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[分享] 負載敏感泵的工作原理

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  • TA的每日心情
    開心
    2018-12-16 09:45
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    [LV.5]常住居民I

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    1#
    發表于 2018-12-8 22:52:15 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
    本帖最后由 東風灬 于 2018-12-8 23:44 編輯

           本人液壓小白,剛畢業參加工作,發現工程機械中負載敏感系統應用較廣泛,自學了負載敏感的控制方式,有些許感悟,特來和大家分享一下。本文主要介紹應用負載敏感泵的單執行機構的負載敏感系統在工作過程中泵的變量情況及泵的工況,本人液壓基礎不高,以液壓初學者的身份和水平,結合自己學習過程中的疑惑點,盡量詳細的介紹負載敏感泵的工作原理,其中錯誤之處,還望大家批評指正。
            首先介紹一下負載敏感泵的職能原理圖(此圖為力士樂A10VO原理圖),該泵的組成如圖1所示(點畫線框中),最上面的二位三通閥(實際為O型中位機能的三位三通閥,為表示方便,以二位閥表示)為負載敏感閥,也稱為壓力-流量控制閥,該改閥的左側彈簧為軟彈簧,一般設置壓力為200PSI,即1.4MPa;下面的閥為壓力補償閥,左邊彈簧為硬彈簧,設置壓力較高,該閥的功能相當于溢流閥,通常情況下不會開啟,控制系統的最大工作壓力;負載敏感閥的右側有一個阻尼1,使負載的一部分油回到油箱,這樣將會損失部分效率,而使負載敏感閥閥芯在運動過程中減小壓力沖擊,提高穩定性,另外還可以防止多路閥系統閉中心時的壓力阻塞;壓力補償閥右邊的阻尼3作用和阻尼1類似,可提高壓力補償閥閥芯位移穩定性;從泵中引出的控制油經過負載敏感閥的閥口(可視為可變液阻)與阻尼3可組成C型液壓半橋,當壓力補償閥的左位工作時,壓力補償閥閥口與阻尼2、3(阻尼2、3串聯為固定液阻)組成C型液壓半橋,這兩個C型液壓半橋控制進入變量活塞缸的油液壓力,根據C型半橋的特性(降低壓力和流量增益),閥口的變化不會引起變量活塞缸內油液壓力的劇烈變化,可以提高控制穩定性,泵的排量控制穩定,也有利于減少對執行機構的壓力沖擊;泵的變量通過變量活塞缸控制(怎么判斷原理圖中泵的排量是變大還是變小呢?看圖中斜盤的傾角,當變量缸向左移時,斜盤傾角減小,排量減。。該泵出油口串聯一個節流閥(該節流閥具有節流調速功能,可以是換向節流閥,多路閥,電液比例節流閥),然后與負載(系統)相連接,在負載引出控制壓力(圖中是PLS,即Load Sensing)至變量泵的X口,進入負載敏感閥的左側,而閥右側引入的控制壓力為泵的出油口壓力P。





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  • TA的每日心情
    開心
    2018-12-16 09:45
  • 簽到天數: 32 天

    [LV.5]常住居民I

    2#
     樓主| 發表于 2018-12-8 23:00:46 | 只看該作者

    RE: 負載敏感泵的工作原理


    圖1 負載敏感泵原理圖


  • TA的每日心情
    開心
    2018-12-16 09:45
  • 簽到天數: 32 天

    [LV.5]常住居民I

    3#
     樓主| 發表于 2018-12-8 23:10:07 | 只看該作者
    本帖最后由 東風灬 于 2018-12-8 23:29 編輯

            下面敘述負載敏感系統的具體工作過程,為更加直觀,將原理圖中的節流閥換成了換向節流閥(閥口具有節流減壓的功能),此處簡稱換節閥:
    1、尚未啟動狀態
            當泵尚未啟動時,處于原始狀態,參照圖1,系統中的油液壓力為0,負載敏感閥受預設定的彈簧力作用(1.4MPa),右位工作。變量活塞缸(以下簡稱變量缸)中的油液壓力為0,斜盤在彈簧力的作用下傾角最大,即泵將在最大排量狀態下啟動。
    2、剛開始啟動狀態
            如圖2所示,泵剛開始啟動時,系統內的壓力很小,尚未建立起足夠的壓力,泵的壓力油作用在負載敏感閥右端,但泵的輸出壓力不足以克服負載敏感閥左端的彈簧力,閥右位工作,泵處于排量最大的工作狀態。
          
    圖2 泵剛開始啟動,壓力尚未升高時
    3、泵啟動,換節閥處于中位時
            如圖3所示,當泵啟動,而換節閥處于中位時,泵輸出的壓力油不能輸送至系統,相當于在密閉容腔內,由于油液本身的彈性模量及泵持續工作并輸出流量,油液的壓力將會升高,負載敏感閥將受到高壓油的作用,克服預先設定的彈簧力,閥芯右移,左位工作,高壓油被引入至變量活塞缸(以下簡稱變量缸),由于上下兩個變量缸的作用面積不同,在油液壓力下,斜盤傾角將會減小,因為換節閥處于中位,泵輸出的壓力油將會一直作用至變量缸,泵的排量將會達到最小,此時泵輸出壓力油的流量最小,僅能滿足泵的內泄漏,壓力為1.4MPa(負載敏感閥設定的彈簧力),泵處于低壓待機工況。此時有人可能會有疑問,你怎么就能確定泵的最小流量剛好滿足內泄漏呢,實際工況下怎么可能剛好滿足內泄漏?(1)我們先來分析最小流量比內泄漏小的情況,當最小流量不能滿足內泄漏時,泵輸出的流量全部用于內泄漏,沒有多余的流量建立壓力,油液的壓力將降至0,負載敏感閥只受彈簧力的作用,閥芯左移,右位工作,變量缸與油箱接通,斜盤只受彈簧力的作用,傾角增大,排量增大,泵輸出的流量增大,除滿足內泄漏之外將會產生多余的流量,此部分流量將會使壓力升高,克服負載敏感閥的彈簧力,閥左位工作,從而使泵的排量再次減至最小。此情形下,負載敏感閥的閥芯將左右移動,維持作用在變量缸的油液壓力;(2)當最小流量比內泄漏所需流量高時,多余流量將會使泵的壓力持續增大,只能通過外接溢流閥控制其最大壓力。因此,此種情況應該不會出現,在泵的設計之初就將此種情形避免。

    圖3 泵啟動,換節閥處于中位,泵處于低壓待機工況

  • TA的每日心情
    開心
    2018-12-16 09:45
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    [LV.5]常住居民I

    4#
     樓主| 發表于 2018-12-8 23:25:14 | 只看該作者
    本帖最后由 東風灬 于 2018-12-8 23:40 編輯

    4、換節閥處于工作位時
            當換節閥剛切換至工作位時,如圖4所示,泵輸出的壓力尚不能推動負載,通過換節閥的流量為0,負載敏感閥兩端壓力相同,在彈簧力的作用下右位工作,泵處于最大排量的工況。
            當換節閥切換至工作位,泵輸出油液的壓力推動負載時,如圖5所示,圖中換節閥右位工作,泵輸出的高壓油經過換節閥口,進入液壓缸,推動負載工作,另外引出PLS控制油路作用在負載敏感閥的右側,此時閥芯左側受到泵輸出的的控制壓力油FP,右側受到換節閥中引出的控制油FPLS和彈簧力F彈的作用,由于負載運動,流量持續進入液壓缸,通過換節閥的流量不為零,油液在通過換節閥口(換節閥口相當于可變液阻)后會產生壓降△P,故PLS<P,因此作用在負載敏感閥閥芯三個力的平衡關系與△P有關。要分析泵的變量方式,需要分析負載敏感閥的工作狀態,而其工作狀態又與換節閥有關,下面分析換節閥開啟后泵輸出的流量變化情況。
            現在分析閥口開度與閥芯所受三個力的平衡關系,首先需要說明一點,換節閥的閥口開度是由操縱者控制的,且由于并沒有其他油路(此系統為單執行機構),泵輸出的流量除泄漏外將全部經過換節閥口,當開啟換節閥,閥口具有一定開度時,負載敏感閥的閥芯受力有三種情況:1)當FP=FPLS+F彈時,負載敏感閥O型中位機能工作,變量缸的油口關閉,泵的排量處于恒定值,液壓缸勻速運動;2)當FP<FPLS+F彈時,閥芯左移(彈簧剛度及閥芯位移較小,不考慮閥芯移動時彈簧力的變化),右位工作,變量缸與油箱連接,在彈簧力的作用下泵的排量增大,導致泵的輸出流量增大,而換節閥的閥口開度不變,導致閥口的壓降增大,PLS由負載決定,△P增大導致泵的輸出壓力P增大,直至FP=FPLS+F彈;3)當FP>FPLS+F彈時,閥芯右移,左位工作,壓力油進入變量缸,導致泵的排量減小,即通過換節閥的流量降低,壓降△P降低,導致P減小,直至FP=FPLS+F彈。因此,無論閥口開度如何變化,負載敏感閥均會通過自身的調節功能,維持1.4MPa的恒定壓差,壓力表1和2的壓力差將穩定在1.4MPa。
            而操縱者想要控制負載(即液壓缸)的運動速度時,通過控制換節閥比例電磁鐵的電流控制閥口開度,當控制換節閥的閥口開度減小時,換節閥口處的液阻增大,壓降增大,導致P增大,從而導致FP>FPLS+F彈,即與3)的情況相同,使負載速度降低;當控制換節閥的閥口開度增大時,換節閥口處的液阻減小,壓降減小,導致P減小,從而導致FP<FPLS+F彈,即與2)的情況相同,使負載速度增大。因此,通過控制換節閥,簡接控制泵的排量大小,進而控制負載的速度。即感應系統的壓力和流量需求,提供所需的壓力和流量,此即負載敏感系統的含義。
       
    圖4 換向閥處于工作位,壓力尚不能推動負載
       
               圖5 換向閥處于工作位,負載運動時

  • TA的每日心情
    開心
    2018-12-16 09:45
  • 簽到天數: 32 天

    [LV.5]常住居民I

    5#
     樓主| 發表于 2018-12-8 23:37:23 | 只看該作者
    本帖最后由 東風灬 于 2018-12-8 23:39 編輯

    5、液壓缸活塞運動至行程終點,換節閥不動時
            如圖6所示,換節閥仍處于右位工作,但液壓缸運動至形成終點時,負載敏感閥的左右兩側的壓力相同(液壓缸不再移動,換節閥處的流量為0,P和PLS之間的壓降為0,雖然阻尼1處有一部分油液泄漏,但對壓降影響不大),在彈簧力的作用下右位工作,泵的排量增大,液壓泵的輸出流量無處釋放,壓力將被憋高,當壓力高至壓力補償閥的設定壓力時,閥左位工作,負載敏感閥失去作用,壓力油通過壓力補償閥被引至變量缸,使泵的排量降至最低,此時泵的輸出流量僅能滿足內泄漏,此種工況下泵的輸出壓力為壓力補償閥的設定壓力,流量為0,稱為泵的高壓待機工況。此時也許又會產生疑問,泵的輸出最小流量如果比內泄漏低或高呢?若最小流量比內泄漏低,則壓力降低,導致壓力補償閥右位工作,泵的排量增大,除內泄漏的多余流量再次使泵的輸出壓力憋高,使壓力補償閥開啟,泵的排量降低;若最小流量比內泄漏高,則應外接溢流閥,限制泵的最大工作壓力。另外,溢流閥的設定壓力應比壓力補償閥的設定壓力高,否則,泵在最大排量下溢流,造成較大的功率損失。

    圖6 換節閥不動,但液壓缸運動至終點時,泵處于高壓待機工況
    6、液壓缸運動至行程終點,換節閥中位時
            如圖7所示,當換節閥切換至中位時(注意:此圖中的換節閥與前面的換節閥略有不同,由于前圖中的換節閥職能符號并不影響分析,故采用了簡便畫法),液壓缸不會再有流量輸入,作用在負載敏感閥彈簧腔處的壓力油將通過阻尼1卸荷(此處阻尼1的功能即防止換節閥閉中心時的壓力阻塞),閥左位工作,壓力油進入變量缸,使泵處于最小排量狀態。此時,泵的輸出壓力和負載敏感閥的設定壓力相同,即1.4MPa,泵再次處于低壓待機工況。

    圖7 換節閥切換至中位,泵再次處于低壓待機工況
            此次分析的是單執行機構的負載敏感系統,而工程機械中一般會要求多個液壓缸的復合動作,即多執行機構的負載敏感系統,其基本原理與此相似。由于本人水平有限,錯誤和不足之處請大家多批評指正。
    參考文獻
    吳曉明. 《液壓變量泵(馬達)變量調節原理與應用》
    吳根茂. 《新編實用電液比例技術》
    液壓賊船. 負載敏感泵的基礎知識
    林清安(譯). 負載敏感(LS)控制系統工作原理與操作(伊頓)
    力士樂樣本. 行走機械液壓產品樣本 第一部分 液壓泵

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  • TA的每日心情
    開心
    2020-1-14 21:27
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    [LV.7]常住居民III

    6#
    發表于 2018-12-9 07:42:29 | 只看該作者
    必須關注一波,謝謝分享
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  • TA的每日心情
    開心
    昨天 17:27
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    [LV.10]以壇為家III

    7#
    發表于 2018-12-9 14:25:46 | 只看該作者
    講的很詳細,學習了

    該用戶從未簽到

    8#
    發表于 2018-12-9 21:14:33 | 只看該作者
    本帖最后由 Use 于 2018-12-9 21:16 編輯

    講的很好,辛苦作者了。當多負載時只需將所有AB口的輸出用單向閥隔離即可。最高壓力送到負載敏感閥即可。而其它較小的負載就用壓力補償閥進行壓力補償,保持流量不變,實現流量協調,當流量飽和時,閥后補償的系統所有壓降減少,仍然保持速度協調降低,這就是LUDV系統。以上是開環控制系統的工作原理。
    如果是閉環控制系統,則每個較小的負載用閥口開度變化來調節,如果也出現了流量飽和,則系統的所有輸出同比降低,也可以實現速度協調控制。
    這就 實現了油泵對負載的流量跟蹤和壓力跟蹤。
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  • TA的每日心情
    開心
    2018-12-16 09:45
  • 簽到天數: 32 天

    [LV.5]常住居民I

    9#
     樓主| 發表于 2018-12-10 08:19:34 | 只看該作者
    本帖最后由 東風灬 于 2018-12-10 08:34 編輯
    Use 發表于 2018-12-9 21:14
    講的很好,辛苦作者了。當多負載時只需將所有AB口的輸出用單向閥隔離即可。最高壓力送到負載敏感閥即可。而 ...

    謝謝您的評論!說實話,單泵對多執行機構的負載敏感系統我還沒有完全搞懂。此處我想請教一下,壓力補償器的作用,除了排除負載變化對控制流量的影響之外,是否還有使多個負載不同的油缸做復合動作時同時運動的作用?
  • TA的每日心情
    慵懶
    2019-12-17 15:12
  • 簽到天數: 13 天

    [LV.3]偶爾看看II

    10#
    發表于 2018-12-11 11:41:34 | 只看該作者
    講的很詳細,受益了!
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