金肅靜，張小環(huán)，靳浩偉，施俊文，李存良

(1.浙江省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院，浙江杭州 311305；2.長(zhǎng)安大學(xué)公路養(yǎng)護(hù)裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710064；3.輕工業(yè)西安機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安 710086)

0 前言

負(fù)載敏感(Load Sensing，LS)液壓系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械等領(lǐng)域。單泵多執(zhí)行機(jī)構(gòu)回路并聯(lián)的設(shè)計(jì)，可以簡(jiǎn)化液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。負(fù)載敏感泵能夠感受系統(tǒng)壓力-流量需求，僅提供所需流量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。但負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)并聯(lián)回路中，某一回路流量控制閥(Flow Control Valve，F(xiàn)CV)的快速閉合，會(huì)造成壓力沖擊，除了引發(fā)振動(dòng)、噪聲，影響元器件使用壽命外，還會(huì)影響其他回路的正常工作。

為解決負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的壓力沖擊問(wèn)題，葉鑫等人[1]針對(duì)混凝土泵送負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)換向時(shí)產(chǎn)生的壓力沖擊，通過(guò)換向閥與蓄能器相互配合來(lái)吸收壓力沖擊，并在AMESim中仿真驗(yàn)證了此方法的可行性；趙燕等人[2]采用三通流量閥來(lái)減緩汽車(chē)起重機(jī)液壓系統(tǒng)快速操作時(shí)產(chǎn)生的壓力沖擊，并通過(guò)仿真和整機(jī)測(cè)試驗(yàn)證了方法的可行性；婁磊等人[3]針對(duì)螺旋鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)換向過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊與振動(dòng)問(wèn)題，提出減小換向瞬間節(jié)流閥芯開(kāi)口面積和采用雙節(jié)U形節(jié)流閥芯的方法，可以有效減小馬達(dá)換向時(shí)進(jìn)油口的最大沖擊壓力和壓力波動(dòng)幅值；王成賓和權(quán)龍[4]針對(duì)大負(fù)載液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力沖擊問(wèn)題，提出一種主動(dòng)降低液壓沖擊的方法，利用控制信號(hào)主動(dòng)預(yù)測(cè)沖擊峰值壓力的出現(xiàn)時(shí)間，并以此調(diào)整可變阻尼孔的孔口面積，達(dá)到降低液壓沖擊的目的；趙小龍等[5]提出了一種“小閥芯、雙閥口”型三通壓力補(bǔ)償閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，對(duì)定量泵負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)快速卸荷時(shí)產(chǎn)生的壓力沖擊進(jìn)行抑制，并通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性；張軍等人[6]采用比例插裝閥作為防沖擊閥來(lái)降低負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的壓力沖擊；KIM等[7]為了減少壓力波動(dòng)，將平行管路引入液壓管路中，并通過(guò)試驗(yàn)和仿真證明了采用平行液壓管路可以有效地減小壓力脈動(dòng)；LEE等[8]提出采用阻尼孔減緩液壓系統(tǒng)的沖擊，減緩沖擊的效果取決于阻尼孔的類(lèi)型、尺寸、開(kāi)口壓力以及通流速率。

本文作者通過(guò)建立負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)液壓泵出口壓力的數(shù)學(xué)模型，分析沖擊壓力形成的原因及影響壓力沖擊峰值的因素，對(duì)比防沖擊(Anti Shock，AS)回路對(duì)于降低液壓泵出口壓力沖擊及減小回路之間耦合干擾的作用，為提高多回路并聯(lián)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性提供參考。

1 單泵多執(zhí)行機(jī)構(gòu)LS液壓系統(tǒng)壓力沖擊與耦合的數(shù)值分析

1.1 單泵多執(zhí)行機(jī)構(gòu)LS液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1所示為同步碎石封層車(chē)中使用的單泵多執(zhí)行機(jī)構(gòu)LS液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

單泵多執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)由負(fù)載敏感泵、壓力補(bǔ)償閥、梭閥、流量控制閥(FCV)以及執(zhí)行元件(液壓馬達(dá))組成。梭閥通過(guò)比對(duì)選取所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最高負(fù)載壓力，并反饋到負(fù)載敏感閥的右側(cè)控制油口，與泵的出口壓力進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)負(fù)載敏感泵的排量?jī)H提供系統(tǒng)所需的流量，液壓泵出口壓力與最高負(fù)載壓力的差值由負(fù)載敏感閥的彈簧設(shè)定。每一回路均設(shè)置有壓力補(bǔ)償閥，通過(guò)調(diào)節(jié)閥前液阻，保證流量控制閥前后壓差不變，可以獲得與FCV閥口過(guò)流截面面積成比例的穩(wěn)定的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速。壓力補(bǔ)償閥同時(shí)也是隔離回路之間相互干擾的重要元件。

理想情況下，壓力補(bǔ)償閥可以較好地隔離回路之間負(fù)載變化的干擾。實(shí)際工作中，壓力補(bǔ)償閥存在響應(yīng)滯后，不能隔離回路之間及液壓泵出口的動(dòng)態(tài)載荷干擾，某一回路工作參數(shù)的調(diào)整，會(huì)影響其他回路液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性。

1.2 單泵多執(zhí)行機(jī)構(gòu)LS液壓系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工況分析

根據(jù)油液的體積模量公式，建立圖1所示系統(tǒng)液壓泵與流量控制閥之間管路內(nèi)的壓力模型：

(1)

式中：pp為液壓泵出口壓力；B為液壓油彈性模量；Vpl為液壓泵與流量控制閥之間的容積；Qv為進(jìn)入液壓泵與流量控制閥之間管路內(nèi)的凈流量；Qp為液壓泵出口流量；Qv1、Qv2分別為回路1和回路2的工作流量。

液壓泵的出口流量為

Qp=Qpt-Qps

(2)

Qpt=Dpωβ

(3)

(4)

式中：Qpt為液壓泵理論流量；Qps為液壓泵泄漏流量；Dp為液壓泵容積排量；ω為液壓泵轉(zhuǎn)速；β為液壓泵容積排量比；Cs為層流泄漏系數(shù)；μ為液壓油動(dòng)力黏度；ptank為液壓油箱壓力，文中設(shè)定為0；Ks為變量泵流量泄漏系數(shù)。

流經(jīng)流量控制閥的流量為

(5)

(6)

式中：Av為流量控制閥過(guò)流截面面積；xv為流量控制閥閥芯位移；ΔpFCV為壓力補(bǔ)償閥調(diào)定的流量控制閥兩端的壓差；ρ為液壓油密度；Cd為孔板流量系數(shù)。

當(dāng)流量控制閥采用矩形開(kāi)口時(shí)，出口流量與閥芯的位移成正比：

Qv1=Kv1xv1

Qv2=Kv2xv2

式中：Kv1、Kv2分別為流量控制閥的常數(shù)。

單泵多執(zhí)行機(jī)構(gòu)(文中以雙執(zhí)行機(jī)構(gòu)為例)LS液壓系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作時(shí)有：

(7)

式中：pm為設(shè)定的負(fù)載敏感壓差；pLS為梭閥反饋的負(fù)載壓力。

(1)回路1流量控制閥的過(guò)流截面面積為Av11且回路2流量控制閥的過(guò)流截面面積為Av21時(shí)，雙執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)為

(8)

式中：pl1、pl2分別為回路1、回路2的負(fù)載壓力。

(2)回路1流量控制閥關(guān)閉后，回路2穩(wěn)定工作，則雙執(zhí)行機(jī)構(gòu)LS液壓系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)為

(9)

回路1流量控制閥關(guān)閉后，負(fù)載敏感泵的排量自動(dòng)調(diào)節(jié)，只提供回路2所需的流量。

1.3 單泵多執(zhí)行機(jī)構(gòu)LS液壓系統(tǒng)沖擊耦合原因

假設(shè)回路1的流量控制閥關(guān)閉時(shí)過(guò)流截面面積線(xiàn)性減少，調(diào)整過(guò)程中負(fù)載敏感泵的排量也呈線(xiàn)性減小，則：

(10)

(11)

式中：kv為回路1流量控制閥的過(guò)流截面面積變化梯度系數(shù)；kβ為變量泵排量比變化梯度系數(shù)。

液壓泵排量比從β1調(diào)節(jié)到β0的過(guò)程中，液壓泵與流量控制閥之間的管路內(nèi)產(chǎn)生的壓力沖擊值Δpp(t)的表達(dá)式為

(12)

負(fù)載敏感泵的響應(yīng)速度是泵的設(shè)計(jì)制造參數(shù)，不可改變。液壓泵與流量控制閥之間管路內(nèi)的壓力沖擊主要受流量控制閥關(guān)閉速度的影響。流量控制閥不同關(guān)閉速度下，液壓泵與流量控制閥之間管路內(nèi)的流量沖擊峰值如圖2所示。

由圖2可以看出：回路1流量控制閥關(guān)閉越快，產(chǎn)生的壓力沖擊峰值越大；當(dāng)回路1流量控制閥突然關(guān)閉(如快速切斷回路1流量控制閥的控制電流或突然手動(dòng)關(guān)閉回路1的流量控制閥)，壓力沖擊峰值達(dá)到最大；沖擊壓力達(dá)到峰值以后，受液壓泵泄漏的影響，沖擊壓力逐漸降低；當(dāng)回路1流量控制閥關(guān)閉速度慢于液壓泵的最快響應(yīng)速度時(shí)，液壓泵的出口不存在壓力沖擊。

液壓泵出口出現(xiàn)壓力沖擊時(shí)，若壓力補(bǔ)償閥響應(yīng)不及時(shí)，流量控制閥兩端的壓力不穩(wěn)定，工作裝置的速度穩(wěn)定性會(huì)受到影響。當(dāng)系統(tǒng)中存在需要頻繁快速關(guān)閉的回路，且沖擊壓力峰值越大，這種影響越明顯。

2 單泵多執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)防沖擊方法

2.1 影響沖擊壓力峰值的因素

從式(12)可以看出，影響壓力沖擊峰值的因素可分為三大類(lèi)：變量泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)影響，人為的操作影響以及液壓系統(tǒng)中管路參數(shù)的影響。

(1)變量泵本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)由元件生產(chǎn)商工藝水平確定，一般不能修改。

(2)操作程序決定操作參數(shù)，緩慢操作流量控制閥，可以顯著降低泵出口的壓力沖擊峰值，但犧牲了回路操作的快速性。

(3)設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)，可以對(duì)管道參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，如采用不同直徑、不同剛度、不同長(zhǎng)度的管道以及在管路上添加阻尼孔等均可改變壓力沖擊峰值，也可以通過(guò)增加蓄能器、減振器來(lái)降低壓力沖擊，但是會(huì)影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。

考慮到壓力沖擊僅在流量控制閥突然關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生，其本質(zhì)是泵與流量控制閥之間管路內(nèi)凈流量的增加所引起，能夠及時(shí)卸荷多余流量也是一種較好的選擇。

2.2 AS回路消除回路之間耦合的原理

多回路并聯(lián)的液壓系統(tǒng)中，回路之間操作通過(guò)影響液壓泵的出口壓力對(duì)其他回路的工作穩(wěn)定性造成影響。防沖擊(AS)回路工作的原理是通過(guò)卸荷多余流量，降低壓力沖擊峰值，從而減小、直至消除回路之間耦合影響。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

AS回路設(shè)置在液壓泵的出口處，通過(guò)變量泵出口壓力和梭閥反饋的負(fù)載敏感壓力的差值來(lái)控制AS閥的啟閉。AS閥具有較高的響應(yīng)頻率，開(kāi)啟壓差略大于設(shè)定負(fù)載敏感壓差，當(dāng)液壓泵的出口壓力與負(fù)載敏感壓力的差值大于AS閥的設(shè)定壓差時(shí)，AS閥開(kāi)啟，多余流量從AS回路流入油箱。

理想情況下，排量調(diào)節(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的多余流量可以通過(guò)AS回路卸荷完全消除，液壓泵出口不出現(xiàn)沖擊壓力。

3 建模仿真分析

在AMESim軟件中建立單泵雙馬達(dá)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)仿真模型，對(duì)比增設(shè)AS回路前后，液壓泵出口沖擊壓力，如圖4所示。

仿真參數(shù)如表1所示。雙執(zhí)行機(jī)構(gòu)共同穩(wěn)定工作，5秒的時(shí)候快速關(guān)閉左側(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量控制閥，系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖5所示。

表1 仿真模型主要參數(shù)設(shè)置

由圖4、圖5可知：

(1)未安裝AS回路(圖(4a))的單泵雙馬達(dá)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)在左側(cè)回路突然關(guān)閉的情況下，右側(cè)回路馬達(dá)轉(zhuǎn)速會(huì)短時(shí)間出現(xiàn)大幅度波動(dòng)情況，回路之間存在較強(qiáng)的沖擊耦合影響；安裝AS回路(圖4(b))的單泵雙馬達(dá)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)中，右側(cè)回路馬達(dá)的轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，工作狀態(tài)幾乎未受到左側(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)突變的影響；

(2)防沖擊回路能在極短時(shí)間內(nèi)卸荷多余流量，消除回路之間耦合的影響，且不影響液壓系統(tǒng)正常的工作過(guò)程。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)理論分析單泵雙執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)回路之間耦合干擾的原因，指出并聯(lián)的兩個(gè)回路中，某一回路流量控制閥突然關(guān)閉時(shí)，液壓泵與流量控制閥之間管路內(nèi)凈流量增加，產(chǎn)生壓力沖擊，并導(dǎo)致另一回路流量的波動(dòng)，影響速度穩(wěn)定性。

(2)采用防沖擊回路的負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)，能夠及時(shí)卸荷單泵多執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)中液壓泵與流量控制閥之間管路內(nèi)的多余流量，降低了壓力沖擊峰值，消除了調(diào)節(jié)過(guò)程中的相互影響，且不影響液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和效率等。

(3)AMESim仿真結(jié)果驗(yàn)證了防沖擊回路能夠顯著減小單泵多執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)中回路之間的相互干擾。