负载敏感多路阀LS卸荷油路特性分析.pdf

2020 年 1 月 第 48 卷 第 2 期 机床与液压 MACHINE TOOL ＆ HYDRAULICS Jan. 2020 Vol. 48 No. 2 DOI 10.3969／ j. issn. 1001-3881. 2020. 02. 010 本文引用格式 刘伟.负载敏感多路阀 LS 卸荷油路特性分析［J］.机床与液压，2020，48（2）45-48. LIU Wei.Characteristic Analysis of LS Unloading Loop in the Load Sensing Multi-way Valve［J］.Machine Tool ＆ Hy- draulics，2020，48（2）45-48. 收稿日期 2018-06-29 基金项目 国家科技攻关计划 （2017YFB1302602） 作者简介 刘伟 （1982）， 男， 博士， 主要从事流体传动与控制方面的工作。 E-mail lw2002cn2000＠ 163. com。 负载敏感多路阀 LS 卸荷油路特性分析 刘伟 （中国铁建重工集团股份有限公司， 湖南长沙 410100） 摘要 负载敏感液压系统中， 为防止多路阀处于中位时 LS 反馈油路困油导致系统憋压， 通常需对多路阀处于中位时 的 LS 反馈油路进行回油卸荷。 分析 4 种不同负载敏感多路阀及系统 LS 中位卸荷油路的工作原理及特性。 并以起重机卷扬 起升系统为研究对象， 理论分析了 LS 反馈油路为固定阻尼孔卸荷形式的多路阀负载敏感系统流量和压力特性， 并进行了 仿真和试验验证。 关键词 负载敏感液压系统； 压力补偿； 多路阀； 卸荷油路 中图分类号 TD421 Characteristic Analysis of LS Unloading Loop in the Load Sensing Multi-way Valve LIU Wei （China Railway Construction Heavy Industry Co.， Ltd.， Changsha Hunan 410100， China） Abstract In the load-sensing （LS） hydraulic system， the LS feedback loop needs to return oil to tank and unload in the neutral position of the multi-way valve， for avoiding the pressure increase caused by oil trapped in the LS circuit. The working mechanisms and characteristics of the LS unloading loop for four different load-sensing multi-way valves in the neutral position were analyzed. The crane hoisting system was taken as the experimental subject. The flow and pressure characteristics of the load-sensing multi-way valve and sys- tem with LS feedback oil unloaded in the of a fixed orifice were theoretically analyzed， simulation and experimental verification was pered. Keywords Load-sensing hydraulic system； Pressure compensation； Multi-way valve； Unloading loop 0 前言 负载敏感液压系统由于节能性好、 效率高和操控 特性好等显著优点被广泛应用于工程机械［1-3］， 此类 系统通过负载敏感 （LS） 反馈油路， 将负载压力信 号从负载敏感多路阀 LS 口传递至变量泵流量控制阀 的敏感腔， 进而控制供油单元的运行状态， 使其几乎 仅向系统提供负载所需要的液压功率， 从而最大限度 地减少功率损失， 提高系统节能性［3-5］。 通常， 当负载敏感系统中的多路阀工作在中位 时， 变量泵的流量控制阀 LS 信号油路应处于卸荷状 况， 以防止 LS 油路形成一个封闭的困油容腔， 导致 LS 油路压力无法卸荷而产生系统憋压问题。 目前大 部分负载敏感多路阀本身具有 LS 油路自卸荷功能， 针对部分多路阀没有这种卸荷方案的液压系统， 一般 在变量泵流量控制阀 LS 信号口和卸荷回油口之间设 置一个内部旁通阻尼孔或节流阀［6-9］。 1 多路阀 LS 反馈油路中位卸荷的几种形式 1. 1 恒流量阀卸荷 如图 1 所示， 为阀后补偿型的单联多路阀原理 图， 恒流量阀 3 由差压式减压阀和阻尼孔组成， 图 2 所示为恒流量阀结构图。 为便于机制分析， 列出了恒流量阀的流量公式 Q ＝ CqAv 2Δp ρ （1） 式中 Q 为流量； Av为过流面积； Cq为流量系数； Δp 为压差； ρ 为油液密度。 图 1 单联多路阀原理图 万方数据 图 2 恒流阀结构图 从图 2 所示恒流阀结构可知， 它由节流阀和定差 减压阀串联组成， 定差减压阀使固定阻尼孔 5 入口与 出口的压差 Δp 基本保持不变， 在阻尼孔过流面积恒 定的情况下， 流过该恒流阀的流量基本固定。 执行器 工作时， 最高负载 LS 反馈压力油路只有极少量油通 过恒流量阀回油箱， 由于恒流量阀流量不受负载影 响， 提高了多路阀控制的一致性。 多路阀在中位时， 执行器停止工作， LS 油路中的高压油通过恒流阀卸 荷， 防止多路阀中位时 LS 油路困油导致系统憋压。 恒流量阀的定流量值大小与系统的动态品质有关， 一 般通过计算和试验的方法进行优化匹配， 以保证在最 大负载变化时 LS 反馈压力良好的随动变化。 1. 2 固定阻尼孔形式卸荷 如图 3 所示， LS 反馈油路卸荷原理与第 1. 1 节 中类似， 多路阀在中位时， LS 油路中的高压油通过 阻尼孔 DUE1 和 DUE3 卸荷， 防止 LS 油路困油导致 系统憋压。 执行器工作时， 最高负载 LS 反馈压力油 路较少高压油通过阻尼回油箱， 由式 （1） 可知， 阻 尼过流面积不变， 两端压差 Δp 随负载变化， 因此通 过阻尼 DUE1 和 DUE3 的流量随着负载动态变化， LS 卸荷油路的这种变流量卸荷特性影响了系统控制的一 致性。 图 3 单联多路阀原理简图及进油联局部剖面图 1. 3 主阀芯中位回油卸荷 通过负载敏感多路阀主阀芯回油卸荷有阀后和阀 前压力补偿两种类型， 与前面分析的两种卸荷原理不 一样。 多路阀在中位时， LS 油路中的高压油通过主 阀芯端部油道回油卸荷； 当执行器工作时， 主阀芯移 动， 阀芯端部的卸荷油道切断， LS 反馈压力油路没 有旁通卸荷， 因此， 避免了前面两种方式 LS 油路旁 通卸荷流量大小的匹配问题。 （1） 阀后补偿型多路阀中位 LS 过主阀芯泄油 图 4 所示为阀后补偿型多路阀原理， 中位时 LS 油路通过多路阀先导阀芯回到油箱 T1 口。 图 5 为多 路阀剖视图， 负载最高反馈压力 LS 油路通到补偿器 阀芯 3， 中位时补偿器阀芯 3 的 LS 高压油经主阀芯 2 左端泄油路回油箱； 工作时， 主阀芯 2 向左或向右移 动， 切断了补偿器 LS 与回油口之间的泄油油路。 （2） 阀前补偿型多路阀中位 LS 过主阀芯泄油 如图 6 所示， 工作联对应的负载压力反馈到主阀 芯 LS 口， 中位时， LS 口与回油 R 口通过主阀芯中的 油道连通， LS 卸荷； 执行器工作时， 主阀芯移动， LS 和 R 口与主阀芯上的连通油道错开， R 口和 LS 口 断开。 通过这种结构设计， 较好地实现了负载敏感系 统中位 LS 卸荷和工作时的最高负载压力反馈功能。 图 4 多路阀原理图 图 5 多路阀工作联结构图 64机床与液压第 48 卷 万方数据 图 6 多路阀原理图及局部剖面图 2 固定阻尼孔卸荷形式的系统特性分析 从前面分析可知， 固定阻尼孔卸荷形式的负载敏 感多路阀对液压控制系统的特性影响最大。 以起重机 卷扬起升系统为研究对象， 对图 3 所示的阀前补偿多 路阀组成的传统负载敏感系统进行仿真和试验分析， 图 7 所示为起升控制系统的原理简图， 其中元件 2. 12. 4 为起升控制的多路阀工作联部分， 元件 3 和 4 为进油联阻尼孔。 图 7 卷扬起升控制液压系统原理简图 一般情况下， 负载敏感泵的预设压力 ΔpLs≥ Δpcom， 多路阀流量为 Q ＝ CqWXv 2 ρ （p0 - p L） （2） 压力补偿器的力平衡方程 Δpcom ＝p 0 -p Ls （3） 式中 Q 为多路阀流量； W 为过流面积梯度； Xv为 节流阀开度； p0为节流阀进口压力； pL为节流阀出 口压力， 即负载压力； ΔpLs为负载敏感泵的预设压 力； Δpcom为压力补偿器设定压力。 式 （3） 代入式 （2） 得 Q ＝ CqWXv 2 ρ ［Δpcom- （pL - p Ls）］ （4） 由式 （2） （4） 知， 当多路阀开口一定， 其 流量大小与压力补偿器设定压力以及阻尼 DUE5 上压 力损失有关。 阻尼 DUE5 上的压力损失主要是由于负 载 pL口高压油经阻尼 DUE5、 DUE1 和 DUE3 旁通泄 油产生。 负载压力 pL越大， 经阻尼 DUE1 和 DUE3 旁 通泄油量也越多， 因此在阻尼 DUE5 上产生的压力损 失也就越大。 对起重机的卷扬起升系统进行试验， 发动机转速 设定为 1 250 r／ min， 图 8 所示为负载分别为 58、 108 和 356 kN 三种工况 DUE5 节流孔的压力损失特性， 可知 DUE5 的压力损失分别约为（3～4）105Pa， （5～ 6）105Pa， （10～12）105Pa， 随着负载增大， DUE5 上压力损失明显增大， 因此， 节流阀 2. 2 两端的压差 随着负载压力增大而减小， 与前面的分析符合。 从原理分析可知， 由于 LS 反馈油路上存在旁通 泄油， 在阻尼 DUE5 上产生压降， 导致 （p0 -p L） ＜ （p0 -p Ls）， 主节流槽两端压力小于压力补偿器设定压 力， 从而使工作流量小于额定流量。 且随着负载增 大， LS 压力上升， 进油联 LS 反馈油路的 DUE1 和 DUE3 阻尼的泄油也增大， 主节流槽两端压差 p0 -p L 减小， 工作流量下降。 通过改变多路阀的控制电流， 对几种不同负载工况进行仿真分析， 图 9 所示为 3 种 不同负载工况的流量-电流关系曲线， 相同控制阀电 流下， 通过阀的流量随着负载压力增大而减小。 控制 阀给定最大控制电流， 对多路阀不同负载工况的最大 流量进行试验测试， 得出图 10 所示最大流量与负载 压力的关系曲线， 与仿真和理论分析的结果基本一 致， 系统呈现重载大流量、 轻载小流量特性， 系统流 量一致性差。 在控制条件不变情况下， 重载工况系统 流量降低， 使发动机利用率不足， 油泵流量利用率不 够， 系统工作效率受影响。 74第 2 期刘伟 负载敏感多路阀 LS 卸荷油路特性分析 万方数据 图 8 不同负载工况节流孔 DUE5 压力损失特性 图 9 不同负载压力的 流量-电流关系 图 10 最大流量-负 载压力关系 如图 11 所示， 为不同负载工况， 泵出口到负载 之间的各压力变化关系图， 定量地描述了固定阻尼孔 卸荷形式的系统压力特性。 随着负载 pL增大， pLs增 大， 泵出口压力和补偿器出口压力也随之增大， 由于 压力补偿作用， 补偿器出口压力 p0与反馈压力 pLs曲 线基本平行， 保持一定的差值。 泵出口压力 ps与补 偿器出口压力 p0曲线也基本平行， 两者之间差值为 管路压损和补偿器工作压损。 由于负载增大， LS 反 馈油路旁通卸荷流量增大， pL与 pLs之间的差值增大， 同时 p0与 pL差值减小。 图 11 各点压力与负载的关系 3 总结与结论 （1） 负载敏感液压系统多路阀工作在中位时， LS 油路回油卸荷功能可以有效防止 LS 油路困油导致 的系统憋压问题， 总结分析了 4 种不同负载敏感多路 阀及系统 LS 中位卸荷油路的工作原理及特性。 （2） 以起重机卷扬起升系统为研究对象， 理论 分析并验证了 LS 反馈油路为固定阻尼孔卸荷形式的 多路阀负载敏感系统流量和压力特性。 由于 LS 反馈 油路存在旁通阻尼泄油， 随着负载增大， 主阀节流口 两端的压差减小， 相同控制电流对应的流量减小， 系 统呈现重载大流量、 轻载小流量特性， 影响了系统流 量的一致性。 参考文献 ［1］ YANG H Y，PAN M.Engineering Research in Fluid Power A Review［J］.Journal of Zhejiang University Science A， 2015，16（6）427-442. ［2］ XU B，CHENG M.Motion Control of Multi-actuator Hydrau- lic Systems for Mobile MachineriesRecent Advancements and Future Trends［J］.Frontiers of Mechanical Engineer- ing，2018，13（2）151-166. ［3］ 王庆丰，魏建华，吴根茂.工程机械液压控制技术的研究 进展与展望［J］.机械工程学报，2003，39（12）51-56. 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