， ， (.太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 山西 太原　03004; .太原理工大學(xué) 力學(xué)學(xué)院， 山西 太原　03004)

引言

對汽車起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的研究表明，起升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)在重載工況時的效率較高，而在空載或輕載工況時效率很低[1]。這是因?yàn)槠嚻鹬貦C(jī)起升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)在負(fù)重下降工況時平衡閥的控制壓力是按照滿載時的控制壓力調(diào)定的，在輕載或空載工況時由于負(fù)載產(chǎn)生的壓力無法克服該控制壓力，必須依靠液壓泵在較高的壓力下運(yùn)行，導(dǎo)致更大的能量損失，液壓系統(tǒng)的效率較低。姚平喜等提出了一種新型負(fù)載敏感平衡閥[2],這種新型負(fù)載敏感平衡閥，平衡壓力能夠隨著負(fù)載的變化而變化，從而保證控制壓力一直處于一個較小的定值，使得下降工況時油液全流量通過該閥，降低能耗損失，提高功率利用率， 達(dá)到節(jié)能的目的。在汽車起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)當(dāng)中應(yīng)用該平衡閥，以實(shí)現(xiàn)定量泵的壓力與負(fù)載相匹配，使得系統(tǒng)壓力與執(zhí)行元件負(fù)載的變化相適應(yīng)，從而提高液壓系統(tǒng)的效率。

1　新型負(fù)載敏感平衡閥

新型負(fù)載敏感平衡閥主要由液控節(jié)流閥、液控單向閥和單向閥三部分組成，利用負(fù)載敏感技術(shù)，將負(fù)載下降由自重而引起的壓力反饋到控制活塞的一端，使閥芯的位移隨之產(chǎn)生相應(yīng)的變化量，從而控制節(jié)流閥的開啟量，該開啟量在保證產(chǎn)生足夠背壓的條件下使油液全流量通過[3]，既降低了能耗損失，也保證了負(fù)載的平穩(wěn)下降。

負(fù)載敏感平衡閥的工作原理[4]如圖1所示。

1.　液壓泵　2. 換向閥　3. 液控單向閥控制活塞 4. 液控單向閥　5. 液壓缸　6. 單向閥　7. 節(jié)流閥芯 8. 控制活塞　9. 溢流閥

對應(yīng)圖1中換向閥的三個位置，負(fù)載敏感平衡閥有三種工況：

(1) 起升工況換向閥右位工作時，壓力油從A口進(jìn)入平衡閥，打開單向閥6，從B口進(jìn)入液壓缸下腔，負(fù)載起升。

(2) 靜止承載工況換向閥中位工作時，系統(tǒng)卸荷，液控單向閥4在彈簧和液壓缸下腔的壓力作用下閉合，液壓缸鎖定。

(3) 下降工況換向閥左位工作時，壓力油進(jìn)入液壓缸有桿腔，一部分壓力油通過C口作用在液控單向閥控制活塞3的右端，打開液控單向閥4。在液壓缸下腔由負(fù)載自重產(chǎn)生的壓力通過平衡閥內(nèi)部孔道作用于控制活塞8的左端，使節(jié)流閥芯7具有相應(yīng)的開口量，液壓缸下腔的油液全流量通過節(jié)流閥以及已開啟的液控單向閥，經(jīng)A口回油箱。負(fù)載增大，節(jié)流閥開口減小，負(fù)載減小，節(jié)流閥開口增大，從而產(chǎn)生一個與負(fù)載相適應(yīng)的背壓，使負(fù)載平穩(wěn)下降。

2　汽車起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)

2.1　液壓系統(tǒng)原理圖及分析

根據(jù)汽車起重機(jī)起升系統(tǒng)的工作原理和液壓元件的實(shí)際結(jié)構(gòu)，進(jìn)行合理簡化的普通平衡閥起升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖如圖2所示[5]。

圖2　原起升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖

圖2所示普通平衡閥起升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的工作原理為：

(1) 起升工況換向閥位于右位，泵壓力油進(jìn)入平衡閥并打開單向閥進(jìn)入馬達(dá)，馬達(dá)正轉(zhuǎn)，負(fù)載起升。

(2) 靜止承載工況換向閥位于中位，泵卸荷，馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動，靜止承載。

(3) 下降工況換向閥位于左位，壓力油進(jìn)入油馬達(dá)，馬達(dá)反轉(zhuǎn)，負(fù)載在自重和平衡閥背壓作用下下降。

根據(jù)該液壓系統(tǒng)的工作原理可知，平衡閥背壓的設(shè)定是按照能夠平衡最大起重量的重力而設(shè)定的。對于普通的平衡閥液壓系統(tǒng)，在負(fù)載下降過程中負(fù)載要克服所設(shè)定的背壓才能下行，所以負(fù)載減小時，負(fù)載自重?zé)o法克服設(shè)定的背壓，只有提高泵的輸出壓力才能克服該背壓。這就造成了原起升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)在重載工況時的液壓系統(tǒng)效率較高，而在輕載和空載工況時的液壓系統(tǒng)效率較低的現(xiàn)象。而新型負(fù)載敏感平衡閥采用負(fù)載敏感技術(shù)，可以明顯改善負(fù)載下降時能量損耗問題。

將原液壓系統(tǒng)中的普通平衡閥用這種新型負(fù)載敏感平衡閥代替，改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

為便于分析和對比普通平衡閥和負(fù)載敏感平衡閥液壓系統(tǒng)在負(fù)載下降過程中的能量損耗問題，對原起升機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行等效代替，其等效原理圖如下圖4所示。

圖3　改進(jìn)后起升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖

2.2　等效液壓系統(tǒng)原理圖及分析

圖4是圖2原起升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖的等效原理圖，是將原液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓馬達(dá)等效為雙出桿液壓缸。

如圖4所示，由圖2所示液壓系統(tǒng)的工作原理可知，負(fù)載起升階段，油液只需打開單向閥進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其壓力取決于負(fù)載，即起升壓力隨負(fù)載而變，故原液壓系統(tǒng)和改進(jìn)后液壓系統(tǒng)的起升工況泵油液壓力基本相同；負(fù)載靜止承載階段，系統(tǒng)卸荷，兩系統(tǒng)壓力一致；負(fù)載下降階段，普通平衡閥的背壓恒定不變，負(fù)載減小，泵油液壓力反而增大，而新型負(fù)載敏感平衡閥的負(fù)載壓力反饋?zhàn)饔迷陂y上，閥的背壓能與負(fù)載相適應(yīng)。分析可得，起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的工況中，負(fù)載下降工況是決定系統(tǒng)能量損耗的關(guān)鍵，以下主要分析負(fù)載下降工況。

圖4　起升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)等效原理圖

負(fù)載下降過程中，設(shè)雙出桿液壓缸上下腔的作用面積為均為A，液壓缸上腔壓力為p1，下腔壓力為p2，負(fù)載重量為G。則對雙出桿液壓缸的活塞進(jìn)行受力分析可得：

p1A+G=p2A

(1)

式中，普通的平衡閥液壓系統(tǒng)中p2是以滿足平衡最大負(fù)載而設(shè)定的，當(dāng)重物的重量G減小時，為平衡平衡閥的設(shè)定壓力p2，油泵壓力p1要增大。這說明負(fù)載越小，泵輸出壓力越大，損耗越大，即在輕載或空載工況下系統(tǒng)的能量損耗增大。而負(fù)載敏感平衡閥液壓系統(tǒng)中重物的重量G變化時，產(chǎn)生相應(yīng)的背壓p2，同時p2作用在閥的控制端，控制閥口的開啟量，從而產(chǎn)生與之相應(yīng)的壓力使油液全流量通過，這樣泵油液壓力無須增大以克服背壓，則p1基本保持為一較小值，即輕載或空載工況下系統(tǒng)的損耗較低。

在等效原理圖4的基礎(chǔ)上，用負(fù)載敏感平衡閥的平衡回路代替單向順序閥作平衡閥的平衡回路，即為改進(jìn)后液壓系統(tǒng)的等效原理圖。在等效原理圖的基礎(chǔ)上對兩個等效液壓系統(tǒng)應(yīng)用AMESim 軟件進(jìn)行仿真分析，比較二者的耗能情況。

3　液壓系統(tǒng)的仿真模型及節(jié)能分析

3.1　AMESim搭建的兩個液壓系統(tǒng)的模型

圖5為普通平衡閥起升機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)的AMESim模型，圖6為負(fù)載敏感平衡閥液壓系統(tǒng)的AMESim模型。

圖5　普通平衡閥液壓系統(tǒng)的AMESim模型

3.2　起升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的仿真及結(jié)果分析

為便于進(jìn)行對比分析，兩個液壓系統(tǒng)模型中各元件的參數(shù)設(shè)置相同，但負(fù)載敏感平衡閥的參數(shù)和普通平衡閥的參數(shù)要分別設(shè)置。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定為：仿真起始時間均為0 s，終止時間為1 s，仿真步長為0.01。

因負(fù)載敏感平衡閥液壓系統(tǒng)和普通平衡閥液壓系統(tǒng)均采用定量泵，且泵的參數(shù)值及負(fù)載的參數(shù)值的設(shè)定相同，故泵的輸入功率相同。但由于采用不同的平衡閥，泵的輸出壓力不同，泵的輸出功率不同。因此，起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的能耗損失主要體現(xiàn)在泵輸出功率的大小上。

圖6　負(fù)載敏感平衡閥液壓系統(tǒng)的AMESim模型

泵的輸出功率表達(dá)式：

P=qp

(2)

其中,P為液壓泵輸出功率 ;q為液壓泵輸出的實(shí)際流量;p為液壓泵輸出壓力。

系統(tǒng)以20 t汽車起重機(jī)為例，系統(tǒng)仿真運(yùn)行后得到在一個周期內(nèi)兩個液壓系統(tǒng)分別在空載0.36 t、輕載5 t、重載(滿載)20 t三種工況下泵的輸出功率曲線圖如圖7～圖9所示。

對圖7所示空載工況曲線的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較計(jì)算可得：在負(fù)載下降工況，即0.6～1 s內(nèi)，負(fù)載敏感平衡閥液壓系統(tǒng)輸出功率比普通平衡閥減少了94.7%。

對圖8所示輕載工況曲線的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較計(jì)算可得：在負(fù)載下降工況，即0.6～1 s內(nèi)，負(fù)載敏感平衡閥液壓系統(tǒng)的輸出功率比普通平衡閥減少了93%。

對圖9所示重載工況曲線的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較計(jì)算可得：在負(fù)載下降工況，即0.6～1 s內(nèi)，負(fù)載敏感平衡閥液壓系統(tǒng)的輸出功率與普通平衡閥時的相當(dāng)。

綜合圖7～圖9的仿真結(jié)果分析可得，在一個空載和輕載工況下，負(fù)載敏感平衡閥液壓系統(tǒng)的輸出功率(即下降工況時的能耗)遠(yuǎn)低于普通平衡閥液壓系統(tǒng)的輸出功率，重載工況下，二者的輸出功率相近。

同時，由以上三個圖的仿真分析結(jié)果還可以得出，在承載下降時，輕載和空載工況下，負(fù)載敏感平衡閥液壓系統(tǒng)輸出功率小于普通敏感平衡閥液壓系統(tǒng)輸出功率的效果較為顯著，空載下降工況輸出功率減少了94.7%，輕載下降工況輸出功率減少了93%。

圖7　空載工況時泵的輸出功率曲線

圖8　輕載工況時泵的輸出功率曲線

圖9　重載工況時泵的輸出功率曲線

綜合以上仿真分析可以得到，在承載下降過程中，負(fù)載敏感平衡閥液壓系統(tǒng)輸出較小的功率就可以讓負(fù)載在自重作用下平穩(wěn)下降，其背壓可隨著負(fù)載的變化而變化，改善了原普通平衡閥液壓系統(tǒng)因負(fù)載背壓恒定而引起較大壓力損失的問題，降低了能耗，達(dá)到較為顯著的節(jié)能效果。

根據(jù)以上分析可得，負(fù)載敏感平衡閥的應(yīng)用， 使汽車起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的輸出功率與負(fù)載相適

應(yīng)，提高了能量利用率，體現(xiàn)了節(jié)能的本質(zhì)，達(dá)到了節(jié)能的目的。

4　結(jié)論

在汽車起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)中采用負(fù)載敏感平衡閥，在負(fù)載下降工況時背壓能隨負(fù)載的減小而減少，降低了系統(tǒng)的輸出功率，避免了原普通平衡閥起升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)存在的負(fù)載小而壓力大的現(xiàn)象，很好的解決了汽車起重機(jī)在輕載和空載工況下的能量損耗大的問題，提高了在輕載和空載工況下液壓系統(tǒng)的能量利用率，達(dá)到了液壓系統(tǒng)節(jié)能的目的。

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