本文關(guān)鍵詞：工程機(jī)械負(fù)載敏感技術(shù)節(jié)能原理及應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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文章編號(hào) :1004 - 2539 (2008) 05 - 0085 - 03

工程機(jī)械負(fù)載敏感技術(shù)節(jié)能原理及應(yīng)用
( 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 , 　 上海 　 201804)

　

耿令新 　 　 　 劉 釗 吳仁智 ( 河南科技大學(xué) , 　 河南 洛陽(yáng) 　 471003) 　 張利娟

摘要 　 通過(guò)對(duì)液壓系統(tǒng)節(jié)流調(diào)速回路進(jìn)行能耗分析 ,說(shuō)明了變量泵的節(jié)能原理 ,并就負(fù)載敏感變量 泵節(jié)能技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行了較詳細(xì)的分析和闡述 ,為工程機(jī)械節(jié)能設(shè)計(jì)提供參考 。 關(guān)鍵詞 　 負(fù)載敏感 　 變量泵 　 節(jié)能 　 工程機(jī)械 當(dāng)溢流閥工作時(shí) ,
QS = Q b - QL ( 2)

　　 引言 隨著能源的日益緊缺和人們對(duì)環(huán)保要求的不斷提 高 , 工程機(jī)械的節(jié)能性指標(biāo)越來(lái)越受到用戶的重視 。 對(duì)用戶來(lái)說(shuō) , 節(jié)能性優(yōu)越的工程機(jī)械 , 不僅在使用過(guò)程 中能夠節(jié)約大量的燃油 , 還可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率利 用率和傳動(dòng)元件的壽命和可靠性 , 減少機(jī)器故障率和 維修成本 , 提高用戶的投資回報(bào)率 , 對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō) , 則可 以增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì) 。 液壓技術(shù)的應(yīng)用大大提高了工程機(jī)械的節(jié)能效 果 。據(jù)統(tǒng)計(jì) , 兩臺(tái)功率相當(dāng)?shù)难b載機(jī) , 一臺(tái)使用靜液壓 傳動(dòng)技術(shù) , 另一臺(tái)使用傳統(tǒng)的液力傳動(dòng) , 前者比后者可 節(jié)約燃油 60 %～70 % [ 1 ] , 液壓技術(shù)的節(jié)能效果可見一 斑 。液壓泵是液壓系統(tǒng)的 “心臟” 其性能的好壞對(duì)整 , 個(gè)液壓系統(tǒng)的節(jié)能效果有著重要的影響 。本文在對(duì)液 壓調(diào)速回路進(jìn)行能耗分析的基礎(chǔ)上 , 詳細(xì)介紹了在工 程機(jī)械上應(yīng)用較廣的負(fù)載敏感型變量泵節(jié)能原理及其 適用范圍 , 為進(jìn)一步改進(jìn)工程機(jī)械節(jié)能效果提供參考 。

式中 　QS —— — 溢流閥通過(guò)流量
QL —— — 負(fù)載流量 ( 節(jié)流閥通過(guò)流量)

油液通過(guò)溢流閥產(chǎn)生的功率損失為 ΔN s = pbQs 油液通過(guò)節(jié)流閥產(chǎn)生的壓力損失為 Δ Pc = (
QL ) K A
1
m

( 3)

( 4)

式中 　K —— — 節(jié)流閥流量系數(shù)
A —— — 節(jié)流閥開口面積 m —— — 與節(jié)流口形式有關(guān)的系數(shù)

節(jié)流閥處的功率損失為 ΔN c = ( pb - pL ) QL 負(fù)載消耗的功率為
NL = pL QL

( 5)

( 6)

此時(shí)定量泵的輸出功率 N b 分成 3 部分 :負(fù)載消耗 的功率 NL 、 節(jié)流損失功率 ΔN c 和溢流損失功率 ΔN s , 即
N b = NL +ΔN c +ΔN s ( 7)

1　 節(jié)流調(diào)速回路能耗分析[ 2 ]
節(jié)流調(diào)速的基本原理是調(diào)節(jié)液壓回路中節(jié)流元件 的液阻大小和配置分流支路 , 以控制進(jìn)入執(zhí)行元件的 流量和工作速度 。 圖 1 為由定量泵 、 節(jié)流 閥和溢流閥組成的液壓調(diào)速 回路簡(jiǎn)圖 , 節(jié)流閥和溢流閥 在調(diào)速過(guò)程中要產(chǎn)生能量損 失。 忽略定量泵吸油口負(fù)壓 力 ,有 ( 1) N b = pbQ b 式中 　N b —— — 泵輸出功率 pb —— — 泵出口壓力
Q b —— — 泵輸出流量
圖1　 節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

其中負(fù)載的輸入功率 NL 為系統(tǒng)輸出的有用功 ; 節(jié)流損失功率 ΔN c 為負(fù)載流量流過(guò)節(jié)流閥時(shí)因壓降 產(chǎn)生的功率損失 , 或者說(shuō)是定量泵的輸出壓力相對(duì)于 負(fù)載壓力過(guò)剩而造成的能量損失 ; 溢流損失功率ΔN s 是泵的輸出流量相對(duì)負(fù)載有流量過(guò)剩而造成的能量損 失 。液壓系統(tǒng)的效率為 η=
NL NL ( 8) = N b NL +ΔN c +ΔN s 由式 ( 8) 可知 , 要提高液壓回路的效率 , 應(yīng)從降低

節(jié)流能耗損失 ( 壓力過(guò)剩) 和溢流能耗損失 ( 流量過(guò)剩) 兩個(gè)主要因素著手 , 如果能夠使泵的輸出壓力和流量 都能隨負(fù)載壓力和速度的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)而不產(chǎn)生過(guò) 剩 , 就可以使泵發(fā)出的功率得到充分利用 , 達(dá)到節(jié)能的 目的 , 這就是負(fù)載敏感型變量泵節(jié)能的理論基礎(chǔ) 。


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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 機(jī)械傳動(dòng) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 2008 年 86

2　 負(fù)載敏感變量泵節(jié)能原理及應(yīng)用[ 3 - 4 ]
變量泵通過(guò)控制排量為液壓系統(tǒng)提供所需的流量 和壓力 , 以達(dá)到節(jié)能調(diào)速的目的 。變量泵種類很多 , 工 程機(jī)械上比較常用的是斜盤式軸向柱塞變量泵 , 它是 由多個(gè)關(guān)于傳動(dòng)軸對(duì)稱的等間距套裝在泵缸里的柱塞 組成 , 當(dāng)泵的缸體由傳動(dòng)軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí) , 每個(gè)柱塞周期 性地經(jīng)過(guò)配流盤的兩個(gè)腰形槽 ( 吸 、 排油口) , 當(dāng)柱塞沿 吸油槽通過(guò)時(shí) , 油液被吸入柱塞腔 ; 當(dāng)柱塞沿排油槽通 過(guò)時(shí) , 油液被排出柱塞腔 , 變?yōu)閴毫τ?。斜盤式變量泵 就是依靠這種缸體和柱塞的往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) , 實(shí)現(xiàn)向液 壓系統(tǒng)提供攜帶有壓力能的液體的基本功能[ 5 ] 。 變量泵的控制方式很多 , 負(fù)載敏感型變量泵就是 在工程機(jī)械上應(yīng)用較多的一種 。 2. 1 　 負(fù)載敏感變量泵節(jié)能原理 負(fù)載敏感變量泵能使泵的輸出壓力和流量自動(dòng)適 應(yīng)負(fù)載需求 , 大幅度提高液壓系統(tǒng)效率 。其工作原理 圖如圖 2 所示 。 閥 2 的流量方程 ( 9) Q = K ( pb - pL ) m A 式中 　Q —— — 負(fù)載流量 K —— — 流量系數(shù) A —— — 節(jié)流閥開口面積 m —— — 與節(jié)流口形式有關(guān)的指數(shù)

節(jié)流口面積 。例如 , 要提高負(fù)載速度 , 閥 2 開口面積 A 增加 , 由于此時(shí) Q 還未發(fā)生變化 ,Δp 將減小 , 則 ( 11) pbA F < pLA F + Fs 此時(shí)閥 5 的閥芯將左移 , B 、 口接通 , 壓力油進(jìn) O 入變量油缸 6 的右腔 , 推動(dòng)油缸活塞左移 , 使變量泵 1 的排量增加 , 流過(guò)閥 2 的負(fù)載流量 Q 增加 ,Δ p 增加 , 直至重新達(dá)到式 ( 10) 的平衡條件 , 負(fù)載速度得到提高 , 完成了一輪調(diào)速過(guò)程 , 實(shí)現(xiàn)了按需供油 ; ②當(dāng)負(fù)載壓力 pL 變化時(shí) , 例如 pL 減小 , 則Δ p 增 大 , 由于閥 2 開口面積不變 , 通過(guò)閥 2 的流量增加 。由 于 ( 12) pbA F > pLA F + Fs 此時(shí)閥 5 的閥芯將右移 , A 、 口接通 , 變量油缸 6 O 的右腔與油箱接通 , 油缸活塞在彈簧推動(dòng)下右移 , 使變 量泵 1 的排量減小 , 閥 2 流量減小 ,Δ p 減小 , pb 降低 , 直至重新達(dá)到式 ( 10) 的平衡條件 ,Δ p 恢復(fù)到平衡狀態(tài) 時(shí)的設(shè)定值 。這樣在節(jié)流閥開度即截流面積固定的情 況下 , 流過(guò)閥口的流量根據(jù)式 ( 9) 也保持恒定 , 從而使 得執(zhí)行元件的動(dòng)作速度保持恒定 , 同時(shí)實(shí)現(xiàn)了按需供 壓 。從而可以改善系統(tǒng)的調(diào)速特性并節(jié)約能源 。 負(fù)載敏感型變量泵不存在溢流損失 。雖然系統(tǒng)節(jié) 流損失依然存在 , 但由于節(jié)流閥兩端壓差恒定且較小 ( 由閥芯彈簧設(shè)定 , 約 1MPa ～ 2MPa ) , 因此系統(tǒng)的節(jié)流 損失很小 , 其功率損耗為 ΔN s =ΔpQ ( 13) 系統(tǒng)效率為 η=
pL Q pb - ( pb - pL ) Δp = =1 pbQ pb pb ( 14)

由于泵的出口壓力 pb 由負(fù)載決定 , 所以負(fù)載壓力 越高 , 泵的出口壓力越高 , 其回路的效率也就越高 , 液 壓回路的節(jié)能效果越好 。另外 , 負(fù)載敏感控制泵工作
1 變量泵 　 節(jié)流閥 　 轉(zhuǎn)向閥 　 液壓油缸 　 負(fù)載敏感控制閥 2 3 4 5 6 變量油缸

圖2　 變量泵負(fù)載敏感控制原理圖

負(fù)載敏感控制閥 5 的閥芯在調(diào)節(jié)過(guò)程中發(fā)生的位 移很小 , 彈簧的彈性系數(shù)也不大 , 因此可以認(rèn)為閥芯彈 簧的設(shè)定壓力 Fs 為定值 , 則閥芯在靜止時(shí)的受力平衡 方程為 　pbA F = pLA F + Fs , 即 Δp =
Fs AF ( 10)

時(shí)的壓力只需比負(fù)載壓力略高 , 而不必像恒壓泵那樣 必須工作在一個(gè)較高的設(shè)定壓力 , 這有利于延長(zhǎng)泵的 壽命 。 負(fù)載敏感變量泵與壓力補(bǔ)償閥配合使用 , 可以實(shí) 現(xiàn)單泵驅(qū)動(dòng)多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的獨(dú)立調(diào)速 , 各執(zhí)行元件不 受外部負(fù)載變動(dòng)和其他執(zhí)行元件的干擾 。由于負(fù)載敏 感調(diào)速系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)按需供油 , 同時(shí)也能按需供壓 , 是能量損失很小的調(diào)速方案 , 所以負(fù)載敏感型變量泵 系統(tǒng)非常適用于負(fù)載壓力較高 、 調(diào)速范圍較大的單泵 、 單負(fù)載系統(tǒng)或負(fù)載差異較大的單泵多負(fù)載系統(tǒng) 。
2. 2 　 負(fù)載敏感變量泵在工程機(jī)械上的應(yīng)用

式中 　Fs —— — 閥芯彈簧設(shè)定壓力 A F —— — 壓力油作用在閥芯上的有效面積 Δ 　 p = pb - pL 由式 ( 9) 、 ( 10) , 結(jié)合原理圖 2 可以看出 式 ①當(dāng)閥芯彈簧壓力設(shè)定后 , 閥芯在平衡位置時(shí)Δ 恒定 。當(dāng)需要改變負(fù)載速度時(shí) , 只需改變節(jié)流閥 2 的

由于負(fù)載敏感變量泵的流量能夠根據(jù)工況和負(fù)載 的變化自動(dòng)調(diào)節(jié) , 具有效率高 、 脈動(dòng)小 、 噪聲低等優(yōu)點(diǎn) , 非常適合工程機(jī)械負(fù)載變化劇烈 、 工況變換頻繁的特


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點(diǎn) , 所以在工程機(jī)械上應(yīng)用非常廣泛 , 圖 3 為采用負(fù)載 敏感變量泵的裝載機(jī)轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)原理圖。

于油缸 8 , 這時(shí)需要在油缸 8 的工作回路中增加壓力 補(bǔ)償閥 7 對(duì)兩油缸工作回路的壓差進(jìn)行補(bǔ)償 , 這樣兩 油缸就可以在各自的負(fù)載壓力下正常工作 , 避免了相 互干擾 。

3　 結(jié)論
負(fù)載敏感變量泵能將負(fù)載所需的壓力 、 流量與泵 輸出的壓力和流量匹配起來(lái) , 極大地提高系統(tǒng)效率 , 其 特點(diǎn)如下 : 1) 負(fù)載敏感變量泵可以消除系統(tǒng)溢流損失 , 但不 能完全消除系統(tǒng)節(jié)流損失 ; 2) 系統(tǒng)工作壓力一定時(shí) , 負(fù)載敏感控制閥的設(shè)定 壓力決定系統(tǒng)的效率 , 即設(shè)定壓力越高 , 系統(tǒng)供油能力 越高 , 但效率越低 ; 3) 負(fù)載敏感控制閥的設(shè)定壓力確定后 , 提高系統(tǒng) 工作壓力 , 會(huì)提高系統(tǒng)效率 ; 4) 負(fù)載敏感變量泵與壓力補(bǔ)償閥配合使用 , 可以 實(shí)現(xiàn)單泵驅(qū)動(dòng)多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的獨(dú)立調(diào)速 , 各執(zhí)行元件 不受外部負(fù)載變動(dòng)和其他執(zhí)行元件的干擾 , 非常適合 工程機(jī)械液壓執(zhí)行元件多 、 負(fù)載差異大的特點(diǎn) 。
參 考 文 獻(xiàn)

圖3　 裝載機(jī)負(fù)載敏感轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)原理圖

圖中轉(zhuǎn)向節(jié)流閥 6 , 負(fù)載敏感控制閥 3 、 , 變量機(jī) 4 構(gòu) 2 共同完成對(duì)泵的負(fù)載敏感控制 , 詳細(xì)轉(zhuǎn)向控制過(guò) 程見參考文獻(xiàn) [ 6 ] 。

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圖4　 負(fù)載敏感變量泵單泵多負(fù)載原理示意圖

當(dāng)一臺(tái)負(fù)載敏感變量泵同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 時(shí) , 泵的輸出壓力只能與最高的負(fù)載壓力相適應(yīng) , 即負(fù) 載敏感只能在壓力最高的負(fù)載回路上起作用 , 對(duì)其他 負(fù)載壓力較低的回路采用壓力補(bǔ)償 , 使閥口壓差繼續(xù) 保持恒定 , 實(shí)現(xiàn)多個(gè)執(zhí)行元件的獨(dú)立調(diào)整 , 圖 4 是單泵 驅(qū)動(dòng)兩個(gè)油缸的工作原理簡(jiǎn)圖 。油缸 4 的負(fù)載壓力大
( 上接第 68 頁(yè))

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綜合運(yùn)用了信號(hào)傳感技術(shù) 、 自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟 硬件技術(shù) ,將虛擬儀器技術(shù)運(yùn)用于傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng) 的測(cè)試試驗(yàn)中 ,不僅實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測(cè)試 ,而且提高了測(cè)試 精度 ,擴(kuò)展了測(cè)試功能 , 縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期 , 降低了 硬件費(fèi)用 。運(yùn)行試驗(yàn)表明 , 基于 LabVIEW 的帶傳動(dòng)測(cè) 試系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠 ,完全滿足帶傳動(dòng)試驗(yàn)的要求 。
參 考 文 獻(xiàn)
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