工程机械负载敏感技术节能原理及应用_耿令新

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0, 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。
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、4, 变量机 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] 。
1 变量泵 2 节流阀 3 换向阀 4, 8 液压油缸 5 负载敏感控制阀 6 变量油缸 7 压力补偿阀
图 4 负载敏感变量泵单泵多负载原理示意图
N b= NL + $N c + $N s
( 7)
其中负载的输入功率 N L 为系统输出的有用功;
节流损失功率 $Nc 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 $Ns 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
关键词 负载敏感 变量泵 节能 工程机械
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。
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
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
N b = p bQb
( 1)
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。
算机信息, 2007, 23( 9- 1) : 140- 142. [ 4] 杨俊峰, 韩佩富, 白文普, 等. 基 于 LabVIEW 的在线动 态扭矩仪 设
A F ) ) ) 压力油作用在阀芯上的有效面积
$p = p b- pL 由式( 9) 、式( 10) , 结合原理图 2 可以看出
¹ 当阀芯弹簧压力设定后, 阀芯在平衡位置时 $
恒定。当需要改变负载速度时, 只需改变节流阀 2 的
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, $p 将减小, 则
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
$p
=
Fs AF
( 10)
式中 Fs ) ) ) 阀芯弹簧设定压力
[ 4] 刘钊, 张珊珊. 变量泵控制方式及其应用[ J] . 中国工程机械学 报, 2004, 7: 304- 302.
[ 5] 李泽松, 寇子明. A4VG 系列变量泵伺 服机构动态特性 分析[ J] . 煤 矿机电, 2005, 2: 8- 10.
[ 6] 张潘, 王国志, 邓文武. . 装 载机转向 负荷敏 感型变 量泵 的动态 仿 真[ J] . 建筑机械, 2006, 1: 70- 72.
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
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
Q = KA ( p b- pL ) m
( 9)
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
1 变量泵 2 节流阀 3 转向阀 4 液压油缸 5 负载敏感控制阀
86
机械传动
2008 年
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
第 32 卷 第 5 期
工程机械负载敏感技术节能原理及应用
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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。
2. 2 负载敏感变量泵在工程机械上的应用 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。
pbAF< pLA F+ Fs
( 11)
此时阀 5 的阀芯将左移, B 、O 口接通, 压力油进
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, $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;
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
损失很小, 其功率损耗为
$N s= $pQ
( 13)
系统效率为
G=
pLQ p bQ
=
pb-
( pbpb
pL ) =
1-
$p pb
( 14)
由于泵的出口压力 p b 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
时的压力只需比负载压力略高, 而不必像恒压泵那样
参考文献
[ 1] 耿宗亮, 史书平, 秦海港, 等. 皮带 传动试验 台地微机 化测量系 统
设计[ J] . 机电产品开发与创新, 2007, 20 ( 4) : 138- 139. [ 2] 骆庆. 基于 LabVIEW 的蜗杆减速器测试系统[ J] . 机电工程, 2007,
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G=
NL Nb
=
NL
+
NL $N c +
$N s
( 8)
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。
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。
式中 N b Байду номын сангаас ) ) 泵输出功率 p b ) ) ) 泵出口压力 图 1 节流调速系统简化模型
Qb ) ) ) 泵输出流量
当溢流阀工作时,
QS = Qb- QL
( 2)
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
$N s= p bQ s
º 当负载压力 pL 变化时, 例如 pL 减小, 则 $p 增
大, 由于阀 2 开口面积不变, 通过阀 2 的流量增加。由
于
pbAF> pLA F+ Fs
( 12)
此时阀 5 的阀芯将右移, A 、O 口接通, 变量油缸 6
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, $p 减小, p b 降低, 直至重新达到式( 10) 的平衡条件, $p 恢复到平衡状态
( 3)
油液通过节流阀产生的压力损失为
$Pc=
(KQAL
)
1 m
( 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
$N c = ( pb- pL ) QL
( 5)
负载消耗的功率为
N L = pLQL
( 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 N L 、节流损失功率 $N c 和溢流损失功率 $N s, 即
收稿日期: 20071203 作者简介: 耿令新( 1972- ) , 男, 山东聊城人, 博士研究生
( 上接第 68 页) 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
[ 1] 王意, 王长江. 静液压传动装载机[ J] . 工程机械与维 修, 1999, 4: 26 - 29.
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