泵控液压缸技术 课件 第4章补油系统回路类型及性能分析

泵控液压缸技术泵控液压缸技术补油系统关键元件及其特性44.1.1补油系统功能补油系统，是协调、匹配泵直驱液压缸技术非驱动腔压力和流量的关键部件，其在很大程度上影响了泵直驱液压缸技术控制的可靠性、散热性能。补油系统补油系统功能及特性第1节主要功能：（1）通过单向阀或单向溢流阀向系统低压腔补油，补充系统液压油的泄漏；（2）在系统的低压腔建立起一定的压力，改善主泵进油口的吸入性能，防止系统工作时气蚀现象的发生；（3）通过补入凉油置换系统内的热油，对系统进行冷却；（4）作为泵、马达变量控制机构、制动器控制机构等的先导控制油源。4.1.2补油系统类型（a）液控单向阀平衡回路补油系统功能及特性第1节补油系统的回路可以根据所采用的油源形式、辅助阀及辅助阀控制方式的不同进行区分：（1）油源主要有两种形式，称为带压油箱或蓄能器的油源和补油泵、溢流阀、蓄能器等小型供油系统；（2）辅助阀主要有液控单向阀、三位三通阀和、二位二通阀等；（3）辅助阀的控制方式有直接以压力信号作为控制信号，或者由控制器根据所采集的压力信号控制辅助阀的启闭（b）液控三位三通阀平衡回路（c）电控二位二通阀平衡回路（d）电控三位三通阀平衡回路4.1.3补油系统对系统运行特性影响补油系统功能及特性第1节（1）泵直驱的液压系统中的补油系统往往被独立出来而成为集中补油系统。系统除用于补充油液泄漏、降低油温以外，还作为泵和马达排量控制机构、制动器等的先导油源。蓄能器可实现液压缸的不对称流量的平衡；增加补油系统压力，可改善液压缸刚度和动态特性；补油泵排量过小导致系统无法正常工作；补油泵排量过大、补油流量过多导致功率损耗。（2）补油系统工作时，由于泵和马达的机械效率和容积效率的存在，系统功率损失的部分都将会通过不同的方式转化为系统的发热，且液压系统长期工作使用后液压元件会产生磨损，这会造成泵和马达的容积效率下降，进而导致液压系统的泄漏量以及发热功率增大。（3）以4000t级履带起重机的泵直驱单出杆液压系统的补油系统为例。恒压恒排量，增大转速，系统液压油需求量增大，系统所需最小匹配补油泵排量逐渐减小。转速、工作压力以及主泵排量会导致系统泄漏量与油温不同，导致不同补油系统的最小匹配排量不同。谢谢太原理工大学机电装备节能与智能控制技术团队泵控液压缸技术泵控液压缸技术补油系统关键元件及其特性44.2.1液控单向阀开关状态分析液控单向阀流量平衡回路性能分析第2节液控单向阀流量平衡回路基本原理是通过两个液控单向阀C1、C2根据差动缸两腔压力信息，控制油源与液压缸两侧回路的连通状态来平衡差动缸进出口的差异流量。两个液控单向阀开关状态除了油源同时仅有一腔连通，还存在着同时开启（油源同时与两腔相通）和同时关闭（油源同时与两腔不相通）的情况。通过仿真，观察斗杆在摆动过程中，液控单向阀C1、C2开关状态的变化以及对系统性能的影响。液控单向阀平衡回路4.2.2液控单向阀流量平衡回路仿真分析液控单向阀流量平衡回路性能分析第2节忽略系统元件泄漏、管道损失等因素，假定油源压力不变。仿真模型、主要仿真参数如下液压缸运行过程中保持泵转速不变，观察液压缸活塞杆逐渐伸出的过程，系统主要参数的变化。结合阀C1、C2的开关状态，仿真结果如下：名称及符号数值名称及符号数值活塞直径D95mm油源压力pc1MPa活塞杆直径d60mm单向阀开启压力pcr0.3MPa液压缸行程L1160mm油源弹性模量βe700MPa折算质量M1000kg粘性摩擦系数Vc1000N/(m/s)4.2.3液控单向阀流量平衡回路性能特点及改进液控单向阀流量平衡回路性能分析第2节两个液控单向阀在进行正常的两种开关状态（指C1开启、C2关闭和C1关闭、C2开启）的切换过程中，会经历多种开关状态，油源与液压缸两腔的连通状态也多次改变。液压缸伸出的过程中，两液控单向阀C1、C2的开关状态的变化过程表现在图（a）中。此过程会引起压力突变，速度振荡等现象，因此应尽量减少两种正常开关状态切换之间其他的状态变化，使切换过程平稳。此外，在两种正常开关状态切换的前后，由于变化前后决定差动缸速度的有效作用面积发生变化，为使变化前后速度相同，应及时调整泵的输出流量。

回路中液控单向阀开启方式的变化（压差作用或先导作用）会造成两腔压力发生突变，引起液压缸速度发生振荡现象。为减小这种变化的影响，使单向阀开启pcr越小越好，考虑理想情况，此时两阀的开关状态如图（b）。图（a）图（b）谢谢太原理工大学机电装备节能与智能控制技术团队泵控液压缸技术泵控液压缸技术补油系统关键元件及其特性44.3.1液控换向阀流量平衡回路工作状态分析液控换向阀流量平衡回路性能分析第3节（a）p2-p1>pcr，v>0（b）p1-p2>pcr

，v>0（c）p2-p1>pcr

，v<0（d）p1-p2>pcr

，v<0

根据对液控换向阀原理的分析，得出a区域和c区域回路的四种工作状态。当p1-p2>pcr时，换向阀下位接通：活塞伸出，油源向有杆腔一侧补充所需油液，如图（b）；活塞退回，油源吸收泵输出的多余流量，如图（d）。此时液压缸的速度v由泵的输出流量q和无杆腔有效面积A1确定，v=q/A1。当p2-p1>pcr时，换向阀上位接通：活塞伸出，油源向无杆腔一侧补充所需油液，如图（a）；活塞退回，油源吸收无杆腔输出的多余流量，如图（c）。此时液压缸的速度v由泵的输出流量q和有杆腔有效面积A2确定，v=q/A2。当|p1-p2|<pcr时，油源与液压缸两腔的连通状态处于图4-11中的c区域。液控换向阀流量平衡回路仿真分析液控换向阀流量平衡回路性能分析第3节AMESim中液控换向阀流量平衡回路仿真模型4.3.2由仿真结果可知，随着活塞逐渐缩回，振荡现象随着外负载力的变化出现逐渐减小的趋势，并在在某一时刻稳定下来，当p2-p1>pcr时，换向阀上位接通，油源与无杆腔一侧相通，若发生振荡现象后，外负载力不变，则振荡将持续下去。4.3.3液控换向阀流量平衡回路性能特点及改进液控换向阀流量平衡回路性能分析第3节通过对液控换向阀流量平衡回路的工作状态及仿真分析，总结回路性能特点及改进方向如下：（1）为了避免空化现象，通常要在回路中并联两个单向阀，防止回路中压力过低，或者使用正开口型式的换向阀，使阀芯处于中间位置时，油源与液压缸两腔同时连通，可以利用阀口的阻尼作用，减轻振荡现象。（2）油源与液压缸一腔连通变化到与另一腔连通前后，由于有效作用面积发生变化，造成液压缸速度发生变化。为使变化前后液压缸速度相同，应及时调整泵的流量。（3）与液控单向阀流量平衡回路类似，速度的变化或外负载的变化都会引起两腔压力的变化，当两腔压力变化改变了阀芯的位置后，油源与液压缸两侧回路的连通状态发生变化，又会造成速度的变化。某些工况下，在阀芯位置和惯性力、摩擦力等的相互作用下，系统出现振荡现象。（4）当两腔压力在|p1-p2|<pcr的过渡区域附近时，此时外负载力较小，油源与液压缸两腔的连接状态最易发生改变，为振荡现象易发生的区域，且负载质量越大，振荡现象越严重。减小pcr既减小c区域的面积，可以缩小易发生振荡现象的范围。4.3.4辅助阀流量平衡回路振荡现象分析及改进方向液控换向阀流量平衡回路性能分析第3节通过以上分析总结，液控单向阀和液控换向阀流量平衡回路适合运用在负载变化小，且方向不变的工况下，而斗杆液压缸外负载力大小和方向均会随着活塞位移变化，并且一般要求负载对速度的影响越小越好。下面对两者都存在的问题进行总结分析。通过对液控单向阀和液控换向阀流量平衡回路的性能分析，发现两者在一定的工况下都存在着振荡现象，这种现象几乎存在于所有的辅助阀流量平衡回路中，在一定程度上限制着泵控差动缸系统的性能及应用。在采用辅助阀平衡泵控差动缸流量的回路中，辅助阀的作用是根据液压缸两腔的压力信息控制油源与两腔的连通状态，当两腔压力的变化改变了辅助阀的工作状态时，由于液压缸两腔有效作用面积不同，会造成液压缸速度发生变化，速度变化引起惯性力、摩擦力等的变化，这些变化又将体现到两腔压力上，引起辅助阀工作状态的再次改变，造成系统振荡现象的发生。振荡现象的表现形式包括辅助阀阀芯位移、两腔压力、液压缸速度、液压缸位移的振荡等，导致泵失去了对液压缸的控制，降低系统的性能。4.3.4辅助阀流量平衡回路振荡现象分析及改进方向液控换向阀流量平衡回路性能分析第3节液压缸两腔压力和所受到的外负载力、惯性力以及摩擦力有关，结合对液控单向阀和液控换向阀流量平衡回路的分析，总结发生振荡现象的原因及改进方法如下：（1）外负载力的变化。液压缸所受外负载力的大小和方向变化，液压缸两腔压力也随之变化，当辅助阀根据压力信息改变油源与液压缸两腔的连通状态时，速度发生变化，系统出现振荡现象。因此当油源与一腔连通切换到与另一腔连通前后，为减小由于有效作用面积的改变而导致的液压缸速度变化，应及时调整泵的输出流量，使切换前后速度相同。此外，还需要考虑切换的过程，减