挖装机液压控制系统优化设计.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 2期 挖装机液压控制系统优化设计 冯凌聪 许 明恒 高宏力 西南交通大学机械工程学院 ， 四川成都6 1 0 0 3 1 摘 要 根据挖装机的性能要求 ， 分析 了节流控制 ， 负载敏感控制 和 L U D V控制三种阀控方式 ， 得出 L U D V控制更适合挖装机。液压泵 选择 L R C S控制 ， 泵和阀联 合控 制使挖装机更为高效 、 节能 ， 操作性 能也得到改善 。 关键词 挖装机 控制特性 ； L U D V； 泵控 中图分类号 U 4 5 5 ． 3 3 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 2 0 0 3 4 0 3 Op t i mi z a t i o n De s i g n o f Hy d r a u l i c Co n t r o l S y s t e m f o r Tu n ne l Lo a d i n g M a c h i ne FENG Li ng -c on g XU S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S o u t h w e s t Mi n g - h e n g G A0 Ho n g - l i J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e p e r f o r ma n c e r e q u i r e me n t s o f t u n n e l l o a d i n g ma c h i n e ， t h r o t t l e c o n t r o l ， l o a d s e n s i n g c o n t r o l a n d L UDV c o n t r o l t h e s e t h r e e v Mv e c o n t r o l me t h o d s a r e a n a l y z e d ， t h e r e s u l t i s t h a t L UD V c o n t r o l i s mo r e s u i t a b l e f o r t u n n e l l o a d i n g ma c h i n e ，L RC S c o n t r o l i s c h o s e for h y d r a u l i c p u mp ， t h e c o mb i n a t i o n o f v a l v e c o n t r o l a n d p u mp c o n t r o l ma k e s t h e t u n n e l l o a d i n g ma c h i n e mo r e e f f e c t i v e ， e n e r g y - s a v i n g ， t h e o p e r a b i l i t y i s a l s o i mp r o v e d ． Ke y W o r d s t u n n e l l o a d i n g ma c h i n e ； c o n t r o l l a b i l i t y ； L U DV；p u mp c o n t r o l O 引言 隧道在钻爆法施工中，出渣是制约隧道施工进度 的瓶颈 ， 直接影响施工成本 。而隧道挖装机集扒料 、 输 送 、 装卸等功能于一体 ， 效率较高 ， 对 隧道 内的空气污 染较低 ， 成为隧道钻爆法施工中重要的机械设备。目前 中国铁路和公路建设方兴未艾 ，许多地方都有隧道施 工 ， 使得挖装机拥有广阔的市场前景 。 在挖装机 的构成 中，液压控制系统是最核心的部 分 ，关系到挖装机的整体性能。为了使挖装机达到高 效 、 节能 、 操作性好等要求 ， 挖装机一般采用 阀和泵联 合控制 。本文详细介绍了现有的挖装机阀控和泵控 的 类型， 并分析它们的优缺点 ， 最终选择较优化的控制方 式 ， 使挖装机的整机性能得到提升。 l 液压 阀 现有的挖装机液压阀普遍采用多路阀 ，可实现多 个负载同时工作。 目前多路阀控制主要包括 节流控 制 、 负载敏感控制f L S 、 与负载压力无关的流量分配控 制 L U D V 。 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 5 2 5 作者简介 冯凌 聪 1 9 8 6 一 ， 男 ， 硕士研究生 ， 西南交通大学机械工程学院 机械电子工程专业 ， 现从事机电液一体化控制及 C A D研究 。 34 1 ． 1 节流 控制 节流控制多路 阀．又称为开中心直通回油六通阀， 通过控制三位六通阀主阀芯的位置来调整节流 口开度 ， 实现执行元件的流量控制。 由于结构简单 ， 成本较低 ， 节 流控制多路阀在 国产工程机械中运用比较广泛【 1 ] ， 其工 作原理如图 l 所示。 图 1节 流 控 制 原 理 图 节流调速是通过进油节流和旁路回油节流联合控 制 ， 如增大节流 口 1的通流面积． 会 同时减小节流 口 1 的通流面积 ， 使流入负载P． 的流量增加 ， 流回油箱的流 量减小。由于旁路节流会使一部分液压 油直接流向油 箱 ， 导致系统功率损失较大。流过节流阀的流量为 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ N o ． 2 ． 2 0 1 2 Q 、 ／ △ p 、 ／ p 1 式中C _ 一流量系数 节流 口通流面积 △ p 节流 口前后压差。 因此 ， 负载流量不仅与多路阀阀口开度有关 ， 还与 负载压力有关 ． 所 以． 负载压力会影响阀芯位置对流量 的控制 ， 阀的调速性能如图 2所示。 O 0 图 2节 流 控 制 调 速 特性 当负载 P ． 较小 ， 阀芯调节有效范 围较大 ， 死区 1较 小 ， 阀的操纵性能较好 ； 当负载 P ， 较大 ， 死 区 2较大 ， 流 量特性曲线变陡。 这会使阀在刚开始操作时 ， 不会有流 量流出 ， 当阀芯行程较大时 ， 阀芯的微小 动作又会使流 量变化很大 ． 操作性较差 ； 当负载 1 和负载 2同时工作 且P p 时 ， 液压油首先流 向小负载 P 。 执行器 ， 导致 p 执行器动作困难 ， 调速性能更差。 由于节流控制多路阀功率损失较大，阀的操作性 能较差 ， 所以挖装机的液压阀不推荐使用节流控制。 1 - 2负载敏感控制 L S 为了提高系统的节能性和阀的操作性 ，国外的挖 装机普遍使用负载敏感控制 L S 多路阀， 其原理如图 3 所示 。 图 3负载敏感控制原理图 可 以看出，负载敏感多路 阀将最大负载压力反馈 到变量泵 ， 当负载压力升高， 且 P ， 多路 阀将 P 的工 作压力反馈到变量泵 ， 变量泵 的斜盘倾角减小 ， 液压泵 的输出流量减小 ， 从而降低了溢流损失。反之 ， 当负载 压力较小时 ， 液压泵输出流量会增大。 负载敏感多路阀设置了压力补偿器 3和 4 ， 将负载 压力补偿到节流阀前端 ， 得到节流阀人口的压力为 P 3 _- p l p 2 p 2 3 式中p 压力补偿器的弹簧调定压力。 则节 流 阀的压差 为 △ p l 3 _ P l 4 △ p 2 4 2 5 因此 ， △ p 。 △ p ， 由式 1 可知 ， 流入 负载 的流量 只 与阀口开度有关 ，阀的可控性增强 。当泵能提供系统 足够 的流量方可实现多个负载复合动作 ．相互间并不 干扰 ； 但 当泵的最大输出流量小于执行器所需流量时 ， 若 p 。 p ， 系统没有足够 流量输出 ， 使 P p 印 ， 因此 △ p p， 这会造成高负载执行器速度减慢直至停止 ， 挖 装机 的复合动作难以实现。 1 ． 3 L UD V控 制 L U D V控制 ， 又称为与负载压力无关的流量分配系 统 ， 其原理如图 4所示 。 图 4 L UD V控 制 原 理 图 和负载敏感控制相似 ， L U D V控制将最大负载压力 反馈到变量泵 ，变量泵根据负载压力 的大小调节泵的 流量 ， 使系统更为节能。但和负载敏感控制不同的是 ， L U D V系统将将压力补偿器 3 、 4设在节流阀 1 、 2之后 ， 补偿 的压力来 自系统的最高负载。若 P 。 t 9 ， 则有 P 3 2 p 6 P 4 _- p 2 印 7 式中p 压力补偿器的弹簧调定压力 ， 因此 P _- p ， 3 5 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 2年 第 2期 则节流阀的压差为 I p 3 p - p 4 A p 2 8 和负载敏感控制相似 ， 流入负载的流量只与阀口开 度有关 ， 比负载敏感控制更为优越的是 ， 当变量泵处于 饱和状态时 ， 节流 口前后的压差始终一致 ． 流入负载的 流量都会按比例减小， 这使得复合动作可控性更好[2 1。 为了使挖装机达到节能 、 高效 、 可控性好等要求 ， 挖装机的多路阀采用 L U D V控制。 2 液压泵 液压泵应该根据多路阀的控制方式进行选择 。在 L U D V控制中，系统将负载的最大压力反馈给液压泵 ， 因此所选择的液压泵应该具有负荷传感功能。为 了防 止发动机过 载 ，还需控制液压泵 的功率 ，这里选择 L R C S控制的变量泵 ， 其工作原理如图 5所示[ 3 1 。 1 ～ 负 载 敏 感 闽2 一 恒 功 翠 阀 3 一 上 恬 塞4 一 下 活 塞 图 5 L R C S液压泵控制原理 图 L R C S控制泵主要包括负载敏感阀 1 和恒功率阀 2 。 恒功率阀 2是两位三通阀 ， 在弹簧力作用下， 恒功 率阀 2处于右位 ，这使得下活塞 4通过恒功率阀 2直 接回油 ， 在上活塞 3内的油压和弹簧力作用下 ， 液压泵 的排量增大。当系统压力较大时 ，上活塞 3内油压增 大， 顶起作用在上活塞 3上的摇臂 ， 通过杠杆作用使恒 功率阀 2处于左位 ，油泵压力油通过恒功率 阀 2和负 载敏感阀 1 直接进入下活塞 4 ， 推动活塞使变量泵的流 量减小 ， 由于上活塞杆右移 ， 作用在摇臂上的顶升力减 小 ，直到摇臂作用在恒功率阀 2的力与弹簧力平衡为 止 。当 L R C S变量泵在通轴驱动上安装有液压泵时 ． 液 压泵的工作压力通过 Z口反馈活塞上 ，活塞力作用在 摇臂杠杆上 ， 恒功率阀 2调整泵的排量 ， 使作用在恒功 率 阀 2上的力平衡。通过恒功率阀 2的控制 ， 使 L R C S 变量泵和安装在通轴驱动上的液压泵的总功率保持恒 定 。对 L R C S变 量泵 ， 有 p V C 9 3 6 式中p 工作压力 ； 变量泵 的排 量 ； C 常数。 其功率曲线如图 6所示[3 】 。 图 6 L R C S变 量 泵 总功 率 控 制 曲线 从 图 6可 以看 出 ， L R C S控制 变量泵是恒 功率控 制 ， 通过调节恒功率阀上的弹簧力 ， 功率特性可以在图 6曲线 区域 内调整。 负载敏感 阀 1也是两位三通阀， 其力平衡方程为 p A p A ， 1 0 式 中p 泵出口压力 ； A 负载敏感 阀 1的受压面积 p L U D V多路阀负载敏感腔的油压 ； 弹簧设定压力。 当 印。 A F时， 负载敏感 阀 1 处于右位 ， 下活塞 4右端通过负载敏感阀 1和恒功率阀 2直接 回油， 泵排 量增大 ， 使得泵出口压力增大 ， 直到 p A- p ， A F 。相反 当 1 p 时 ， 泵出口压力减小 ， 最终使 负载敏感阀 1 处于平衡状态。 负载敏感 阀 1 的作用是使系统压差 △ p p p 。 保持 恒定 ， △ p是 L U D V多路 阀进 E l 压力和 出口压力之差 ， 只要 △ p保持恒定 ， 流入执行元件 的流量只与多路 阀阀 口开度有关 ， 这使得系统的操作性较好 。负载敏感阀 l 还可以调节泵的出口压力 ，使泵的最大出口压力只 比 最大负载 P 大 出 △ p， 减小 了能量损失 ， 提高挖装机液 压系统性能[2 】 。 3 结论 挖装机的控制系统主要包括阀控和泵控。 在阀控 中， 节流控制结构简单 ， 但系统能量损失较 大 ， 可控性较差 ； 负载敏感控制在饱和状态下可实现复 合动作 ，比节流控制更为节能； L U D V控制继承了负载 敏感控制的优点 ，和负载敏感控制相比， L UD V控制在 非饱和状态也能实现多个负载同时动作 ， 且互不干扰 ， 因此挖装机的液压阀选择 L U D V控制。液压泵 的控制 应该与液压阀的控制方式对应 ， L R C S控制能根据多路 阀的压力调整主泵 出口流量 ，减少溢流损失 ， L R C S带 H y d r a u l i c s P n e u m a t i c s ＆S e a l s ／ N o ． 2 ． 2 0 1 2 基于 A M E S i m在液压千斤顶和 液压钻床工作台系统仿真技术中的应用 栾 骁 陈景鹏 孙 克 装备学院， 北京1 0 1 4 1 6 摘要 为 了深入学习并 掌握液压系统的理论知识 ， 并利用它指导工业生产实践 ， 解决实际生活中的应用问题 ． 本 文在理论上 阐述 了液 压千斤顶系统和液压钻床的结构及工作原理 ，并且利用液压仿真软件 A ME s i m对液压千斤顶系统和液压钻床的工作原理进行 了实物 建模和信号仿真 ， 并且 总结归 纳出了相应 的结论 ， 同时对 A ME s i m软件的功能实现和应用范围有了更深刻的掌握 ， 对液压的进一步研 究起着一定 的指导意义。 关键词 A M E S i m； 液压千斤顶 液压钻床 中图分类号 T H1 3 7 ． 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 2 0 0 3 7 0 3 S i mu l a t i o n o f a Hy d r a u li c J a c k a n d a Hy d r a u l i c P r e s s u r e Dr i ll i n g Ma c h i n e W o r k Ta b l e S y s t e m Te c h n o l o g y Ap p l i c a t i o n Ba s e d o n AM ES i m LU AN Xi a o C HEN J i n g - p e n g SU N Ke T h e A c a d e m y o f E q u i p m e n t ，B e i j i n g 1 0 1 4 1 6 ， C h i n a Ab s t r a c t T o s t u d y a n d ma s t e r h y d r a u l i c s y s t e ms t h e o r e t i c a l k n o w l e d g e t h o r o u g h l y ，a n d i n s t r u c t e d t h e i n d u s t ri a l p r o d u c t i o n p r a c t i c e u s i n g i t ，i n t h e s o l u t i o n p r a c t i c a l l i f e a p p l i c a t i o n q u e s t i o n ，t h i s a r t i c l e t o e l a b o r a t e th e h y d r a u l i c j a c k s y s t e m a n d t h e h y d r a u l i c p r e s s u r e d ri l l i n g ma c h i n e s t ru c t u r e a n d t h e p rin c i p l e o f wo r k t h e o r e t i c a l l y ， a n d h a s c a r r i e d o n t h e mo d e l l i n g a n d t h e s i g n a l s i mu l a t i o n i n k i n d u s i n g h y d r a u l i c p r e s s u r e s i mu l a t i o n s o f t w a r e A ME s i m t o t h e h y d r a u l i c j a c k s y s t e m and t h e h y d r a u l i c p r e s s u r e d ri l l i n g ma c h i n e p ri n c i p l e o f w o r k ， a n d s u mma r i z e d i n d u c e s t h e c o r r e s p o n d i n g c o n c l u s i o n ， s i mu l t a n e o u s l y r e a l i z e d t o t h e AMES i m s o f t wa r e S f u n c t i o n w i t h t h e a p p l i c a t i o n s c o p e h a d mo r e p r o f o u n d g r a s p i n g ，f u r t h e r s t u d i e d c e rt a i n g u i d i n g s e n s e t o t h e h y d r a u l i c p r e s s u r e ． Ke y Wo r d s A ME S i m；h y d r a u l i c j a c k s ； h y d r a u l i c p r e s s u r e d ri l l i n g m a c h i n e O 引言 A ME S i m软件是一种工程仿真软件 ， 其应用范围十 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 6 3 0 作者 简介 栾骁 1 9 8 7 一 ， 男 ， 辽 宁沈 阳人 ， 在读 硕士 ， 研究 方 向 A ME S i m 建模与仿真 ． 液氢加注系统与 风险评估 。 总功率控制 ，同时主泵通轴驱动的后泵可控制主泵的 流量和功率 ， 使液压系统的最大功率为定值 ， 保证发动 机不会过载。 隧道挖装机选择 L U D V阀控和 L R C S泵控方式 ， 使 挖装机较为节能 、 高效 ， 同时操作性较好。 参 考文 献 【 1 】 张树忠 ， 吴文海 ， 蒋道成． 小型挖 掘机液压系统分析【 J ] ． 机床与 液压． 2 0 1 0 8 ． 分 广泛 ， 可应用 到机械 ， 控 制 ， 液压 ， 电磁 ， 车辆 ， 航天 等。千斤顶和钻床系统在工业和实际生活 中有着广泛 的应用 ， 也是学习液压工作的初步 ， 对其进行研究有一 定 的意义。本文通过对液压千斤顶系统和钻床系统的 仿真 ， 进行简单的液压研究 ， 并得出液压的一些工作原 理 。 [ 2 】 黄宗益 ， 李兴华 ， 陈明． 挖掘机力 士乐液压系统分析[ J ] ． 建筑机 械化 ， 2 0 0 4 1 2 ． [ 3 】 叶伟 ， 黄宗益， 李兴华． 挖 掘机液压 系统泵 阀组合【 J 】 ． 建筑机械 化 ． 2 0 0 3 1 0 ． [ 4 】 陈欠根 ， 纪云锋 ， 吴万荣． 负载独立 流量分 配 L U D V 控制系统 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 3 1 0 ． 【 5 】 彭晓 ， 周志鸿． 挖掘机液压 系统 的分 类与 比较【 J 1 ． 液 压气 动与 密封 ， 2 0 1 1 2 ． [ 6 】 张海涛 ， 何清华 ， 施 圣贤 ， 阳昶． L U D V负载敏感 系统在 液压 挖掘机上的应用[ J ] ． 建筑机械 ， 2 0 0 4 1 0 ． 37