应对闭式非驱动液压系统冲击负载的解决方案.pdf

Hv d r a ul i c s Pn e uma t i c s S e a l s ／ No ． 1 0．201 1 应对闭式非驱动液压系统冲击负载的解决方案 林 海斌 萨澳行走液压 上海 有限公司， 上海2 0 0 2 3 3 摘 要本文从系统弹性模量着手研究了闭式非驱动系统在遭受 冲击 负载时， 系统冲击产生 的原 因及其解决方案 。 采取在 回路 中添加 蓄能器 的方法来防止系统低压侧压力下降 。实验证明添加蓄能器后系统低 压侧压力稳定 。 关键 字 闭式非驱动 ； 弹性 模量 ； 冲击 ； 蓄能器 中图分类号 T H1 3 7 ． 9 文献标识码 A 文章编 号1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 1 0 0 0 5 9 0 3 S o l u t i o n f o r C l o s e d Ci r c u i t No n P r o p e l Hy d r a u l i c S y s t e ms S u b j e c t t o S h o c k L o a d i n g Li N Hai bi n S a u e r D a n f o s s - D a i k i n Mo b i l e H y d r a u l i c s S h a n g h a i C o ． ， L t d ． ，S h a n g h a i 2 0 0 2 3 3 ，C h i n a Ab s t r a c t Re a s o n s a n d S o l u t i o n s f o r s h o c k l o a d i n g i n c l o s e d c i r c u i t n o n p r o p e l h y d r a u l i c s y s t e ms a r e s t u d i e d ． An a c c u mu l a t o r i s i n s t a l l e d i n t h e c i r c u i t t o k e e p t h e l o w l o o p p r e s s u r e I t i s d e mo n s t r a t e d t h a t a c c u mu l a t o r c a n e ff e c t i v e l y p r e v e n t t h e p r e s s u r e d r o p ． Ke y W o r d s c l o s e d c i r c u i t n o n - p r o p e l ； b u l k mo d u l u s ； s h o c k l o a d i n g ； a c c u mu l a t o r 0 引言 闭式非驱动液压系统 ，尤其是马达输 出端为低惯 性负载时很容易遭受到冲击负载的破坏 ，引起系统低 压侧压力下降。当压力降到允许的最低压力小时 ， 系统 元件会遭到严重破坏。故在设计此类机器 如破碎机 的液压系统时 ，一定要对系统冲击进行测试并根据测 试数据采取有效措施 。本文推荐在回路 中添加蓄能器 对低压侧进行补油 ，同时采用刚管连接 以提高系统的 刚度。此外 ， 尽量排除系统油液 中的空气也能有效 的防 止低压侧压力下降。 1 系统 冲击 分析与研究 1 ． 1 冲 击产 生概 述 闭式非驱动系统中 ，当马达驱动一个低惯性负载 时， 若输出端遭受到冲击 ， 由于负载的低惯性会使马达 的输 出轴转速减慢。马达的转速减慢 ， 意味着流经马达 的流量变小。但是 ， 由于发动机 的高惯性 ， 发动机在短 时间内会保持输 出转速不变 ，即泵的输出流量也会短 时间内保持不变 。这就会引起 系统高压侧的压力上升。 同时 ， 由于低压侧的回油流量减少 ， 如果补油泵 的补油 收稿 日期 2 0 1 1 一 O 7 1 O 作者简 介 林海斌 1 9 8 4 一 ， 男 ， 硕 士研 究生 ， 毕业于 上海 大学机电工程与 自动化学 院机械电子工程专业 ， 现 在萨澳行走液压 上 海 有限公司从事 工程机械液压 系统应用工作 。 流量小于 回油 的减少量就会使低压侧压力下降。当下 降到低压侧允许的最低压力以下时就会引起泵和马达 的损坏。虽然有些系统可能带压力限制阀， 但在瞬间其 对冲击负载很难起到抑制作用。 图 1为系统遭冲击负载时的一组测试 曲线。测试 项 目包括 低压测压力 、 高压测压力 、 补油压力 、 马达和 泵的壳体压力及泄油流量。采样频率 2 0 0 H z 。 p s i p s i P s i℃ 4 5 0 4 5 0 4 5 1 4 9 0 0 OO O O0 0 0O 4 4 0 。 0 ／ P l ㈠ ／ J l r I 、 、 十 、 川 1i． 一 ； I 』 I j I ； r T ， 下广 一 j f 加 一 f l ’ 。 _ 『__ L 一 一7 ．L }一一 1 l P． 一 高压侧压力P 2 - 低 压侧压 力P 3 - 补油压力 一 马达壳体温度 一 马达壳体 流量 一 泵壳体 流量 图 l 冲击负载工况的测试 啦线 从 图 l 可 以看出， 高压侧压力开始上升时 ． 相应地 低压侧压力和补油压力开始下降 ， 甚至降为 0 。故此时 系统将遭受严重的损坏 。当冲击消失后 ， 高压侧压力开 始下 降 ，同时低压侧压力经过大约 3个周期 的振荡后 q 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 1年 第 1 0期 趋于平稳 ， 并恢复为补油压力。 1 _ 2系统弹 性模 量 液 压 系 统 的有 效 弹性 模 量 卢 主要 受 三 部 分 的影 响 ， 管道 钢管 ， 胶管 、 油液 和油液 中的空气含量 ， 其定 义如式 1 所示。弹性模量表征了系统的刚度 ， 值越 大 ， 系统刚度越大 ， 即引起单位体积变化所需 的压力越 大。 图 2为系统弹性模量的一组测试 曲线。 从曲线可以 看出压力对弹性模量也有影响。相同管道时 ， 高压力下 的 弹性模 量 大 于低 压力 下 的 弹性模 量 ； 相 同压力 时 ， 钢 管的弹性模量大于胶管的弹性模量 ；油液中空气含量 越低 弹性模量越高 ； 此外 ， 随着油 中空气含量 的增加 ， 管道对弹性模量的影响变小 ，空气含量成为影响弹性 模量的主要因素。 图 2液 j 盘 糸 统 弹 性 模 量 测 式 曲 线 1 1 1 。 i 。 。 式中 有效弹性模量 ； 容器的弹性模量 ； J B 。 空气的弹性模量 ； 油 液 弹性 模量 ； 空 气含量 百 分 比 ； 6 液压油百分 比。 实 际应用 中经常采用胶管连接 ，其液压系统 的弹 性模量约为 1 3 0 0 0 0 p s i 。同时， 弹性模量也可用公式 2 表 达 A p 2 式 中 。 弹性 模量 ； △ p 压力变化值 ； △ 体积变化值 ； 溶液体积。 负号一 表示随着压力增加， 溶液体积会减小 将式 2 右侧的分子分母 同时除以 得 二 3 式中 - 』 玉 力增加率， 其决定了所需的补油流量； 一 流量 Q 。 由式 3 可得 Q 4 由式 2 一 4 可知 ， 当高压侧压力升 高时 ， 高压侧 管道中的油液受到压缩而体积减小。而减小的部分就 是流 回低压侧流量的减小量，也正是补油泵需要补充 的部分 。故从式 4 就可以计算出低压侧所需的补油流 量 。若补油泵流量不足以弥补油液的减小量时， 低压侧 压力下降 ． 系统性能将受到影响。 2 解决方案 2 ． 1 安 装蓄 能器 如图 3所示 ， 在回路中安装蓄能器。当低压侧压力 下降时 ， 蓄能器通过单 向阀向低压侧补油 ； 低压侧压力 正常时， 补油泵向蓄能器充液。图 4和图 5分别为带和 不带补油泵时的系统测试曲线 。从测试 曲线可以明显 看出． 装有蓄能器的液压系统在冲击负载发生时 ， 其低 压侧 的压力 稳 定 ，而无 蓄 能 器 的系 统其 低 压侧 压 力 波 动较大，在冲击负载发生时其低压侧压力甚至降为 0 ， 这将对 系统造成严重危害 。 图 3 带补 油泵 的系统原理图 鲫 ∞ 如 ∞ 舳 ∞ ∞ ∞ d ， Hv d r a ul i c s Pn e uma t i c s S e a l s ／ No ． 1 0． 2 0l 】 一帆侧 ＼／ 批 ， 低 侧＼ 、 | 琐 载 ＼ ＼、 。 一 一～ ⋯ 一 0 图 4 低压侧无蓄能器系统测试曲线 N f l 川 ／ s 图 5 低压侧带蓄能器系统测试曲线 2 ． 2增加 补 油泵排 量 若仅仅是从增加低压侧补油量考虑 ，增加补油泵 排量也是一个可以考虑的方案 。但到底需要将补油泵 排量增大到多少 ， 必须根据系数参数进行计算 。实验中 高压侧胶管的体积为 3 5 7 i n s ，压力增加率 为高压侧 △ 压力 曲线 的最大斜率 ， 约为 7 90 0 0 p s i ／ s e c ， 计算过程和 结果如式 5 所示。 Q 一 5 6 ． 4 g p m 5 系统发动机转速为 1 8 0 0 ff m i n ，取 0 ． 9 4的总效率 ， 可计算 出所需补油泵排量为 7 ． 7 i n ， 比主泵排量 6 ． 1 i n 。 还大 ， 6倍于补油泵排量 1 ． 2 i n 。补油泵加大将增加系 统的功率消耗 ， 而且成本也将极大增加 。由此可见 ， 增 大补油泵排量的方案并不太理想。 3 蓄能器计算 采用蓄能器对低压侧进行补油时 ，需根据系统参 数进行计算来选择合适大小的蓄能器。蓄能器 的计算 公 式如 式 6 所示 。 警 警 警 ㈤ 7Tl 、 式中 一蓄能器 的充气温度为 8 5 。 F ； 操作温度 4 0 。 F， 为低压侧温度 ； p 蓄能器的充气压力 ， 7 0 ％最低系统压力 ； P． 最 高系统压力 ， 设为 4 0 0 p s i ， 为补油泵压 力 p 最低系统压力为 2 5 0 p s i ， 为低压侧允许 的 最低压力。 其中 。 2 AV 由式 2 可得 7 AV 8 最大的压差 △ p 为 4 3 1 l p s i ， 代人式 4 计算得 AV 一 1 1 ． 8 i 由式 6 一 8 可计算 出所需蓄能器 的体积为 V 58 ． 1 i n 由此可见系统所需的蓄能器容积不大。但在实 际 应用 中，选用的蓄能器其容积必须大于计算所得的容 积 。 4 结论 1 闭式非驱动系统在遭受 冲击负时 ， 低压侧压力 下降会 引起系统元件的损坏 。 2 在 回路 中添加蓄能器能有效地补充低压侧流 量和保持低压侧压力稳定 ，并且所需蓄能器的容积并 不大 。 3 采取增大补油排量 的方式给低压侧补油不合 理也不经济。 4 用钢管连接 的系统其有效弹性模量 比用胶管 的系统高 ，同时油液空气含量对系统弹性模量有重要 影 响 。 参 考 文 献 S a u e r Da n s s S y s t e m Ap p l i c a t i o n e n g i n e e r ． C l o s e d C i r c u i t n o n n r o p e l h y d r a u l i c s y s t e m s s u b j e c t t o s h o c k l o a d i n g ． S a ue r Da nf 0 S S ． 2 0 06 1 ～1 0． AL I V0L KAN AKKAYA． E f f e c t o f b u l k mo d u l u s o n p e r f o r ma n c e o f a h yd r o s t a t i c t r a ns mi s s i o n c o n t r o l s y s t e m [ J J ．S A D H A N A ，2 0 0 6 1 - 1 4 ． Yu J ， Ch e n Z ， L u Y． T h e v a r i a t i o n o f o i l e ff e c t i v e b u l k m o d u l u s w i t h p r e s s u r e i n h y d r a u l i c s y s t e m s 【J J ． T r a n s ． A S ME J ．D y n ． S y s t ． Me a s ．C o n t r o l 1 9 9 4 1 1 6 1 461 5 0． Ma n r i n g N D． T h e e f f e c t i v e fl u i d b u l k mo d u l u s w i t h i n a h y d r o s t a t i c t r a n s mi s s i o n ．T r a n s ．AS MEJ ．Dy n ．S y s t ． M e a s ． C o n t r o l 1 9 9 7 1 1 9 1 4 6 2 4 6 6 ． S a u e r Da n s s S y s t e m Ap p l i c a t i o n e n g i n e e r ． S h r e d d e r a n d Mu l c h e r P r o p e l S u b s y s t e m． S a u e r Da n f o S S ． 2 0 1 1 ． 吴 晓明， 高荣殿， 王益群． 蓄能器工作参数 的选择 『 J ] ． 液 压与气 动， 1 9 9 6 1 ． 许益 民． 电液比例控制系统分析与设计『 M] ． 北 京 机械工业 出 版社 ． 2 0 0 5 ． 61 ⋯