负荷传感技术在重型平板车液压控制系统上的应用

作者简介：王智勇（1978-），男，河北定州人，博士生.负荷传感技术在重型平板车液压控制系统上的应用王智勇，赵静一，张齐生（燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛066004）摘要：近年来，负荷传感液压系统作为一种先进的液压技术在重型平板车上展现了其应用趋势.在介绍了变量泵负荷传感系统原理的基础上，针对某型号重型平板车的工艺要求，设计开发了具有节能、高效和可控性能高的转向与悬挂液压控制系统.关键词：重型平板车；负荷传感系统；液压系统；转向；液压悬挂中图分类号：T H137.3A p p l i c a t i o no f l o a d S e n S i n g t e c h n o l o g y i n t h eh yd r a u l i c c o n t r o l S y S te mof h e a 4y d u t y t r a n S po r t e r W A N GZ h i -y o n g ，Z H A OJ i n g -y i ，Z H A N GQ i -s h e n g（C o l l e g e o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，Y a n s h a nU n i v e r s i t y ，Q i n h u a n gd a o 066004，C h i n a ）A 5S t r a c t ：I n t he s e y e a r s ，l o a d s e n s i n g h y d r a u l i c s y s t e m i s a p p l i e d i n i n d u s t r y h e a v y d u t y t r a n s po r t e r m o r e a n d m o r ew i d e l y a s a a d v a n c e d h y d r a u l i c t e c h n o l o g y .T h i s a r t i c l e i n t r o d u c e s t h e p r i n c i p l e o f v a r i a b l e p u m p’s l o a d s e n s i n g s y s t e ma n d d e s i g n s a s e t o f h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e mw i t h s a v i n g p o w e r ，h i g h e f f i c i e n c y a n d h i gh c o n -t r o l l e d p e r f o r m a n c e o f s t e e r i n g a n d b o g i e s a c c o r d i n g t o t h e r e q u i r e m e n t o f s o m e t y p e h e a v y d u t y t r a n s po r t e r .6e y 7o r d S ：h e a v y d u t y t r a n s p o r t e r ；l o a d s e n s i n g s y s t e m ；h y d r a u l i c s y s t e m ；s t e e r i n g ；h y d r a u l i c b o g i e s 重型平板车的载重都在100t 以上，是运输大型零部件以及产品和转场的常用工具，是企业生产自动化的重要组成部分，在国外已经广泛应用于交通建设、钢厂、船厂、机场以及物流等行业.重型平板车的作业对象复杂，负载变化比较大，这给重型平板车的微动调节带来了不利影响，同时，执行机构的复合操作也出现了相互影响，其液压控制系统性能的优劣直接影响到整车的性能.8变量泵负荷传感系统原理负荷传感是一个系统概念，因此称为负荷传感系统，负荷传感通过检测负载压力、流量和功率变化信号，向液压系统进行反馈，实现节能控制、流量与调速控制和恒功率控制等，负荷传感系统所采用的控制方式包括液压控制和电子控制［1］.负荷传感系统包括定量泵负荷传感系统和变量泵负荷传感系统，前者采用的是节流调速，后者为容积调速.重型平板车必须考虑承受大惯量、低刚性负载的动态特性.设负载为F ，油缸面积为A ，体积弹性模量为K ，摩擦因数为μ，活塞杆行程为x ，供油压力为p ，供油流量为Q ，质量块m 移动的速度为v ，平均速度为v —，其速度波动（拉氏变换形式）为s Δx ，相应的压力波动为p 0+Δp ，流量波动为Q 0+ΔQ E Q 0+（∂Q ／∂p ）p ，则拉氏运动方程为第3卷第4期2005年10月中国工程机械学报C H I N E S E J O U R N A LO FC O N S T R U C T I O N M A C H I N E R Y V o l .3N o .4O c t .2005（m s 2+μs ）Δx +F E A （p 0+Δp ）（1）A （v —+s Δx ）E Q 0+ΔQ -v Ks Δp （2）式中：F E A p 0；Q0E v —A .则系统的特征方程为m s 2+μ-m K v ∂Q ∂（）p s +K v A 2-μ∂Q ∂（）［］p s Δx E 0（3）即m s 2+μ-m K v ∂Q ∂（）p s +K v A 2-μ∂Q ∂（）p E 0对于定量泵负荷传感系统，系统的流量随压力的增加而减小，∂Q ／∂p <0，故特征方程的阻尼项μ-（m K ／v ）（∂Q ／∂p ）>0，系统在阶跃输入的激励下趋于稳定，可见定量泵负荷传感系统具有良好的稳定性.而变量泵负荷传感系统的流量不随压力的改变而变化，与阀芯的开口面积成比例，∂Q ／∂p E0，故系统阻尼比较小，抑制干扰能力较差，但灵敏度高，动态响应能力好，可实现精确调节，多负载并联工况可调性好.定量泵负荷传感系统和变量泵负荷传感系统都具有节能的优点，但重型平板车液压控制系统要求较高的动态响应能力和可控性，故变量泵负荷传感系统在重型平板车上的应用前景将十分广泛［2］.变量泵负荷传感系统由负荷传感变量泵和负荷传感多路阀组成，其原理如图1所示.1.变量缸；2.恒功率控制机构；3.压力切断阀；4.负荷传感阀（L S）阀；5.梭阀；6.压力补偿阀；7.主阀；8.液压缸.图1变量泵负荷传感系统F i g .1L o a d s e n s i n g s y s t e Lo f v a r i a b l e p u L p负荷传感变量泵的变量控制部分包括变量缸、压力切断阀、L s 阀以及恒功率控制机构.负荷传感阀是个流量控制阀，它根据负载压力来工作以调整泵的排量，使之适应执行器的需要.该系统采用传统的阀前压力补偿方法，补偿阀弹簧腔引入的压力是各回路本身的负载压力，工作时靠补偿阀的开度变化自动调整各回路主阀前后的压差保持恒定值Δp 0［3］.负荷传感变量泵的流量与方向阀开度成正比，操作方向阀改变其开口大小，便可改变泵的流量，使其刚好等于负载所需要的流量.如，当方向阀开口调小时，压差Δp 瞬时变大，L s 阀芯失去平衡而左移，压力油进入变量缸活塞大腔，使其泵流量减小，Δp 减小，直到Δp 重新等于Δp 0时，L s 阀芯重新回到平衡位置，故泵输出的流量始终保持与负载所需要的流量相适应.主阀处于中位时，执行机构负载为零，L s 阀使主泵为零排量工况，此时系统功率损失几乎为零.另一方面，当方向阀的开度一定时，负载变化不会影响进入执行元件的流量，即负载流量与负载大小无关.若负载压力因某种原因降低，则流量瞬时增加，同时压差Δp 变大，L s 阀芯左移，泵流量减小，方向阀口处的压差Δp 减小，直到Δp 重新等于Δp 0，这时L s 阀芯重新回到平衡位置.这表明泵的供油压力p p随负载压力变化，二者之间仅相差一个恒定的压差Δp 0.这种系统在泵流量未饱和时具有较好的控制性能，但当流量需要超过泵的供油能力，即泵流量饱和时，各回路所得到的流量按负载大小的顺序减少，甚至使较大的负载停止运动［4］.对于在任何情况下都希望实现准确控制来说，这显然是不理想的.634中国工程机械学报第3卷2某重型平板车液压系统设计某企业开发的某型号重型平板车的控制系统均为液压控制系统，包括驱动液压系统、转向与悬挂液压控制系统.驱动液压系统为闭式液压系统，转向与悬挂液压控制系统采用恒功率叠加变量泵负荷传感控制技术［5］.该重型平板车为两列四轴线，共八个悬挂，为实现任意转向，整车采用独立转向.转向原理如图2所示.图2转向原理图F i g .2T h e o r y o f s t e e r i n g转向计算公式t a n αE L 1／R（4）t a n γE L 3／（R +H）（5）t a n βE L 2／R （6）根据式（4）~（6）计算出各轮胎的转角关系，为整车转向液压系统设计提供理论依据.液压转向系统采用电液比例控制系统，通过转角传感器闭环控制各悬挂的转角，实现对悬挂转向的精确控制和轮胎转向时的近似纯滚动［6］.转向系统负载变化复杂，且并行工作，采用变量泵负荷传感系统可以在变负载及变化的发动机转速条件下实现多执行元件复杂运动的准确控制，其液压控制系统原理图如图3所示.为保证变量泵具有良好的控制性，根据发动机怠速时工况选取变量泵，使负载流量不超过变量泵的供油能力.液压悬挂系统能够根据路面的情况自动调整悬挂液压缸的伸缩量，保证每个轮胎所承受的载荷相同.根据不同的工况，可以使前部的四个悬挂油缸联通，与后部两侧的悬挂油缸形成静定的三支点支承，避免车架受扭.同时，液压悬挂系统也是车身的提升系统，可以均匀改变车身的高度，四组悬挂可以单独调整也可以同时调整，从而保证车身处于水平状态.采用变量泵负荷传感技术后，这种重型平板车液压控制系统具有以下特点：①泵的压力和流量接近负载所需的压力和流量，减少系统的功率损失，具有节能的优点；②转向控制系统为闭环控制系统，控制灵敏度高，调速准确、迅速，操作性能好；③良好的动静特性；④控制阀中位时，泵在低压小流量下工作；系统工作时，泵在略高于负载压力下工作，且溢流损失小，油温低，从而使元件和工作油寿命延长；⑤功率得到充分利用，系统效率高，泵、冷油器、滤油器及管路元件的规格都能适当减少，使系统更紧凑.3结论重型平板车执行机构比较多，而且多为并联关系，复合操作相互影响比较严重.通过分析定量泵负荷734第4期王智勇，等：负荷传感技术在重型平板车液压控制系统上的应用传感系统和变量泵负荷传感系统的动态特性，选择变量泵负荷传感系统应用在重型平板车液压控制系统.在重型平板车工艺参数的基础上，设计出具有灵敏度高、可控性能好、高效率和节能等优点的转向和悬挂液压控制系统，对同类设备的设计具有很好的借鉴作用.1.变量泵；2.多路阀；3.液压缸；4.电液换向阀；5.电磁换向阀；6.液控单向阀；7.防爆阀；8.柱塞缸；9.截止阀图3重型平板车转向与悬挂液压系统图F i g .3S t e e r i n g a n d b o g i e s h y d r a u l i c s y s t e Lo f h e a v y d u t y t r a n s po r t e r 参考文献：［1］方旭东.液压挖掘机中负荷传感系统的分析与计算［J ］.同济大学学报（自然科学版），2001，29（9）：1097-1100.［2］王广怀.液压技术应用［M ］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001.［3］纪云锋，陈欠根，张新海.负荷传感系统及其应用［J ］.装备制造技术，2003，（3）：10-12.［4］王广怀，靳军，曹祯.M 160拖拉机闭心式负荷传感变量泵［J ］.机床与液压，2002，（4）：240-241.［5］尹国华，张向东，马开岭.轮式装载机负荷传感转向液压系统［J ］.工程机械，1998，（9）：26-27.［6］W A N GZ h i -y o n g ，Z H A OJ i n g -y i ，W A N GY o n g -c h a n g .T h e d i g i t a l s i m u l a t i o n a n d p r a c t i c e o f h y d r a u l i c s t e e r i n g s y s t e mf o r t r o l l e y 900t o n ［A ］.P r o c e e d i n g s o f t h e S i x t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o nF l u i dP o w e rT r a n s m i s s i o n a n dC o n t r o l ，（I C F P ’2005）［C ］.B e j i n g：I n t e r n a t i o n a l A c a d e m i c P u b l i s h e r s ／W o r l dP u b l i s h i n g C o r p o r a t i o n ，2005.150-153.834中国工程机械学报第3卷。