山东济南市特种设备检验研究院 孙亮 隋仕涛 250000
摘要：现阶段，电液流量控制方法还没有应用于起重机领域，部分研究只对比例阀或者电液比例泵进行单独控制，没有同时控制比例阀和电液比例泵形成新的液压控制系统。本文主要就起重机泵阀协同复合控制液压系统能效特性进行研究分析，以供参考。
关键字：起重机；泵阀协同；复合控制；液压系统；能效特性
引言
目前工程机械领域尤其是起重机的液压系统普遍采用传统抗流量饱和负载敏感系统，随着人们对起重机定位精度、操控平稳性与微动特性、安全性及低能耗有更高的要求，传统抗流量饱和负载敏感系统因为自身的机械机构特性，其响应速度慢、稳定性差、能耗大等缺点逐渐凸显出来。传感器和控制器技术的发展，使得以电控及阀口参数实时测量控制方式取代原有的硬件压力补偿功能得以实现。
1起重机泵阀协同复合控制液压系统原理
液流通过多路阀主阀的流量特性公式为：
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上式中：Q为液体流量；A为阀口的过流面积，?p为阀口压差，ρ为油液密度，Cd为流量系数。在多路阀中，油液密度ρ可以被看作一个常数。多路阀的节流槽通常采用U型节流槽，U型节流槽阀口的流量系数Cd与阀口开度有关。当阀口处于小开度时，流量系数Cd接近于1；当阀口开度处于中间区域时，流量系数Cd为0.7-0.8之间的一个常数；当阀口接近全开时，流量系数Cd又快速增大至1。因此，可以选取流量系数Cd近似为常数的区域，在此区域内通过阀口的流量只与阀口压差的平方根和阀口的过流面积呈线性关系。
传统抗流量饱和负载敏感液压系统原理图如图1所示。
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图1传统杭流量饱和负载敏感系统原理图
压力补偿器位于节流口之后，负载最高压力通过梭阀引到各联的压力补偿器和负载敏感腔，使各个节流口后的压力相等，而且各联节流口进口压力是泵的出口压力，可以得到各联节流口的进口和出口压差?p相等。由上式可知，通往执行器的流量只与过流面积A成正比，实现流量独立分配。由于自身机械机构特性，系统存在复合动作时流量分配精度低、流量易饱和的缺点，且溢流损失和节流损失较大。
假设某一时刻通过多路阀阀口的压差为?p0，通过阀的流量为：
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当负载变化时，阀口压差?p也相应改变，此时通过阀口的实际流量与Q0的差值为：
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改变阀口的过流面积A可以调节流量从而使负载变化后的流量再回到Q0，此时过流面积变化量为：
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在多路阀主阀中，过流面积与阀芯位移通常呈线性关系，可以得到主阀阀芯位移变化量Δx为：
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式中x为阀芯位移，改变主阀阀芯位移变化量?x使通过多路阀阀口的流量不随负载压力的改变而改变从而实现压力补偿的方法称为电子压力补偿。液压系统由电液比例泵、合流阀、比例多路阀、平衡阀、液压马达和液压缸组成，相对于传统抗流量饱和负载敏感系统，泵阀协同复合控制液压系统在结构上取消了多路阀阀后压力补偿器，采用电液比例泵取代负载敏感系统中的负载敏感泵，在多路阀一次节流口前后分别安装压力传感器以检测阀口压差。在功能上，传统抗流量饱和负载敏感系统的负载独立流量分配系统和负载敏感系统分别由电子压力补偿系统和电液负载敏感系统取代。电子压力补偿系统由各联多路阀和在多路阀阀口前后安装的2个压力传感器组成，控制器可以实时计算各联阀口流量，调节比例多路阀阀口开度实现压差补偿。电液负载敏感系统取消了梭阀和负载敏感泵，不再通过管路将负载最高压力引回到负载敏感泵，将各联执行器的压力通过压力传感器传导至控制器，控制器经过计算将系统所需流量以电信号形式传送至电液比例泵，通过控制电液比例泵摆角达到控制电液比例泵输出流量目的。
2泵阀协同复合控制液压系统仿真模型建立和能效对比
2.1泵阀协同复合控制液压系统AMESim模型的建立
通过对力士乐M7系列多路阀结构分析，可以直接去除多路阀各联中的压力补偿器，在主阀阀芯增加位移传感器，将双联负载敏感泵替换为双联电液比例泵，由控制器直接控制电液比例泵摆角，然后进行模型搭建。
2.2泵阀协同复合控制液压系统与传统系统仿真结果能效分析
对于变幅联单动作微动模式仿真，设置臂架质量为11t，臂架与地面起始角度为500，液压泵转速为1900r/min，液压泵最大出口压力为28MPa，此时新旧液压系统控制主阀先导压力均为1MPa，系统运行30s。单动作变幅微动液压系统油缸位移、负载压力、液压泵出口压力和输出流量结果显示，随着臂架与地面角度上升，变幅油缸负载压力减小，液压泵出口压力也相应减小；单动作变幅微动液压系统液压泵输出功率和输出能量结果显示，在相同时间内泵阀协同复合控制液压系统消耗能量(198.53kJ)相较于传统抗流量饱和负载敏感液压系统消耗能量(204.13kJ)降低约2.74%。对于变幅联单动作快速运动模式仿真，设置臂架质量为11t，臂架与地面起始角度为500，液压泵转速为1900r/min，液压泵最大出口压力为28MPa，传统抗流量饱和负载敏感液压系统控制主阀先导压力为1.6MPa，泵阀协同复合控制液压系统主阀先导压力为2.1MPa，使主阀阀口全开，控制电液比例泵的手柄输入信号幅值为0.55，系统运行30s。单动作变幅快速运动液压系统油缸位移、负载压力、液压泵出口压力和液压泵输出流量，单动作变幅快速运动液压系统液压泵输出功率和液压泵输出能量结果显示。在相同时间内，泵阀协同复合控制液压系统消耗能量(423.25kJ)相较于传统抗流量饱和负载敏感液压系统消耗能量(466.27kJ)降低约9.23%。对变幅机构和卷扬机构复合运动微动模式仿真结果进行对比，液压泵转速为1900r/min，液压泵最大出口压力为28MPa，卷扬马达提升的重物质量为1t，臂架质量为11t，臂架与地面起始角度为500，设置卷扬联主阀的先导压力为1.2MPa，变幅联主阀的先导压力从0.6MPa逐渐增大1.4MPa，系统运行时长30s。复合动作微动系统液压泵出口压力、输出流量、输出功率和能量显示，在相同时间内泵阀协同复合控制系统消耗能量(720.46kJ)较于传统抗流量饱和负载敏感液压系统消耗能量(805.96kJ)降低约10.60%。
结束语
综上所述，泵阀协同复合控制液压系统相较于传统抗流量饱和负载敏感液压系统没有了压力补偿器的节流损失，在控制模式中新增快速运动模式，进一步降低能耗。与传统抗流量饱和负载敏感系统相比，在变幅联单动作微动模式下，泵阀协同复合控制液压系统能耗降低约2.74%；变幅联单动作快速运动模式下，系统能耗降低约9.23%；变幅联和卷扬联复合运动微动模式下，系统能耗降低约10.60%。
参考文献：
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