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基于LS信号放大的控制阀设计

挖掘机是一种典型的全液压控制的工程机械,具有工作效率高,环境适应性强等特点。它不仅要求液压系统具有较快的响应速度和较好的操控协调性能,又要具备良好的节能效果。目前挖掘机液压系统常用的有节流型液压控制系统及负载敏感液压控制系统。节流型控制系统具有结构简单,系统响应灵敏等特点,但在多执行装置同时动作时具有明显缺点,执行元件运动速度受负载影响明显,较高负载的元件存在停止的可能,同时,节流型系统存在大量的节流损失和溢流损失,系统效率较低、发热量大。负载敏感控制系统可以弥补节流型控制系统在多执行装置协调性和系统节能方面的缺陷,但由于负载敏感控制阀内部局部压力损失和变量泵的变量控制阀连接管路沿程压力损失的存在,负载敏感(LS)压力信号反馈至变量泵时,压力衰减较大,变量泵摆角偏小,为获得设计的稳定流量,需将泵上负载敏感压力衰减∆p的设定值调高,从而引起较大的能量损失。

本文主要介绍一款负载敏感控制阀,以解决负载敏感系统中,因LS压力信号衰减引起的系统能量损失增加问题。

1 控制阀的原理、功能及优点

控制阀采用中位闭式结构,由统一的变量泵供油,实现对动臂、斗杆、铲斗、推土液压缸以及回转和行走减速机总成的控制;压力补偿采用阀后补偿形式,实现对各执行机构复合动作协调性的控制;动臂联、斗杆联设置保持阀和再生阀,实现动臂、斗杆保持和流量再生功能;进油联设置定差溢流阀实现低压卸荷功能,同时设置减压阀对LS压力进行放大,弥补压力衰减;回油联设置流量控制阀对LS油路进行滤波,提高LS压力稳定性,降低换向压力冲击的同时增加整机稳定性。

2 LS压力放大的原理及功能实现

图1为仅保留动臂和回转两个工作联的系统简化原理图,如图1所示,LC为负载最大压力控制信号油路,常用的负载敏感系统中LC压力作为LS压力直接作用于变量泵,控制泵输出流量和压力,实现负载敏感功能。本文介绍的控制阀设置减压阀2于LC和LS油路之间,依靠减压阀2的弹簧力来弥补控制阀内部局部压力损失和泵阀连接管路沿程压力损失导致的LS压力衰减,使反馈到泵上的LS压力精确反映最大负载,在不需要调高泵上∆p的前提下,各工作联实际输出流量与设计数值吻合,从而避免了负载敏感系统中因LS压力信号衰减引起的系统能量损失增加问题。

LS压力衰减连续方程为:

式中,∆p为LS压力衰减量;

δ为沿程阻力系数;

l为油管长度;

d为油管内经;

ρ为液压油密度;

ν为油管内流动速度;

ζ为局部阻力损失系数。

图1 系统简化原理图

另外,LC油路中设置了流量控制阀1,对负载控制信号起到滤波作用,以平稳LC压力,降低泵输出流量的脉动;执行机构不动作时,定差溢流阀3则会在2.5MPa、20L/min的低压小流量卸荷,不但对控制阀进行冲洗、散热,并且可以保证当执行机构动作时变量泵的快速响应。

3 试验验证

验证方法:采用小型挖掘机进行对比试验,在发动机空载转速设定在1600r/min、1800r/min时,分别进行挖掘甩方20min的测试,记录其装车斗数及耗油量,然后调整泵上∆p的设定值重新进行测试。斗挖掘量按0.23m3计算,柴油密度按0.84kg/L计算。

试验数据如表1、表2及表3所示。

表1 本控制阀作业油耗试验

表2 常用控制阀作业油耗试验

表3 常用控制阀调整Δp后作业油耗试验

常用的负载敏感控制阀由于LS压力信号反馈到液压泵的补偿器时,压力衰减,变量泵的摆角偏小,从而导致作业效率降低;为达到设计流量而调高泵∆p的设定值后,小时挖掘斗数提高,但同时斗耗油量也随之增加,从而带来能量损失的增大。

本控制阀由于采用减压阀来补偿LS压力衰减,泵实际输出流量与设计值相符。在相同的斗油耗前提下具有较高的作业效率,在相同的作业效率前提下具有较低的斗油耗。

图2、图3及图4分别为本控制阀、常用控制阀和常用控制阀调整∆p后在1600r/min挖掘甩方过程中动臂下降工况的测试曲线。

图2 本控制阀测试曲线

图3 常用控制阀测试曲线

图4 常用控制阀调整∆p后测试曲线

如图3、图4所示,常用控制阀的变量泵出口压力为9.9MPa,LS压力为8.05MPa,液压缸小腔流量为60.6L/min;本控制阀的变量泵出口压力为9.94MPa,LS压力为8.26MPa,液压缸小腔流量为63.2L/min,相同压力条件下流量较常用控制阀大,效率较高;常用控制阀调整∆p后泵出口压力为10.4MPa,LS压力为8.39MPa,液压缸小腔流量为63.6L/min,相同流量条件下变量泵的出口压力较本控制阀高,因此本控制阀具有相对较低的能耗。

4 结语

本文通过对挖掘机不同类型液压系统优缺点的分析,针对负载敏感系统中因LS压力信号衰减引起系统能耗增加的问题,设计了一款负载敏感控制阀,并通过试验进行了对比验证,可得到以下结论:

1)LS压力信号衰减对于挖掘机的作业效率和能耗影响是存在并且明显的。

2)本控制阀在LS油路与变量泵的控制油路之间并联减压阀,依靠减压阀的弹簧力去弥补LS压力衰减,避免能耗增加的方案是可行的,具有良好的效果。

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