一种大型液压升降机构的节流调速及节能回路设计与研究

                   一种大型液压升降机构的节流调速及节能回路设计与研究
               A Throttle Speed Regulating and Energy Saving Circuit for Large Hydraulic Lifting Mechanism
                           邱腾雄,徐勇军,丘永亮
  摘要：在对传统大型升降机构的液压节流回路进行分析的基础上,研究开发出一种大型液压升降机构的节流调速及节能回路,分别对该回路中节流调速回路及节能回路的特性进行分析,最终确定复合液压缸及调速阀的作用,可实现在负载变化的条件下,升降机构匀速下降,且其下降速度取决于调速阀阀口的过流面积,从而降低了升降机构对机构整体框架的冲击;通过复合液压缸与蓄能器的综合作用,实现了液压系统的节能。对液压系统进行实验验证,证明该液压系统下降速度平稳,符合液压升降机构工况实际应用需要。
  关键词: 节流调速回路; 调速阀; 蓄能器; 复合液压缸

  Abstract：Based on the analysis of the hydraulic throttle circuit of the traditional large lifting mechanism, a throttle speed regulating and energy saving circuit for large hydraulic lifting mechanism are developed. Through the analysis of the characteristics about the throttle speed regulating circuit and energy saving circuit, the action of the compound hydraulic cylinder and the speed regulating valve is confirmed, and therefore the lifting mechanism uniform can decline at a constant rate under the condition of the changing load so as to reduce the impact of the lifting mechanism on the overall frame of the mechanism. Its descent speed depends on the valve orifice flow area of the throttle speed regulating valve. The energy saving of the hydraulic system could be realized by the combination of the compound hydraulic cylinder and the accumulator. Finally, through the experiment, the hydraulic system is proved to be stable, and can meet the requirements of the practical application of the hydraulic lifting mechanism.
  Key words: throttle speed regulating circuit; speed regulating valve; accumulator; compound hydraulic cylinder

  引言
    对于现代工程施工和工业生产所采用的大型升降机构来说, 其升降机构在下降到接近工进位置时, 为避免因升降机构超速下降导致对机构整体框架的冲击过大, 传统方法是采用一个在下降的回油路中设置节流油路, 以电液比例节流阀为核心元件。该油路节流效果比较好, 且可以实现对于升降机构速度的灵活控制[1, 2, 3]。但该节流油路存在着两大缺点: 一个是电液比例节流阀要实现正常工作还需要增加高精度过滤器, 且电液比例节流阀的价格也比较高, 从而导致其油路的成本较高; 另一个是在节流调速过程中能量的损失大, 且能量的损失随着升降机构的重量及升降高度的增加而增大。
    针对以上问题, 研究开发出一种大型液压升降机构的节流调速及节能回路, 以降低升降机构对液压机整体框架的冲击, 实现负载变化的条件下, 升降机构下降到一定位置后匀速下降, 同时在一定程度上实现该液压系统的节能。
  1、液压系统的组成及动作原理
  1.1 液压系统的组成
    节流调速及节能液压系统的工作原理如图1 所示, 该系统与传统液压系统在结构上主要有两个不同点:其一是以调速阀代替电液比例节流阀作为节流回路的核心元件; 其二是用2个工作腔的复合液压缸代替普通液压缸。
    液压系统采用调速阀3作为节流回路的核心元件, 以控制升降机构在行程后半部分的下降速度。当升降机构从最高位置下降时, 油腔A2的液压油不经过调速阀3, 而是经换向阀8直接回到油箱。当升降机构下降到设定的高度时, 触发位置传感器发出控制信号, 油腔A2的液压油全部经调速阀3流过。而由调速阀的特性可知, 就算在不同的压力作用下, 由此高度下降至工进位置所需的时间基本相同。同时, 在位置传感器发出控制信号使油路实现切换的过程中, 液压缸和管道存在产生瞬时高压的可能, 当该压力超过溢流阀4的安全压力时, 溢流阀4动作, 保证压力不至于过高, 避免液压缸或管道的破裂。

    由图1可见, 复合液压缸1由一大一小2个液压缸构成。大液压缸的活塞与升降机构相连, 其内部结构为空心, 同时作为小液压缸的缸筒, 而小液压缸的柱塞与大液压缸的活塞(小液压缸的缸筒)相连, 从而形成2个不同作用面积的油腔A1和A2, 对应的2个油口为J1和J2。复合液压缸1与蓄能器12的组合, 一方面能够实现支持升降机构的上升功能; 另一方面也能一定程度上控制升降机构的下降, 回收并利用升降机构上升时存储的位能, 从而实现液压系统的节能。当升降机构下降过快, 造成压力超过溢流阀11的安全压力时, 溢流阀11动作, 保证压力不至于过高, 避免蓄能器或管道的损坏。而对于因溢流阀11动作或节能系统其他情况造成的泄漏, 导致的在上升过程中可能会存在油液无法充满A1腔的现象, 系统将由液压泵9通过单向阀10向蓄能器12进行油液的补充来保证。
  1.2 液压系统的动作原理
    升降机构上升时, 换向阀8断电, 液控单向阀5断电不通入先导油。此时, 在液压泵7的作用下, 油箱的液压油输入到油腔A2, 大液压缸的活塞受其作用向上运动。同时, 蓄能器12向油腔A1释放升降机构下降时回收的能量, 由大液压缸的活塞向升降机构施加一个提升力。当升降机构上升到所要求的位置, 由于液压泵7断电, 油箱的液压油不再注入油腔A2, 而蓄能器12所释放的能量也不足以单独提升升降机构, 升降机构停止上升。
    升降机构下降时, 换向阀8通电, 提升油缸在重力作用下自动回程, 油腔A2液压油经过换向阀8的左位回到油箱; 油腔A1的液压油在重力作用下进入蓄能器12, 并产生一定的背压, 使蓄能器12中的油压不断升高, 从而将相应的位能转化成液压能储存于蓄能器12中, 同时给大液压缸的活塞一个下降的阻力。此时, 活塞以较快的速度下降, 其速度的大小决定于节能回路及升降机构负载的大小。当活塞下降到某一设定的位置, 触发位置传感器发出信号, 实现换向阀8关闭及液控单向阀5在小型液压缸6的作用下导通, 使得油腔A2的全部油液依次通过调速阀3和液控单向阀5流回油箱。油腔A1液压油继续进入蓄能器12, 不断提高蓄能器12中的液压能。这时, 升降机构在调速阀3的作用下实现匀速下降, 直至回到起始点位置, 液控单向阀5停止通入先导油。
   2、系统的特性分析
   2.1 节流调速回路特性分析
    液压系统的节流调速回路部分的核心元件为调速阀3(如图1所示), 它是实现升降机构匀速下降的关键, 由定差减压阀和节流阀串联而成。由图1可见, 在调速阀中, 调速阀进油口与出油口的压差(Δp=p3-p1), 因升降机构负载的不同会有所变化, 而在定差减压阀的作用下, 调速阀中的节流阀进油口与出油口的压差(

)会保持不变。
由调速阀的静态特性可得流过调速阀的流量Q为:

  式中, Aj--调速阀中的节流阀阀口过流面积, m2
        Cj--节流阀口流量系数
        K--定差减压阀的弹簧刚度, N/m
        x--定差减压阀阀口开度为0时, 弹簧的预压缩量, m
       ρ--液压油的密度, kg/m3
       Ad--定差减压阀阀芯的有效作用面积, m2
    由式(1)可知, 在某一液压系统中, 当调速阀确定后, 节流阀阀口过流面积Aj决定了流过调速阀的流量大小。如若节流阀阀口过流面积Aj一定, 则流过调速阀的流量基本不变, 该流量的大小与调速阀进油口与出油口的压差无关。
    当升降机构下降到设定的高度后, 油腔A2的液压油全部需经由调速阀回到油箱, 于是升降机构(大液压缸的活塞)的下降速度为:

  式中, v--升降机构的下降速度, m/s
       A--油腔A2横截面积, m2
    结合式(1)、式(2)可知, 在该液压系统回路中, 当升降机构下降到设定的高度后, 由于调速阀的作用, 油腔A2液压油的流量基本保持不变, 而油腔A2的横截面积A又为固定值, 因此在下降到设定的高度后, 升降机构能够不受外部负载变化的影响, 而保持匀速下降, 其下降速度取决于调速阀阀口(节流阀阀口)的过流面积。
  2.2 节能回路特性分析
    如图1所示, 在该液压系统的节能回路中, 蓄能器12为核心元件。为充分发挥蓄能器的作用, 蓄能器的排液量应当大于油腔A1的最大体积。
根据蓄能器的静态特性, 可得蓄能器的排液量Vw为

  式中, V1--蓄能器的容量, 也为蓄能器中气囊充满壳体时的充气体积
       pw1--气囊的充气压力, MPa
       m--指数, 其大小受排液速度快慢的影响
       pw2--蓄能器向液压系统供油的最高油压, MPa
       pw3--蓄能器向液压系统供油的最低油压, MPa
    蓄能器的最低供油油压, 出现于开始储油或供油结束时; 而蓄能器的最高供油油压, 出现于储油结束或刚开始供油时; 由式(3)可知, 蓄能器的排液量主要受蓄能器的性能(V1及pw1)和节能回路的影响, 而pw2则小于升降机构在起始点位置时对油腔A1产生的压力。
  3、系统实验验证
  3.1 实验概述
    系统的设计目的在于降低升降机构对液压机整体框架的冲击, 而冲击的大小关键的因素是液压系统由设定高度下降到工进位置的速度, 因此实验以不同负载情况下, 升降机构下降到传感器设定的高度后, 由设定高度下降到工进位置所用的时间来对该调速节能回路进行验证评价。
系统实验包括三种负载情况:空载实验、轻载实验和重载实验。空载实验是在升降机构无外部负载的情况下进行的, 它表明了系统在无负载干扰的情况下系统自身的性能。轻载实验是在升降机构在较轻外部负载(负载重量为1t)的情况下进行的, 主要目的是表明在轻负载情况下系统的性能变化; 满(重)载实验是在升降机构在重负载(负载重量为10t)的情况下进行的, 主要目的是监测液压系统在重载状态下的稳定性。
  3.2 实验结果及分析
    对三种负载情况各进行6次重复实验, 实验结果绘制成曲线如图2所示。

    由图2可得出, 系统分别在空载、轻载和重载的情况下, 升降机构由设定高度下降到工进位置所用的时间虽有一定变化, 但变化多在1.5 s的时间范围内, 因此可判定系统在同一种负载情况下, 具有相当的系统稳定性。
    将三种不同负载情况的实验结果分别算平均值为:55.72 s(空载)、54.33 s(轻载)、52.86 s(重载)。
    对三种不同负载情况下所用的平均时间求平均值为:

算术平均偏差为:

相对平均偏差为:

    由于系统应用于大型升降机构, 用以降低升降机构下降到工进位置时对液压机整体框架的冲击。从实验分析结果来看, 在不同负载情况下, 其相对平均偏差为1.772%, 但这对于旨在减小大型升降机构对于液压机整体框架的冲击来说, 系统下降速度平稳, 基本符合液压升降机构工况实际应用需要。
  4、结论
    该液压系统回路以调速阀和复合液压缸分别替代电液比例节流阀和普通液压缸, 并在节流调速回路和节能回路中使调速阀、蓄能器与复合液压缸巧妙结合, 不仅实现了升降机构的匀速下降, 降低了油路的成本, 同时还在一定程度上实现了液压系统的节能。
    系统的技术方案已经实验验证, 在实际应用中也取得了良好的效果, 并且已成功申请专利。

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