负载敏感控制在公路养护设备液压系统中的应用.pdf

Ma in t e n a n c eMa c h i n e 养 r y C 机 on械s t r uc fi o n 施 Te 工 c h n 技 o l o 术 gy RM CM ■ ■ ■ ■ ■ ● ■ ■ ■ ■ ■ 负 载 敏 感控 制 在 公 路 养 护 设 备 液 压 系统 中 的应 用 Appl i c a t i on o f Loa d Se ns i ng Co nt r o l i n Hydr a ul i c S y s t e m o f Roa d M a i nt e - na nc e Equi pm e nt 王素梅， ， 樊晓旭。 ， 张志波 W ANG Su m ei ’ ，F AN Xi a o X U ， ZHANG Zh i b o 1 ．河 南 高 远 公 路 养 护 设 备 股 份 有 限 公 司 ， 河 南 新 乡 4 5 3 0 0 3 2 ．陕 西 交 通 建 设 集 团公 司 商 漫 分 公 司 ， 陕 西 商 洛 7 2 6 0 0 0 1．Henan Gaoyuan Road M ai nt en an ce Equi pm en t Com pany，Xi nxi ang 453003，Henan，Chi na 2 ． Sh a n g m a n Br an c h Com p a n y，S h a a n xi P r o v i n c ial Com m un ic a t i o n Con s t r u c t ion Gr o u p ，Sh a n g l u o 7 2 60 0 0 ．Sh a a n x Chi na 【 摘要 】 针对公路养护设备野外作业工 况恶劣的施工现状 ， 对公路养护设备液压系统 的工作效率和可靠性等 方面 进行 研 究 ， 并 引 入液 压 节能 新技 术 。结 果 表 明 ， 负载 敏 感控 制 应 用于 公 路养 护 设 备液 压 系统 可 提高 工 作效 率 ， 达 到 节 能 、 增 强 可靠 性 的效 果 。 【 Ab s t r a c t】F o r t h e s e v e r e f i e l d wo r k i n g c o n d i t i o n o f r o a d ma i n t e n a n c e e q u i p me n t s ， t h e e f f i c i e n c y a n d r e l i a b il it y of h ydr aul i c s yst em w er e st udi ed，and a new t echnol ogy of ener gy sa vi ng w a s i nt r oduc ed．The r esul t show s t hat t he appl i c at ion of loa d sensi ng c ont r ol i n hydr aul i c s yst em of r oad m ai nt enance equi pm ent can i m pr ove t he s ys t em ef f i cienc y，r eal i z e ener gy s avi ng and enhanc e t he r el i abi l it y． 【 关键词 】 负载敏感控制 ； 液压系统； 节能； 可靠性 【 K e y wo r d s】l o a d s e n s i n g c o n t r o l ； h y d r a u l i c s y s t e m； e n e r g y s a v i n g ； r e l ia b i l it y 中 图 分 类 号 U4 1 5 ． 5 2 文 献 标 志 码 B 文 章 编 号 1 0 0 0 - 0 3 3 X 2 0 1 3 0 2 - 0 0 6 3 - 0 3 0 引 言 近 几年 来 ． 中 国公路 建 设取 得 了突 飞 猛进 的发展 ， 公 路 交 通 网也 得到 了不 断延 伸 。 同时 ， 随着 车流 量 的快 速 增 加 及 重载 车 辆 的增 多 ． 公 路 路面破 损越 来越 严 重 。快 捷 、 有效 地对 破 损路 面 进 行改 造 或预 防性 养 护 ，是 公路 养 护 工作 者 的重 要使 命 。 为 了提 高公 路养 护 设备 的 作业 效 率 和 对 施 工环 境 的适 应 能 力 ，公 路 养护 设 备研 发 人 员对 养 护设 备液 压 系统 的效率 和 工作 可 靠性 等 方面 进 行深 入 的 研 究 分析 ． 引入 液 压 高新 技 术 ， 使 公路 养 护设 备 在作 业 效 率 、 功 能扩 展 等 方面 不断 进 步 ， 提 高 了设 备 的可 靠性 。 国内 公路养 护设 备 的研 发虽 然 起步 较 晚 。但 由于 消 化 、 吸 收 了大 量 国外 先进 技 术 ， 已经具 备较 强 的 科技 实 力 和 国际 竞 争力 。 设备 多采 用 机 电液 一体 化 设计 与液 压 系 统 多 回路 设计 。 结构 较 复 杂 。而且 养 护作 业 多 数在 野 外 ， 工 况恶 劣 ，对 液压 工 作执 行 系统 的效 率和 可 靠 性要 求 较 高 。为 了提 高 系统 的稳定 性 、 节约 能 量 、 降低油 温 和 提 高 控制 精度 ．设 备工 作 执行 机 构 尝试 应用 负载敏 感 控 制 技 术 。实 践证 明 ， 负载 敏 感控 制 技术 是 一种 提 高 系统 效 率 、 减 少 系统 故 障和 保 障工 作可 靠 性 的好 方 法 。 1 负 载 敏 感 控 制 系 统 介 绍 负载敏 感 控 制就 是将 变化 的 负载压 力反 馈 到液 压 回 路 的压 力 补偿 装 置 或液 压 泵 的 变 量调 节 机 构 中， 使 液 压 系统 动 力 源供 应 的压 力和 流 量 能与 执 行 元件 负载 的变 化 养护 机械 ＆ 施 工技 术 Ma i n t e n a n c e M a c h i n e r y＆ C o n s t r u c t i o n T e c h n o l o g y 相适 应 ； 液 压 泵只 需提 供 与执 行 元件 负载 相 匹配 的压 力 、 流量 功率 ， 液 压 系统 中不产 生过 剩压 力 和过 剩流 量 或 者相 对于 系统压 力和 流 量值 来 说很 小 ， 因而具 有 显著 的 节能 效 果 。液压 传动 与 控制 的负载 传 感和 压 力补偿 是 一 项解 决 节能 、 调 速 、 复合 动作 的新技 术措 施 。 简 而言 之 ． 负 载敏 感控 制 技术 就 是一 种将 负载所 需 的压 力 、流 量 与泵 源 的压 力 、 流 量 匹配 ， 以最 大程 度提 高 系统 效率 的技术 。 2 公 路 养 护 设 备 液 压 系 统 设 计 存 在 的 问 题 公 路养 护 设备 液压 系统 设 计 中普 遍采 用定 量 泵 节流 调速 系统 。 由于 液压 泵 的输 出功率 不 能和 负载 的要 求相 匹配 ，容 易 造成 液压 油 发热 和 系统 内泄 ，导致 系统 效 率 低 、 故 障多 ⋯。 为 了改进 系 统 的可 靠性 ， 设 计 人 员通 过 采 用 新技 术 、 新 元件 等 措施 降低 故 障率 ， 实 现最优 化 设计 。 3 同步 碎 石 封 层 机 液 压 系 统 设 计 优 化 3 ． 1 同步 碎 石 封 层 机 液 压 系统 介 绍 同步碎 石封 层 机液 压 系统 是 实现 公 路养 护施 工 中沥 青 结合 料 、 纤 维和 碎 石 的 同步 撤 洒 布 的关键 控 制 系统 。 在 考虑 整机 传 动 与控 制 系统 的设计 方案 时 ，由于 多 路 负 载 同 时工作 ， 且单 泵 系统 具 有 多个 回路和 执 行 元件 ， 每一 支路 有 不 同 的压 力和流 量 需 求 ．为避 免 系统产 生 过 多 的 能量 损 耗及 热 损耗 ，所 以优 先应用 负载 敏 感 系统解 决 其 实 际 问 题 3 ． 2 沥 青 泵 马 达驱 动 系统 设 计 优 化 以最简 单 的 同步碎 石 封层 机 沥青 泵 马达 驱动 系 统 为 例 。如 图 l 所 示 ．此轴 向柱 塞 变量 泵 上配 置压 力一 流 量补 偿器 、 方 向控 制滑 阀和 作 动油 缸 ． 组 成 一个 负载 传 感 变量 泵 系 统 。压 力一 流 量 补偿 器 包 括 了负载 敏 感 阀 L S 阀 和 压 力 控 制 阀 P C阀 。 当液压 马 达 和 液 压 油 缸 同时 动 作 圈 1沥青 泵 马达 驱 动 系统 的工 作 原 理 时 ， 负载压 力通 过P VG阀 内部 的梭 阀压 力 比较 ， 其 最 高 负 载 敏 感 压 力 信 号 反 馈 到 负 载 敏 感 阀 。 泵 控 制 系统 通 过 比 较 泵 出 口与 负载 敏感 回路之 间 的相 对压 力来 调 节泵 变量 伺服 液压 缸 内 的伺服 压 力 ， 对斜 盘 角度 进 行控 制 ． 从 而 改 变 泵 的排 量 。压 力控 制 阀直 接 受到 液压 泵 出 口压 力油作 用 ， 当压 力 值超 过 其调 定值 时 ． 通 过作 动 油缸 使 液压 泵流 量减 小并 趋 近于0 。 这样 液压 泵 可 以根据 系统 需 求提 供 必 要 的流量 及压 力 ， 实现 节 能 、 高效 。 系统 不 工作 时 ， 补 偿器 使其 能够 在较 低 的压 力 下保 持待 机状 态 。 当系统 转 入工 作状 态 时 ， 补偿 器 感应 系统 的流量 需 求 ， 并在 系统工 况 变 化 时根据 流 量 需求 提供 可调 的流 量 。 3 ． 3 系统 设 计 优 化 效 果 评 价 在 同步 碎石 封层 机 负载 敏 感 系统 中 ．负载敏 感 变 量 泵与 带压 力补偿 的P VG阀 配合 使 用 ，可 以实 现单 泵 驱动 多个 执 行机 构 的独 立调 速 ，各执 行 元件 不 受外 部 负载 变 动和 其他 执 行 元件 的 干扰 。负载 敏 感控 制 系统 是 实现按 需供 油 、 按 需供 压 、 减 小 能量 损 失 、 提高 效率 的调 速 方案 。 4 负 载 敏 感 控 制 系 统 特 性 分 析 负载 敏 感 控 制 L S 控 制 泵 为 系统 提 供 与 实 际 工 作 负荷 相 匹配 的压 力及 流 量 l 2 。如 图 1 所 示 ， 方 向 阀在 中位 时 ， 泵 出 口流量 为0， 同时保 持低 的待命 压 力 。 此时 负载 敏 感设 定值 即为 系统 工作 在 中位 时 泵的 出 口待 命 压 力 负载 敏 感控 制 系统 使用 一种 中位 闭合 带 负载敏 感 反 馈通 道 的并 联 多路 阀 。系统 中最 高 工作 压 力信 号通 过 阀 块 上 负 载 敏 感 反 馈 通 道 与 泵 上 的 L S口 相 连 。 方 向 阀 进 、 出 口压 差对 应 泵 出 口压 力 与L s 反 馈 回路压 力 。该 系统 通 过 比较 阀进 、 出 口压 差 变化 来调 节 泵排 量 。进 、 出 口压 差 降低 ， 意味 着 系统 需要 更 多流 量 ， 泵排 量 加 大 ； 反 之 ， 应减 少 泵排 量 ， 直 到工 作 阀进 、 出 口压 差 保持 设定 值 。 L S阀 的 流 量 方 程 为 Q K A P - p 1 式 中 Q 负载 的流 lr L m i n 一 ； 一 流量 系数 A 比较 阀的横 截面 积 mz ； m 与 比较 阀 口形式 相 关的指 数 p 负载压 力 ； p 系统压 力 。 在调 节 过程 中 ， 倘 若 阀芯 不动 ， 则其 平衡 受 力情 况 为 尸 2 A p F ／ A 3 式 中 L S ff的 阀芯弹 簧设 定压 力 MP a ； 4 作 用在 阀 芯上 的有 效 面积 m ； △p 压 差 力 。 由式 2 可 知 ， 压 差 力要 想 为 恒值 ， 即 要 求 L S 阀 阀芯 内 的弹 簧压 力值 是 恒值 。 倘若 负载压 力变 化 时 ， 通过 调 节 L S 阀来 推 动 变 量 缸运 动 ， 最 终 保证 流过 比较 阀 口的 压 差 值 是恒 定 的 ， 当想 要 改变 负载 速度 时 只需 要 改 变 比较 阀 进 、 出 口压 差来 调 节 泵排 量 。工作 阀块 进 、 出 口压 差 降 低 意 味着 系统 需要 更 多流 量 ， 泵排 量加 大 。反 之 ， L s 控 制 系 统减 少 泵排 量 ， 直 到工 作 阀进 、 出 口压 差保 持恒 定 值 。 其 最 大 特 点 是 可 以根 据 负 载 大 小 和 调 速 要 求 对 泵 进 行 控 制 ． 从 而 实现 按 需供 流 ， 同时 将调 速 节 流损 失控 制 在 很 小 的 固 定 值 5 负 载 敏 感 控 制 系 统 效 率 分 析 L S 变 量 泵 仍 然 会 有 节 流 损 失 ．但 是 不存 在 溢 流 损 失 。基于 L S 阀芯 弹簧 设定 值 较 小 约 1 ～ 2 MP a ， 所 以该 类 型液 压 系统 的节流 损 失很 小 ， 其 功 率 损耗 为 AN APQ 4 系统 的效率为 P L o ， P P o P P 一 P P P L ／ P p l -- a p ／ P p 。图2 中 的阴 影部 分 为变 量 泵 系统 的功 率 损耗 。从 图 中 可 以看 出 ， 该 种 系统 只有 很 少部 分 的节 流损 失。 由 此反 映 出 负载 敏 感 变量 泵 可最 大 程度 地 利用 液压 泵 的输 出功 率 ．进 一 步 提 高液 压 系统 效 率 。 P P P JP b P J D PL O Q Q 图2变 量 泵 L S系统 的功 率损 耗 图3 为根 据 相 关数 据 整 理 的 负 载敏 感 系统 与定 量 节 口有用功率 田j负载敏感系统功率损失 定量节流调速系统功率损失 Q Q Q 。 Q 图3负 载 敏 赡 系统 与 定 量 节 流 调 速 系统 能 量 损 失 比较 Ma in t e n a n c eMa c h in e 养 r y C 机 on械s t r u c t i o n 施 Te 工 c h n 技 o l o 术 g y RM CM ● ■ ■ ■ ● ● ■ ■ ■ 一 流调 速 系 统 能 量 损 失 比较 。其 一 负载 压 力 为 ， 流 量 为 Q ， 工作点 为a ； 其 二负载压 力为P b ， 流量 为Q ， 工作 点为 b； 定 量 节流 调 速 系统 工作 点 为c ； 负载 敏 感 系统 工 作 点 为 d 。图 中阴 影部 分 为能 量 损 失 。可见 负 载敏 感 系统 能 量损 失小 ， 效率 高 。 6 工 程 实 践 同步 碎 石封 层 机应 用 负 载敏 感控 制 ，达 到 了较好 的 节能 效 果 。这 一技 术在 排 水性 路 面机 能恢 复车 的液压 系 统 上 已得 到 应用 。 笔者 公 司研 发 的排 水 性 路面 机 能恢 复 车 是一 种 用 于恢 复 水性 路 面机 能 的高 科 技 产品 ．因其 性 能 卓越 而 荣 获整 车 发 明专 利 。排 水性 路 面机 能 恢 复车 在 上 海世 博 园 区排 水 路面 进 行 了现 场清 洗养 护作 业 ．实 践 表 明 随着 污 水罐 污 泥量 的增 加 ， 驱动 马达 阻 力增 加 ． 意 味 着 负载 增 加 。 当负载 的压 力产 生 的力 与 负载 敏感 阀右 侧 的弹簧 力 之和 大 于 泵 出 口压 力 产 生 的力 时 ．负载 敏 感 阀 阀芯 右移 ． 减 小 泵 的斜 盘倾 角 ． 减 小 泵 的排 量 ． 使 系 统 获 得 需要 的压 力和流 量 。 输 出满 足 工作 机 构所 需 的 功率 ． 同 时 不影 响 其他 机构 的动 作 。 当系统 压 力达 到压 力补偿 阀 调 定 值 时 ， 压 力补偿 阀作 用于 左 位 ， 推 动 变量 机 构 ， 使 泵 达到 最 小排 量 ， 使 功 率 损 失减 小 ， 实 现 节能 。经 实 践 使 用 证 明 ． 该 系统 的输 出 流量 与 负载 相 匹配 ． 降低 了 损耗 。 减 少 了 能 量 损 失 。 7 结 语 负载 敏 感控 制 系统 是 一 种将 负 载所 需 的压 力 、流 量 与泵 源 的压 力流 量 匹 配起 来 ，最 大程 度 提 高 系统 效率 的 技 术 ． 应 用 在 公路 养 护设 备 工作 系统 中 ． 可 以提 高 设备 的 效 率 和稳 定 性 。 参 考 文献 [ 1 ] 赵 静 一 ， 曾 辉 ， 李 侃． 液 压 气动 系统 常见 故障 分析 与 处理 [ M ] ． 北京 化 学工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 2 ]周 雄， 朱新才， 李 良． 负载敏感控制在液压钻机中的应用[ j ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 7 ， 3 5 8 1 2 9 1 3 0 ． 收 稿 日期 2 01 2-0 7 -0 8 [ 责 任 编 辑 袁 宝 燕 ]