装载机负载敏感液压系统优化设计及仿真分析

申慧君， 陶 柳

(四川省冲压发动机先进制造技术工程实验室， 四川 德阳 618000)

引言

随着国民经济的快速发展，液压装载机作为一类快速、高效的施工机械广泛使用在各种工程建设领域，特别是在基础设施建设中的作用尤为重要。我国工程机械行业发展规划中把液压装载机作为重点发展产品，同时对装载机的节能、高效、操作简化和舒适等方面的研究，也被列为重点研发内容及关键技术。负载敏感压力补偿技术是近年来发展起来的一门新型技术，在改善操纵性、协调各机构同时动作、节能等方面都有显著特点，和电子控制结合起来是将来机械液压系统的发展趋势[1-3]。

负载敏感系统具有节能和比例控制两大优点，操作者可以通过控制方向阀的行程来控制2个或2个以上机构的速度，而不受负荷大小的影响，且不会有过多的能量损失。因此，负载敏感技术将是装载机液压系统的发展方向，但是负载敏感液压系统中关键元件多路阀通过压力补偿阀设定两侧压力差为弹簧力来稳定系统的流量，会造成一定的能量损失[4-6]。鉴于此，本研究提出了增加节能控制阀来降低多路阀补偿压差的节能负载敏感液压系统，利用AMESim仿真软件建立仿真模型并进行仿真分析研究。结果表明，在相同的工况下，改进后的负载敏感系统，能够降低工作时多路阀的能量损耗，提高系统及元件的性能及使用寿命。结论对装载机负载敏感液压系统的节能及优化设计提供了理论参考。

1 改进负载敏感液压系统工作原理及节能特性分析

1.1 工作原理

图1给出了负载敏感液压系统工作原理图，其中图1b为改进后的负载敏感液压系统原理图，其节能工作原理为，在负载敏感多路阀出口及泵流量调节阀之间串接1个节能控制阀，系统梭阀采集的系统最高工作压力pLs先作用在节能控制阀右腔，出口压力作用在节能控制阀左端。通过动态调节节能控制阀液阻开口的大小来降低反馈到泵出口流量调节阀的最高压力，进而降低泵出口压力即负载敏感多路阀进口的压力，相同工况下多路阀进出口压差减小。再通过增大负载敏感多路阀开口面积，使经过负载敏感多路阀的流量大小保持不变。此种控制方式降低了负载敏感多路阀的压力损失，起到节能作用的同时维持泵的反应灵敏性和装载机的操作性不变，降低了系统的能量损耗，提高系统工作效率的同时对系统及元件的使用寿命提升也有一定效益。

1.2 节能特性分析

为了便于对节能控制器节能作用进行分析，对图1简化后进行受力计算，简化的液压系统受力分析如图2所示，图中pL1，pL2为支路负载压力，设定pL1>pL2；pn1，pn2为可变节流阀1，2的出口油压；p1为泵的工作压力；Δp为可变节流阀两端压差。阀后压力补偿器阀芯一端受可变节流阀出口压力作用，另一端通过先导控制阀和最高负载压力相作用，节能控制阀右端引入最高负载压力，出口压力一路作用在左端弹簧腔，一路引入至流量调节阀弹簧腔。流量调节阀左端作用于液压泵出口压力。根据系统组成和受力情况，进行如下分析计算。

1) 无节能控制器液阻降压

以压力补偿阀11为例，如图2a所示，阀平衡条件分别为[7]：

图2 负载敏感液压系统受力分析原理图

(1)

(p1-pL1)A2=FT2

(2)

Δp=(p1-pn1)=FT2/A2-FT1/A1

(3)

式中，FT1—— 压力补偿阀11的弹簧力

FT2—— 流量调节阀弹簧力

A1，A2—— 分别为压力补偿阀11、流量调节阀的阀芯受压作用面积

阀流量计算公式为[8-9]

Q=CdAΔpm

(4)

式中，Q—— 流量

Cd—— 流量系数

A—— 多路阀阀口通流面积

m—— 系数

将式(3)、式(4)代入阀功率损耗计算公式Pw=PQ可得压力补偿阀11的功率损耗公式：

Pw1=CdA(FT2/A2-FT1/A1)(1+m)

(5)

综上可知，多路阀中压力补偿阀的功率损耗为其补偿压差(1+m)次方成比例，降低多路阀压力补偿阀的补偿压差能有效的降低多路阀能量损耗，流量越大，作用越明显。

2) 增加节能控制器液阻降压

以压力补偿阀11为例，如图2b所示，阀平衡条件分别为：

(pn1-pL1)A1=FT1

(6)

(pL1-p3)A3=FT3

(7)

(p1-p3)A2=FT2

(8)

Δp=(p1-pn1)=FT2/A2-FT1/A1-FT3/A3

(9)

式中，p3—— 节能控制器弹簧腔压力

FT3—— 节能控制器的弹簧力

A3—— 节能控制器阀芯受压作用面积

此时，求得压力补偿阀11及节能控制阀能量损耗，如式(10)、式(11)所示：

Pw1=CdA(FT2/A2-FT1/A1-FT3/A3)(1+m)

(10)

Pw3=CdA3(FT3/A3)(1+m)

(11)

由式(10)、式(11)推导得出，压力补偿阀减少的能量损失：

PΔw1=CdA(FT3/A3)(1+m)-CdA3(FT3/A3)(1+m)

(12)

其中，A3为节能控制器的通流面积。因为节能控制器通过的为梭阀采集过来的控制油路，流量小，所以节能控制器产生的能量损失CdA3(FT3/A3)(1+m)近似为0，可以忽略不计。

综上所述，改进后系统多路阀减少能量损失为：

PΔw1≈CdA(FT3/A3)(1+m)

(13)

2 AMESim建模及仿真分析

2.1 模型建立

根据改进的负载敏感液压系统，利用AMESim软件[10-11]建立系统仿真模型如图3所示。

1.油箱 2.电动机 3.油泵 4.变量调节液压缸 5.流量调节阀 6.压力截止阀 7.稳流阀 8-14.多路阀 15-16.液压缸 17.节能控制阀

2.2 参数设置

根据负载敏感液压系统元件结构及工作原理，设定AMESim各主要模块的参数如表1所示，其他参数保持默认。

(续表1)

2.3 仿真分析

1) 模型验证分析

设定两支路的输入信号(A)如图4所示：0～10 s内为-40 mA，仿真时间为10 s，仿真步长0.01 s，进行仿真运行分析。

图4 换向阀输入信号曲线

设定支路1外加负载F1在10 s内由0 N增加到25000 N，支路2外加负载F2在10 s内由0 N增加到15000 N。换向节流阀的开度设定相同，进行仿真，结果如图5、图6所示。

图5 支路1多路阀主阀口流量及负载变化曲线

图6 支路2多路阀主阀口流量及负载变化曲线

由仿真结果图5、图6可知：支路1外加负载在10 s内由0 N增加到25000 N，经过约2.3 s支路流量达到最大值74.3 L/min;支路2外加负载在10 s内由0 N增加到15000 N，经过约2.3 s支路流量达到最大值74.9 L/min。两支路的流量基本一致，与负载无关，只与系统中多路阀阀口开度有关，证明了所建立模型的正确性和精确性。

2) 节能工况分析研究

为了保证压力补偿工作稳定性等性能，补偿弹簧补偿压力值范围一般为1～2 MPa[12-13]。本研究取液压泵流量调节阀、压力补偿阀弹簧补偿压力值为1.53 MPa。将流量调节阀阀芯直径d=5 mm代入压力计算公式p=4F/πd2，计算得出压力补偿阀补偿弹簧预紧力F=30.2 N。

设定支路1的工作负载恒为25000 N，支路2的工作负载恒为15000 N，换向阀节流口大小一致，压力补偿阀弹簧预紧力为30.2 N，节能控制器弹簧预紧力为0 N，即先不考虑节能控制器节能作用，设置仿真时间为10 s，进行仿真，结果如图7、图8所示。

如图7所示为液压泵出口、流量调节阀右端压力及弹簧力变化曲线图，从仿真结果可以发现，仿真开始时阀芯左右压差存在轻微的震荡，0.5 s之后趋于稳定，取仿真时间为3 s时仿真数据，在流量调节阀弹簧力为30.2 N时，泵出口压力和流量调节阀右腔压力差为1.53 MPa，仿真结果与理论推导所得结论一致，再次验证了所建立仿真模型的精确性。

图7 液压泵出口、流量调节阀右端压力及弹簧力变化曲线

如图8所示为压力补偿阀11主阀口流量及功率损耗曲线图，从仿真结果可以发现，仿真0.5 s之后流量和功率参数达到稳定，取仿真时间为3 s时仿真数据，流量稳定在72.9 L/min，功率损耗稳定在1.07 kW。

图8 多路阀主阀口通过流量及功率损耗变化曲线

设定支路1的工作负载恒为25000 N，支路2的工作负载恒为15000 N，多路阀节流口大小一致，流量调节阀弹簧预紧力为30.2 N保持不变，节能控制器弹簧预紧力11.9 N，考虑节能控制器的节能作用，将节能控制器阀芯直径d=5 mm代入压力计算公式p=4F/πd2，得到在节能控制器上产生的压降约为0.61 MPa，设置仿真时间为10 s，进行仿真，结果如图9所示。

如图9所示为考虑节能控制器节能作用后液压泵出口、流量调节阀右端压力及弹簧力变化曲线图，从仿真结果可以发现，仿真开始时阀芯左右压差存在轻微的震荡，0.4 s之后趋于稳定，取仿真时间为3 s时仿真数据，在节能控制器弹簧预紧力为11.9 N时，流量调节阀左右腔压力差为1.53 MPa，由于节能控制器的节能作用，泵的出口压力降低了约为0.61 MPa。

图9 液压泵出口、流量调节阀右端压力及弹簧力变化曲线

利用AMESim后处理功能得到考虑节能控制器节能作用后多路阀主阀口流量及多路阀阀口节约功率曲线如图10所示，从仿真结果可以发现，仿真0.4 s之后流量和功率参数达到稳定，取仿真时间为3 s时仿真数据，流量稳定在72.9 L/min,节约功率稳定在0.78 kW。

图10 多路阀主阀口流量及多路阀阀口节约功率曲线

综合图7～图10所示，通过设定节能控制器弹簧力为11.9 N，压力补偿阀11主阀能量损失减少了0.78 kW，证明通过利用节能控制器的串联液阻分压作用，有效降低了多路阀的能量损耗。

3 结论

装载机负载敏感液压系统中通过压力补偿作用来维持多路阀前后压差的恒定，补偿压差的存在会造成一定的能量损失，降低系统效率和元件的使用性能及寿命。鉴于此，本研究设计提出了增加节能控制阀串联液阻分压作用来降低多路阀补偿压差的节能负载敏感液压系统。利用AMESim仿真软件建立仿真模型并进行仿真分析研究。

本设计方案中，通过设定节能控制器弹簧力为11.9 N，压力补偿阀11主阀能量损失减少了0.78 kW。仿真数据表明，在相同的工况下，改进后的负载敏感系统，能够有效降低工作时多路阀的能量损耗，提高系统及元件的性能及使用寿命，并且随着系统流量及多路阀阀片联数越多，效果越明显。所得结论对装载机负载敏感液压系统的节能及优化设计提供了理论参考。