负载敏感的1-2-3-4

诞生于上个世纪的负载敏感控制已经被广泛应用于不同的领域中,也一遍又一遍的证明了它相比于定量节流调速控制系统的突出优势。负载敏感控制泵的突出特点是可以根据负载的需求来调整供给,实现了不多也不少的精准输出控制目标

1-2-3-4,1-2-3-4,像首歌。在我们的负载敏感控制泵中,这段有节奏的旋律也在不断回荡。诞生于上个世纪的负载敏感控制已经被广泛应用于不同的领域中,也一遍又一遍的证明了它相比于定量节流调速控制系统的突出优势。负载敏感控制泵的突出特点是可以根据负载的需求来调整供给,实现了不多也不少的精准输出控制目标,而这一切仅仅需要和着1-2-3-4节拍的负载敏感控制阀来自动实现。本期i小编就来勾勒这1-2-3-4旋律音符。
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典型负载敏感控制泵 [1]

 

1-2-3-4

负载敏感,即LS(Load Sensing),这个概念想必没有哪一个液压人没接触过了,但凡液压教材中对这一概念都有或多或少的介绍。不过在i讨论圈的#每日一问#话题讨论中,有童鞋提出了更为深入的问题,即:负载敏感阀在实际工作的时候,为达到按需求输出的控制目标,控制阀芯是如何动作的。这个问题也是i小编非常感兴趣的话题,如何来理解呢?

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泵上负载敏感阀结构 [1]

在理解这个问题之前,我们首先需要明确如下两个方面:

1 按“需求输出”是什么意思

所谓按需求输出,即系统需要多大流量,泵就输出多大的流量,不多也不少;同时泵出口的压力会跟随负载的变化而变化,并且只比负载高出负载敏感阀设定的压力(一般约20bar左右,根据不同应用会有不同设置)。

这两个优势都是对比定量节流调速系统而来。因为对于定量节流调速系统,泵出口压力由溢流阀调定,一直处于高压;同时泵的输出都是全排量,多余的油液全部溢流走,造成很大浪费。

2 两个基本概念

理解负载敏感控制前,首先需要理解两个概念:一个是薄壁小孔的流量-压差定量关系式;另外一个是“压力可以瞬时变化,而流量不能”,也就是说压力的变化要先于流量的变化。其实负载敏感就是采用压力的变化,然后再去控制斜盘摆角,从而带来流量的变化。

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薄壁小孔压差-流量关系式

理解了上述的基本概念后,i小编就结合下面的图来分析这里面的1-2-3-4。分析的初始状态是,泵此时处于负载敏感控制下,主回路节流阀开度A0,泵输出流量Q0,节流阀两端压差△P。那么我们就来看看:

当保持负载压力不变的情况下,节流阀开度增大到A1时,泵如何来输出和A1对应的流量Q1的?

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负载敏感泵液压回路原理图 [1]

1

当开度增大到A1的瞬间,根据上述” 压力可以瞬时变化,而流量不能”的原则可知,此时泵还是输出Q0的流量。再根据压差-流量公式可以,此时△P将减小(因为Q不变,而A增大,所以为了保持等式成立,那么△P=P1-P2必定减小)。

2

由于初始状态时,负载敏感阀芯在弹簧力及△P的作用下保持平衡。而此时由于△P的减小,阀芯的平衡遭到破坏,弹簧力大于两端的压差△P,阀芯将朝左移动,负载敏感阀阀芯阀口开度减小甚至关闭。

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阀口开度及伺服腔压力的变化 [1]

3

当阀口开度变小后,伺服腔压力也随之减小,那么此时泵斜盘在回复弹簧及回复活塞的作用下,朝大摆角方向摆动,即斜盘的排量增大,泵开始输出更大的流量。

4

这一步中,我们要看看泵的排量如何就正好增大到主回路控制阀在开度A1时对应的流量Q1 的。在泵排量逐渐增大的同时,主回路节流阀两端的压差△P也在逐渐增大,那么在第2步中被关小甚至关闭的负载敏感阀芯阀口又会朝着开度增大的方向运动,从而使得伺服活塞腔的控制压力逐渐回升。当泵的排量增大到可以使△P重新和负载敏感阀弹簧重新平衡的时候时,排量将稳定下来。达到A1开度对应的Q1 流量,且二者满足流量-压差公式。
在这里,读者可能会有一个疑问:为什么泵输出流量就是刚好对应的理论流量Q1呢?i小编用反证法来分析这个问题。假设泵的流量继续上升,超过Q1后,那么△P势必增大,从而负载敏感阀阀芯开度也势必增大,那么伺服活塞腔的压力将升高,泵的排量又会下降。

 

从上面的分析也可以看出,泵出口压力始终比负载压力高出△P,当负载压力低时,泵出口压力相应下降;同理负载压力高的情况。可见泵始终在适应负载压力的变化而变化。

负载敏感控制正是通过这1-2-3-4的节拍来实时适应负载的变化,根据负载的需求精确调节自身。

最后,给读者留个问题思考:根据上述分析的过程,那么在A1下的负载敏感阀阀口开度和在A0下会有什么不同呢?
参考文献
[1] Rexroth. 液压泵的变量控制.2002.10.

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  • 中国矿业大学丁海港
    中国矿业大学丁海港 2019年6月16日 21:50

    A1>A0,在A1下的负载敏感阀阀口开度小于在A0下的。当A1足够大时,负载敏感阀阀口完全关闭,伺服腔的油液回到油箱,泵的排量达到最大,有可能出现流量饱和。

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