力补偿阀 4 一梭阀；5 、6 一模拟负载 图1 5l u d v 系统原理图 1 3 电液比例技术 电液比例技术是上世纪6 0 年代后发展起来的液压传动控制技术【l g 】。其主要元 件是电液比例阀( 下简称电比例阀或比例阀) 。比例阀介于普通液压阀和电液伺服 第1 苹绪论 阀之问，在电液比例系统中，比例阀既是电液转换元件，又是功率放大元件。电 比例阀多用在开环液压控制系统中，可以实现对液压参数的遥控，也可以作为信 号转换与放大元件用于闭环控制系统。因此，它可以明显的简化液压系统，实现 ： 复杂程序和运动规律的控制，便于实现机电一体化。通过电信号实现远距离控制， 提升了液压系统的控制水平。与电液伺服阀相比，在成本价格上具有很大优势。 而且随着比例技术的不断发展，比例放大器、内反馈技术以及电校正手段的应用， 出现了伺服比例阀，也称高性能电液比例阀。其工作频宽提升到了5 1 0 h z ，甚至 达到近2 0 h z ，稳态下的滞环降低到了3 以下，性能已经接近甚至超过了伺服阀。 并且电液比例技术在工程机械和行走机械上的应用，也使得行走机械在整车控制 上的优化成为了可能【1 9 2 l l 。 1 4 仿真软件介绍 1 4 1a i ) a m s 简介 a d a m s ，即机械系统动力学自动分析( a u t o m a t i cd y i l 眦i ca n a l y s i s o f m e c h a n i ( ：a ls y s t e m s ) ，该软件是美国m d i 公司( m e c h a i l i c a ld 如锄i c sh l c ) 开发的虚 拟样机分析软件【z 到。目前，a d a m s 已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采 用。a d a m s 软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化 的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方 法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析， 输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。a d a m s 软件的仿真可用于预测机械系 统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。a d a m s 一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械 系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具， 其开放性：的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机 分析的二次开发工具平台【2 3 】。 1 4 2a m e s i m 简介 a m e s i m( a d v a n c e dm o d e l i n ge n v i r o n m e n tf o rs i m u l a t i o no fe n 西n e e r i n g s y s t e m s 的缩写) 为多学科领域复杂系统建模仿真解决方案。是法国i m a g i n e 公 司推出的一款多学科领域复杂系统建模仿真软件。它提供了一个系统工程设计的 完整平台，使得用户可以在一个平台上建立复杂的多学科领域系统的模型，并在 达刚堡：! ：叁堂堡堂垡鲨壅 此基础上进行仿真计算和深入的分析。工程师在一个基于工程应用的a m e s i m 友 好环境下可研究任何元件或者系统的稳态和动态性能。a m e s i m 的图形化用户界 面使得用户可以在完整的应用模型库中选择需要的模块来构建复杂系统的模型。 简便易用的操作使得用户可以迅速有效地进行产品的设计开发。因此，a m e s i m 成为了机械制造、电子应用、流体传动与控制、汽车制造和航天航空工业等领域 的理想选择。设计人员可以运用a m e s i m 中相应的应用库来设计一个系统。软件 中相应的应用库中的模型都经过了非常严格的测试和实验验证，可靠度极高。使 用a m e s i m 软件使设计人员可以迅速完成系统的建：漠，并对系统进行设计分析和 优化设计，从而大大降低了研发的成本、缩短了产品的开发周期阱，：卯。 1 5 课题的主要研究内容和方法 本文以日立建机z a x i s 5 5 u r h h e 挖掘机液压：系统为参考，在对l s 负载敏感 多路阀系统分析的基础上，提出了利用电比例控制技术实现负载敏感的原理并进 行了仿真分析，最后利用该原理对挖掘机多路阀系统进行了改造。第一章简要介 绍了液压挖掘机的三种节能技术、电液比例技术以及本课题的研究内容和方法： 第二章介绍了z a x i s 5 5 u r h h e 挖掘机负载敏感液压系统分析与计算，内容包括 对原有多路阀系统的流量控制、负载敏感j 泵理和功率控制分析以及 z a x i s 5 5 u r h h e 主要挖掘工作机构的设计计算；第三章介绍了新型电子式负载 敏感液压系统的原理设计与仿真分析，主要分析了基于电比例技术控制的负载敏 感液压系统中流量控制、负载敏感原理及功率控制的实现方法及仿真论证；第四、 五章介绍了新型电子式负载敏感液压控制系统主要元件的选用方法和基于 a m e s i m 和a d 舢讧s 联合仿真的模型建立、仿真结果分析以及改造后与原系统的 对比。 第2 章z a x i s 5 5 u r - h h e 挖捌机负载敏感液压系统分析与计算 第2 章z a x i s 5 5 u r h h e 挖掘机负载敏感液压系统 “ 蹲 分析与计算 小型液压挖掘机既具有精致小巧，灵活机动的优点，同时兼具中型挖掘机的 基本功能。z a x i s 5 5 u r h h e 液压履带式挖掘机采用全功率变量系统，先导液压 操纵，整体式多路阀等多种先进技术。该机结构紧凑，操作舒适、。轻便，使用维 护安全可靠，发动机功率利用率高、生产效率高等优点。广泛用于建筑施工、市 政工程、水电、国防工程。 目前挖掘机液压系统的形式和种类较多，以多路阀的形式可分为：开中心和 闭中心两种；按控制方式不同可分为：阀控系统和泵控系统。在实际应用中，阀 控系统很普遍，泵控系统往往和阀控系统组合构成复杂的系统。 。 2 1z a x i s 5 5 u r - h h e 液压挖掘机技术参数及系统概况 。 挖掘机液压系统主要由液压执行元件完成各个动作，电液系统配合实现整孥 的控制动作。液压系统主要由上、下车液压系统和先导操纵系统部分组成a 详见 附录z a x i s 5 5 u r h h e 液压系统原理图。 目前，挖掘机负载敏感液压系统按压力补偿阀的位置不同主要分为：阀前补 偿、阀后补偿2 种形式【2 6 l 。z a x i s 5 5 u r h h e 液压系统属于典型的阀前补偿形式， 即普通l s 系统。该系统压力补偿阀在泵源和操纵阀之间，压力补偿阀在前，操纵 节流阀在后，即先补偿，后节流。 这种阀前补偿系统具有不抗饱和的缺点，当挖掘机需要几个执行元件同时动 作且挖掘机负载较大时，由于恒功率控制和发动机转速下降等因素，泵的输出流 量降低，不能满足执行元件的需要，即系统处于饥饿状态，出现泵流量饱和现象c 2 。 针对这种现象，z a x i s 5 5 u r h h e 液压系统增加了转速检测阀和压差减压阀，并 通过它们的作用，以达到流量自动适应的目的。 z a 。x i s 5 5 u r h h e 的泵控系统由一个斜盘式轴向柱塞变量泵和一个先导齿轮 泵组成，由发动机直接驱动，泵控制系统可有效实现功率控制和流量控制r z 钔，如图 沈刚理一i ：人学硕十学位论文 2 2 所示。 表2 1z a x i s s 5 5 u r h h e 规格【2 9 - _ _ _ _ _ _ = - _ ? = _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ - _ _ - _ _ - _ _ - - _ _ _ _ 一一 项目名称 单位数值或型号一一 第2 章z a x i s 5 5 u r h h e 挖掘机负载敏感液压系统分析与计算 l 一柱塞；2 一i 髓流孔；3 一p s 阀：卜b 腔； 6 一c 腔；7 一d 腔；8 一斜盘；9 一控制柱塞； 图2 2 泵控制原理图 壤 9 l 蝣 5 _ a 腔； 1 0 一弹簧 2 2z a x i s 5 5 u r - h h e 液压系统分析研究 2 2 1 泵的流量控制 泵的流量控制原理，如图2 3 所示。挖掘机的液压系统能根据工作机构的实际 需求控制泵源对不同挖掘动作的流量输出【3 0 】。系统通过负载敏感阀，即p s 阀对负 载敏感压力p 厶和转速检测先导控制压力n 的压差进行检测，实现流量控制功能。 其中，先导控制压力p ，即引擎转速检测压力的大小由引擎的转速决定。负载敏 感压力p 厶是根据不同工况下，与最大外负载压力成反比例变化。如图2 2 所示。 在动态下，负载敏感阀的上的受力平衡关系，决定了其阀芯的开度大小。负载敏 感阀出口压力儿经节流孔输送到泵源变量机构，改变泵源斜盘倾角，调节泵源流 量输出。 。 1 一压差减压阀；2 一弹簧；3 一卸载阀；4 - 主安全阀 图2 3 流量控制原理图 。 一 沈刚理一：人学硕十学位论文 挖掘机在待机时，”一方面，泵源压力岛克服转速检测先导控制压力办与弹簧 弹力之和，开启卸荷阀j 直到卸荷阀两端动态受力平衡为止，卸载阀以一定的开 度稳定工作。另一方面泵源压力p - 作用在压差减压阀的a 腔，同最大外负载压力 仇啪。以及压差减压阀阀后压力p 厶保持动态力平衡关系，即： 。 纥+ 仇m a x2a ( 2 1 ) 通过以上分析不难得出：当最大外负载压力仇。为零时，泵源压力p 等于系 统回流背压，并与负载敏感压力p 厶相等。此时负载敏感压力p 厶为最大值，约 2 m p a ，泵源保持最小流量输出。 当最大外负载压力n m 。增大，系统流量需求增加时，如图2 2 所示。负载敏 感压力p 厶将会减小，负载敏感阀阀芯向左移动。泵源流量控制压力p ：无法经负载 敏感阀左位通道到达p a 口，而是经负载敏感阀右位通道溢流减压。流量控制阀柱 塞c 腔压力发生变化卜使油泵斜盘倾角增大，泵源流量输出加大。 相反，当最大外负载压力见。缸减小，系统流量需求降低时，负载敏感压力p 厶 将会增大，负载敏感阀阀芯向右移动。泵源流量控制压力p z 经负载敏感阀左位通 道到达p a 口，在先导控制压力办的作用下。推动流量控制柱塞，使油泵斜盘倾 角减小，降低泵源流量输出。 2 2 2 负载敏感泵的王作原理 负载敏感功能，即宴现泵源输出压力只仅比最大外负载压力耽m 。高出系统所 设定的负载敏感压力儿。z a x i s 5 5 u r h h e 液压挖掘机液压系统中主要依靠压差 减压阀、引擎转速检测阀、负载敏感阀等元件组成了负载敏感液压控制系统。一 方面，在压力补偿阀的作用下，多路换向阀阀前与阀后的压差等于系统所设定的 负载敏感压力儿，从而使通过节流口的流量只与多路换向阀的开度有关，而与负 载压力无关；另一方面，在负载敏感阀的作用下，泵源的流量输出根据多路换向阀 的开度做出相应的调节【3 1 3 2 】。 1 、系统的负载敏感压力p 厶 在压差减压阀的减压作用下，负载敏感先导控制压力邬- 形成负载敏感压力 p 厶，如图2 4 所示。一方面，压差减压阀向泵源负载敏感阀，即p s 阀提供负载敏 第2 章z a x i s 5 5 u r h h e 挖掘机负载敏感液压系统分析与计算 感p 厶压：力，以调节泵源流量输出。另一方面，来自泵源的泵源压力p - 被输入压差 减压阀右腔，作用在阀芯柱塞上，形成压力( p t 压力接受面积s - ) ，使阀柱向左 移动。来自油口p l s 的负载敏感压力，即p 厶压力经压差减压阀上的油道被输入压 差减压阀的左腔，作用在阀芯柱塞上，形成压力( p 厶压力接受面积s z ) ，使阀 芯向右移动。来自油口p l m a x 的最大外负载压力，即仇。压力被输入压差减压 阀的左腔，作用在阀芯上，形成压力( 仇。压力接受面积s ，) ，使阀芯向右移 动。由此可得到阀芯柱塞的受力平衡关系： ( 耽，s 2 ) + ( p 。岛) 2p l s i f 2 2 1 假设阀芯左右受力面积相等，则： 1 ) 当右腔压力较大时，即p 厶+ 仇。 p l 阀柱向右移动，来自p p l 口的负载敏感先导油压力无法被输入到p l s 油口，p 厶 压力油经压差减压阀部分打开的左位机能油道被输送到d r l 油口溢流，p 血压力降 低。由以上分析，系统所设定的负载敏感压力p 厶的动态控制是依靠压差减压阀的 动态受力平衡实现的。这一压力还将用于实现多路换向阀上的压力补偿。 p p l m a 制删 图2 4 压差减压阀工作原理 鲨幽堡二! ；奎堂堡堂垡笙塞 2 、引擎的转速检测 由于采用定量齿轮泵作为z a x i s 5 5 u r h h e 液压挖掘机液压系统的先导泵 源，所以先导泵的流量输出和引擎的转速以一定的比例发生变化，如图2 5 所示。 图中减压阀a 、b 两腔受力面积以及弹簧刚度完全一样，在动态下，先导泵源的输 出压力p ：所经节流阀形成压力p ：c 。，二者分别作用在减压阀的a 、b 两腔，经减压 阀再次调压后形成转速检测先导控制压力为所，在p z 埘和p ：。的作用下，减压阀 上的动态受力平衡关系为： p r + p 2 。2p 2 所；p r2 岛所。见。2 卸 ( 2 3 ) 印节流阀阀前阀后压差； 图2 5 转速检测阀原理图 则，根据节流口流量特性方程，有： q = 倒廖2 器 陆4 ， 式中c 为流量系数7 彳节流阀口通流面积； j d 液压油密度； 以引擎的转速： g 齿轮泵的排量。 由推导可以看出得出，通过这一工作原理，z a x i s 5 5 u r h h e 液压挖掘机液 压系统得到了与引擎转速成一定比例发生变化的转速检测先导控制压力体。一方 面，转速检测先导控制压力n 作用于主泵的负载敏感阀与负载敏感压力p 厶进行比 第2 章 z a x i s 5 5 u r h h e 挖掘机负载敏感液压系统分析与计算 较，控制泵源变量机构的斜盘倾角，进而控制泵源流量输出的大小，另一方面， 可以根据n 的大小对工作机构的执行速度要求进行合理的判断。 1 ) 当b 腔压力较大时，艮瞰，+ p z t 。p z 肼，转速检测先导控制压力n 经减压 阀右位通道溢流减压； 2 ) 当a 腔压力较大时，即n + p ：。 p z 所，p z z 。压力油经减压阀左位通道使 转速检测先导压力所增大。 3 、系统的压力补偿 一 在z a x i s 5 5 u r h h e 液压挖掘机负载敏感液压系统中，采用压力补偿阀对多 路换向阀进行了阀前压力补偿。从而使流经多路换向阀的流量与多路换向阀的开 口流通面积成线性的正比例关系。这和调速阀的原理相同，如图2 6 所示。压力补 偿阀相当于定差减压阀的作用，它和多路换向阀一起组成了一个流量、方向控制 图2 6 旁通式调速阀原理图 阀，构成了进口节流调速回路。在压力补偿阀的作用下，多路换向阀阀前和阀后 两端的压力差基本保持恒定不变，即负载敏感压力p 厶，如图2 7 所示。多路换向 阀阀前压力p ，经阀中油道作用在压力补偿阀的右端，产生一个相对于阀芯向左 罐力吼。 糕力p l s 藤力p i n：髑张辩鳓溯路巾姻瀚礞 艨力p l s ：聪慧溅簸斓处城，j 、的先绺汹壤 熙您p l ，：姆阚拣厮巍漓鼹捆辩威憋涵艨 图2 7 压力补偿阀原理图 沈| j 理i ：人学硕十学位论文 移动的推力( p ，压力接受面积s - ) ，来自压差减压阀的负载敏感压力p 厶作用在 压力补偿阀的左端，产生一个相对于阀芯向右移动的推力( p 厶压力接受面积 s ：) ，多路换向阀的阀后压力仇同样作甩在压力补偿阀的左端，产生一个相对于 阀芯向右移动的推力( 见压力接受面积s s ) 。在动念下，压力补偿阀的受力平 衡关系为： ( p 厶& ) + ( p s ) = p ，一 ( 2 5 ) 1 ) 当压力p ，与压力仇的压力差值大于p 厶压力时： 在压力补偿阀阀芯上，左侧推力大于右侧推力。使阀芯向右移动，使压力补 偿阀左位通道部分关闭，经流压力补偿阀的流量减少。多路换向阀阀前压力p 删下 降。当压力补偿阀恢复受力平衡时，移动结束。 2 ) 当压力p ，与压力见的压力差值小于p 厶压力时： 在压力补偿阀阀芯上，右侧推力大于左侧推力。使阀芯向左移动，使压力补偿 阀左位通道开启部分增大。经流压力补偿阀的流量增加，多路换向阀阀前压力p 川 压力上升。当压力补偿阀再次恢复受力平衡时，移动结束。 通过分析可以得知：由压差减压阀所设定的负载敏感压力p 厶是泵源压力a 与 最大外负载压力仇。的差值，约2 m p a 。下面以两负载回路为例进行分析。 ，当两液压缸负载压力相同时，该压力即为最大外负载压力仇。各负载的流 量大小由各自多路换向阀阀口开度面积决定，根据负载工作的速度不同，系统的 总流量输出将按各阀阀口开度面积成比例的自动分配。 当某一液压缸负载压力下降时，其支路上的压力补偿阀在动态下，到达新的 平衡位置，并给予相应的压力补偿；另一液压缸负载压力仍保持原有工作状态， 其支路上的压力补偿阀不给予压力补偿。 但是，在多个负载进行复合动作，且流量需求超过泵源流量输出极限时，系 统处于饥饿状态。压力补偿功能将会失效。压力油会流向负载压力较小的执行元 件，负载压力较大的执行元件速度变慢，系统出现流量饱和现象。这主要是由于 泵源的流量输出受到了恒功率控制限定的结果【s 引。 2 2 3 泵源的功率控制 从图2 2 还可以看出，变量泵达到起调压力后，输出压力和输出流量为一一对 1 4 第2 章z a x i s 5 5 u r h h e 挖掘机负载敏感液压系统分析与计算 应关系，功率值基本保持恒定。主泵的输出压力经过控制柱塞后推动变量机构， 进而通过改变变量泵斜盘的控制倾角，降低油泵的排量。在该压力与弹簧弹力达 到平衡时，油泵以某一对应排量值进行稳定工作，实现恒功率输出。值得注意的 j 是，泵源可以通过系统中的压力补偿阀和负载敏感阀，实现负载敏感控制。这一 功能将优先于恒功率控制起作用，即只要在泵源允许的功率输出范围以内，液压 系统就可以实现压力补偿功能和负载敏感功能。 综上所述，可以得知负载敏感系统【3 4 】： 1 ) 系统的负载敏感压力p 厶等于泵源压力a 与最大外负载压力见。的差值。 一方面，该压力作用在压力补偿阀上，实现压力补偿功能；另一方面，p 厶作用于 负载敏感阀调节泵源的流量输出。 2 ) 由引擎转速检测阀得到先导控制压力p ，。一方面，该压力与负载敏感压力 儿共同作用在负载敏感阀上，调节泵源流量输出；另一方面，与泵源压力a 作用 在卸荷阀上，保证系统正常工作。 3 ) 泵源为恒功率变量泵。压力输出和流量输出为一一对应关系。系统实现有 效的压力补偿功能要以泵源恒功率工作为前提。 2 3 挖掘机的挖掘工况分析 液压系统设计是作为机电一体化液压挖掘机设计时的重要组成部分。设计时 不仅要满足整机工作要求，还必须满足液压挖掘机工作循环所需的全部技术要求。 因此，挖掘机液压系统的设计作为挖掘机总体设计的一部分，起着至关重要的作 用。 2 3 1 液压挖掘机的作业流程 液压挖掘机的主要功能运动包括：动臂升降、斗杆收放、铲斗装卸、转台回转、 整机行走以及其它各种辅助动作。除了辅助动作不需全功率驱动以外，其中动臂 升降、斗杆收回、铲斗装卸、转台回转必须考虑全功率驱动。挖掘机的典型作业 流程【3 6 3 ，】：如图2 8 所示 1 ) 整机移动至合适的工作位置； 2 ) 回转平台，使工作装置处于挖掘位置； 3 ) 动臂下降，并调整斗杆、铲斗至合适位置； 沈同1 理ji ：人学硕士学位论文 4 ) 斗杆、铲斗挖掘作业； 5 ) 动臂升起； 6 ) 回转工作装置至卸载位置； 7 ) 操纵斗杆、铲斗卸载。 图2 8 挖掘机动作图 因此，对挖掘机主机的设计必须考虑以下两项特殊要求以满足挖掘机作业对象 变化较大和工作条件、工况复杂的特点【3 8 】。 1 ) 驱动负载液压缸和驱动液压马达的压力和流量必须能够适应作业阻力与速 度随时变化的要求； 2 ) 挖掘机工作执行机构要能够进行复合动作，以保证引擎功率的充分利用和 较高的工作效率。 2 3 2 液压挖掘机的挖掘工况分析 挖掘机的挖掘工况分为三种：铲斗单独挖掘工况、斗杆单独挖掘工况以及复 合挖掘工况【，外。， 1 ) 铲斗液压缸单独动作进行单独挖掘作业，其主要的作业对象为3 级以下的 土方施工。例如清理挖掘障碍，平整土地以及铲斗挖掘等。此时，以铲斗和斗杆 之间的铰链为圆心，铲斗齿尖到该铰链的距离为半径的圆弧为挖掘机构的轨迹， 圆弧的长度决定了液压缸的行程。这时的挖掘力较大，以保证较大的挖掘厚度。 所以，挖掘机的最大挖阻力也通常出现在此时刻。 、 2 ) 对中型或小型挖掘机而言，由于斗杆挖掘的挖掘力臂加长，在遇见复杂或 者较硬的沙石作业对象时，主要以斗杆缸动作进行挖掘作业，以确保铲斗能够装 满。此时，以斗杆和动臂之间的铰链为圆心，铲斗齿尖到该铰链的距离为半径的 圆弧为挖掘机构的轨迹，圆弧的长度决定了液压缸的行程。这时，若动臂液压缸 完全收回进行作业，可得到挖掘机的最大挖掘深度，以及斗杆液压缸最大的挖掘 第2 章z a x i s 5 5 u r h h e 挖掘机负载敏感液压系统分析与计算 行程。 3 ) ：在需要控制挖掘工作机构运动轨迹的工况时，主要依靠铲斗、斗杆复合动 作，兼以动臂动作进行挖掘作业。 ；。 例如挖掘机实际挖掘工作中，需要动臂液压缸和斗杆液压缸复合动作完成诸 如清理、平整地面或坡地挖掘作业。此时，铲斗斗尖要沿直线方向运动，斗杆液 压缸和动臂液压缸或以同向及不同方向进行工作，就必须保证二者动作能够相互 独立。其次，在挖掘工作需要保证挖斗齿问的切削角和挖掘轨迹时，还需要铲斗 液压缸、斗杆液压缸和动臂液压缸进行复合动作。第三，诸如在城市管网建设进 行沟渠的侧壁挖掘工作或斜坡地面作业时，为了有效的进行挖掘作业，液压回转 马达也要参与工作，进行复合动作，如图2 9 所示。这些动作都决定于液压系统的 设计【柏】。 图2 9 挖掘机：i ：作过程图 ， 2 4 典型挖掘工况下油路分析 ，- 2 4 1 典型挖掘工况下主油路分析( 参见附录z a x i s 5 5 u r h h e 原理图) - 1 、挖掘过程：铲斗缸伸出、斗杆缸伸出、动臂缸缩，三者复合动作。 1 ) 铲斗 进油：油箱一过滤器一主泵一压力补偿阀一单向阀一铲斗换向阀右位一铲斗 缸无杆腔 回油：铲斗缸有杆腔一铲斗换向阀右位一油冷却器扣过滤器一油箱 2 ) 二+ 杆 进油：油箱一过滤器一主泵一压力补偿阀一单向阀一斗杆换向阀的左位一斗 一 杆缸无杆腔 回油：斗杆缸有杆腔一斗杆换向阀左位一油冷却器一过滤器一油箱 3 ) 动臂 沈1 5 1 1 理r 火学硕士学位论文 ； 进油：油箱一过滤器一主泵一压力补偿阀一单向阀一动臂换向阀的左位一动 臂缸有杆腔 回油：动臂缸无杆腔一动臂换向阀左位一动臂抗漂移阀一油冷却器一过滤器 一油箱 2 、提升、回转过程：动臂缸伸出升、铲斗缸伸出、上车右转，三者复合动作。 1 ) 动臂 进油：油箱一过滤器一主泵一压力补偿阀一单向阀一动臂换向阀右位一动臂 缸无杆腔 回油：动臂缸有杆腔一动臂换向阀右位一动臂抗漂移阀一油冷却器一过滤器 一油箱。 2 ) 铲斗 进油：油箱一过滤器一主泵一压力补偿阀一单向