工程机械负载敏感技术节能原理及应用

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第 32 卷 　 5 期 　　　　　　　　　　　　　 第 工程机械负载敏感技术节能原理及应用 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 85
文章编号 :1004 - 2539 (2008) 05 - 0085 - 03

工程机械负载敏感技术节能原理及应用
( 同济大学机械工程学院 , 　 上海 　 201804)

　

耿令新 　 　 　 刘 钊 吴仁智 ( 河南科技大学 , 　 河南 洛阳 　 471003) 　 张利娟

摘要 　 通过对液压系统节流调速回路进行能耗分析 ,说明了变量泵的节能原理 ,并就负载敏感变量 泵节能技术及其应用进行了较详细的分析和阐述 ,为工程机械节能设计提供参考 。 关键词 　 负载敏感 　 变量泵 　 节能 　 工程机械 当溢流阀工作时 ,
QS = Q b - QL ( 2)

　　 引言 随着能源的日益紧缺和人们对环保要求的不断提 高 , 工程机械的节能性指标越来越受到用户的重视 。 对用户来说 , 节能性优越的工程机械 , 不仅在使用过程 中能够节约大量的燃油 , 还可以提高发动机的功率利 用率和传动元件的寿命和可靠性 , 减少机器故障率和 维修成本 , 提高用户的投资回报率 , 对企业来说 , 则可 以增强产品的竞争优势 。 液压技术的应用大大提高了工程机械的节能效 果 。据统计 , 两台功率相当的装载机 , 一台使用静液压 传动技术 , 另一台使用传统的液力传动 , 前者比后者可 节约燃油 60 %～70 % [ 1 ] , 液压技术的节能效果可见一 斑 。液压泵是液压系统的 “心脏” 其性能的好坏对整 , 个液压系统的节能效果有着重要的影响 。本文在对液 压调速回路进行能耗分析的基础上 , 详细介绍了在工 程机械上应用较广的负载敏感型变量泵节能原理及其 适用范围 , 为进一步改进工程机械节能效果提供参考 。

式中 　QS —— — 溢流阀通过流量
QL —— — 负载流量 ( 节流阀通过流量)

油液通过溢流阀产生的功率损失为 ΔN s = pbQs 油液通过节流阀产生的压力损失为 Δ Pc = (
QL ) K A
1
m

( 3)

( 4)

式中 　K —— — 节流阀流量系数
A —— — 节流阀开口面积 m —— — 与节流口形式有关的系数

节流阀处的功率损失为 ΔN c = ( pb - pL ) QL 负载消耗的功率为
NL = pL QL

( 5)

( 6)

此时定量泵的输出功率 N b 分成 3 部分 :负载消耗 的功率 NL 、 节流损失功率 ΔN c 和溢流损失功率 ΔN s , 即
N b = NL +ΔN c +ΔN s ( 7)

1　 节流调速回路能耗分析[ 2 ]
节流调速的基本原理是调节液压回路中节流元件 的液阻大小和配置分流支路 , 以控制进入执行元件的 流量和工作速度 。 图 1 为由定量泵 、 节流 阀和溢流阀组成的液压调速 回路简图 , 节流阀和溢流阀 在调速过程中要产生能量损 失。 忽略定量泵吸油口负压 力 ,有 ( 1) N b = pbQ b 式中 　N b —— — 泵输出功率 pb —— — 泵出口压力
Q b —— — 泵输出流量
图1　 节流调速系统简化模型

其中负载的输入功率 NL 为系统输出的有用功 ; 节流损失功率 ΔN c 为负载流量流过节流阀时因压降 产生的功率损失 , 或者说是定量泵的输出压力相对于 负载压力过剩而造成的能量损失 ; 溢流损失功率ΔN s 是泵的输出流量相对负载有流量过剩而造成的能量损 失 。液压系统的效率为 η=
NL NL ( 8) = N b NL +ΔN c +ΔN s 由式 ( 8) 可知 , 要提高液压回路的效率 , 应从降低

节流能耗损失 ( 压力过剩) 和溢流能耗损失 ( 流量过剩) 两个主要因素着手 , 如果能够使泵的输出压力和流量 都能随负载压力和速度的变化自动调节而不产生过 剩 , 就可以使泵发出的功率得到充分利用 , 达到节能的 目的 , 这就是负载敏感型变量泵节能的理论基础 。


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2　 负载敏感变量泵节能原理及应用[ 3 - 4 ]
变量泵通过控制排量为液压系统提供所需的流量 和压力 , 以达到节能调速的目的 。变量泵种类很多 , 工 程机械上比较常用的是斜盘式轴向柱塞变量泵 , 它是 由多个关于传动轴对称的等间距套装在泵缸里的柱塞 组成 , 当泵的缸体由传动轴带动旋转时 , 每个柱塞周期 性地经过配流盘的两个腰形槽 ( 吸 、 排油口) , 当柱塞沿 吸油槽通过时 , 油液被吸入柱塞腔 ; 当柱塞沿排油槽通 过时 , 油液被排出柱塞腔 , 变为压力油 。斜盘式变量泵 就是依靠这种缸体和柱塞的往复旋转运动 , 实现向液 压系统提供携带有压力能的液体的基本功能[ 5 ] 。 变量泵的控制方式很多 , 负载敏感型变量泵就是 在工程机械上应用较多的一种 。 2. 1 　 负载敏感变量泵节能原理 负载敏感变量泵能使泵的输出压力和流量自动适 应负载需求 , 大幅度提高液压系统效率 。其工作原理 图如图 2 所示 。 阀 2 的流量方程 ( 9) Q = K ( pb - pL ) m A 式中 　Q —— — 负载流量 K —— — 流量系数 A —— — 节流阀开口面积 m —— — 与节流口形式有关的指数

节流口面积 。例如 , 要提高负载速度 , 阀 2 开口面积 A 增加 , 由于此时 Q 还未发生变化 ,Δp 将减小 , 则 ( 11) pbA F < pLA F + Fs 此时阀 5 的阀芯将左移 , B 、 口接通 , 压力油进 O 入变量油缸 6 的右腔 , 推动油缸活塞左移 , 使变量泵 1 的排量增加 , 流过阀 2 的负载流量 Q 增加 ,Δ p 增加 , 直至重新达到式 ( 10) 的平衡条件 , 负载速度得到提高 , 完成了一轮调速过程 , 实现了按需供油 ; ②当负载压力 pL 变化时 , 例如 pL 减小 , 则Δ p 增 大 , 由于阀 2 开口面积不变 , 通过阀 2 的流量增加 。由 于 ( 12) pbA F > pLA F + Fs 此时阀 5 的阀芯将右移 , A 、 口接通 , 变量油缸 6 O 的右腔与油箱接通 , 油缸活塞在弹簧推动下右移 , 使变 量泵 1 的排量减小 , 阀 2 流量减小 ,Δ p 减小 , pb 降低 , 直至重新达到式 ( 10) 的平衡条件 ,Δ p 恢复到平衡状态 时的设定值 。这样在节流阀开度即截流面积固定的情 况下 , 流过阀口的流量根据式 ( 9) 也保持恒定 , 从而使 得执行元件的动作速度保持恒定 , 同时实现了按需供 压 。从而可以改善系统的调速特性并节约能源 。 负载敏感型变量泵不存在溢流损失 。虽然系统节 流损失依然存在 , 但由于节流阀两端压差恒定且较小 ( 由阀芯弹簧设定 , 约 1MPa ～ 2MPa ) , 因此系统的节流 损失很小 , 其功率损耗为 ΔN s =ΔpQ ( 13) 系统效率为 η=
pL Q pb - ( pb - pL ) Δp = =1 pbQ pb pb ( 14)

由于泵的出口压力 pb 由负载决定 , 所以负载压力 越高 , 泵的出口压力越高 , 其回路的效率也就越高 , 液 压回路的节能效果越好 。另外 , 负载敏感控制泵工作
1 变量泵 　 节流阀 　 转向阀 　 液压油缸 　 负载敏感控制阀 2 3 4 5 6 变量油缸

图2　 变量泵负载敏感控制原理图

负载敏感控制阀 5 的阀芯在调节过程中发生的位 移很小 , 弹簧的弹性系数也不大 , 因此可以认为阀芯弹 簧的设定压力 Fs 为定值 , 则阀芯在静止时的受力平衡 方程为 　pbA F = pLA F + Fs , 即 Δp =
Fs AF ( 10)

时的压力只需比负载压力略高 , 而不必像恒压泵那样 必须工作在一个较高的设定压力 , 这有利于延长泵的 寿命 。 负载敏感变量泵与压力补偿阀配合使用 , 可以实 现单泵驱动多个执行机构的独立调速 , 各执行元件不 受外部负载变动和其他执行元件的干扰 。由于负载敏 感调速系统不仅能实现按需供油 , 同时也能按需供压 , 是能量损失很小的调速方案 , 所以负载敏感型变量泵 系统非常适用于负载压力较高 、 调速范围较大的单泵 、 单负载系统或负载差异较大的单泵多负载系统 。
2. 2 　 负载敏感变量泵在工程机械上的应用

式中 　Fs —— — 阀芯弹簧设定压力 A F —— — 压力油作用在阀芯上的有效面积 Δ 　 p = pb - pL 由式 ( 9) 、 ( 10) , 结合原理图 2 可以看出 式 ①当阀芯弹簧压力设定后 , 阀芯在平衡位置时Δ 恒定 。当需要改变负载速度时 , 只需改变节流阀 2 的

由于负载敏感变量泵的流量能够根据工况和负载 的变化自动调节 , 具有效率高 、 脉动小 、 噪声低等优点 , 非常适合工程机械负载变化剧烈 、 工况变换频繁的特


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点 , 所以在工程机械上应用非常广泛 , 图 3 为采用负载 敏感变量泵的装载机转向液压系统原理图。

于油缸 8 , 这时需要在油缸 8 的工作回路中增加压力 补偿阀 7 对两油缸工作回路的压差进行补偿 , 这样两 油缸就可以在各自的负载压力下正常工作 , 避免了相 互干扰 。

3　 结论
负载敏感变量泵能将负载所需的压力 、 流量与泵 输出的压力和流量匹配起来 , 极大地提高系统效率 , 其 特点如下 : 1) 负载敏感变量泵可以消除系统溢流损失 , 但不 能完全消除系统节流损失 ; 2) 系统工作压力一定时 , 负载敏感控制阀的设定 压力决定系统的效率 , 即设定压力越高 , 系统供油能力 越高 , 但效率越低 ; 3) 负载敏感控制阀的设定压力确定后 , 提高系统 工作压力 , 会提高系统效率 ; 4) 负载敏感变量泵与压力补偿阀配合使用 , 可以 实现单泵驱动多个执行机构的独立调速 , 各执行元件 不受外部负载变动和其他执行元件的干扰 , 非常适合 工程机械液压执行元件多 、 负载差异大的特点 。
参 考 文 献

图3　 装载机负载敏感转向液压系统原理图

图中转向节流阀 6 , 负载敏感控制阀 3 、 , 变量机 4 构 2 共同完成对泵的负载敏感控制 , 详细转向控制过 程见参考文献 [ 6 ] 。

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图4　 负载敏感变量泵单泵多负载原理示意图

当一台负载敏感变量泵同时驱动多个执行机构 时 , 泵的输出压力只能与最高的负载压力相适应 , 即负 载敏感只能在压力最高的负载回路上起作用 , 对其他 负载压力较低的回路采用压力补偿 , 使阀口压差继续 保持恒定 , 实现多个执行元件的独立调整 , 图 4 是单泵 驱动两个油缸的工作原理简图 。油缸 4 的负载压力大
( 上接第 68 页)

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综合运用了信号传感技术 、 自动控制技术和计算机软 硬件技术 ,将虚拟仪器技术运用于传统机械传动系统 的测试试验中 ,不仅实现了自动测试 ,而且提高了测试 精度 ,扩展了测试功能 , 缩短了系统开发周期 , 降低了 硬件费用 。运行试验表明 , 基于 LabVIEW 的带传动测 试系统工作稳定可靠 ,完全满足带传动试验的要求 。
参 考 文 献
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