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                   一種大型液壓升降機(jī)構(gòu)的節(jié)流調(diào)速及節(jié)能回路設(shè)計(jì)與研究
               A Throttle Speed Regulating and Energy Saving Circuit for Large Hydraulic Lifting Mechanism
                           邱騰雄,徐勇軍,丘永亮
  摘 要：在對(duì)傳統(tǒng)大型升降機(jī)構(gòu)的液壓節(jié)流回路進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,研究開發(fā)出一種大型液壓升降機(jī)構(gòu)的節(jié)流調(diào)速及節(jié)能回路,分別對(duì)該回路中節(jié)流調(diào)速回路及節(jié)能回路的特性進(jìn)行分析,最終確定復(fù)合液壓缸及調(diào)速閥的作用,可實(shí)現(xiàn)在負(fù)載變化的條件下,升降機(jī)構(gòu)勻速下降,且其下降速度取決于調(diào)速閥閥口的過流面積,從而降低了升降機(jī)構(gòu)對(duì)機(jī)構(gòu)整體框架的沖擊;通過復(fù)合液壓缸與蓄能器的綜合作用,實(shí)現(xiàn)了液壓系統(tǒng)的節(jié)能。對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,證明該液壓系統(tǒng)下降速度平穩(wěn),符合液壓升降機(jī)構(gòu)工況實(shí)際應(yīng)用需要。
  關(guān)鍵詞: 節(jié)流調(diào)速回路; 調(diào)速閥; 蓄能器; 復(fù)合液壓缸
              
  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
    對(duì)于現(xiàn)代工程施工和工業(yè)生產(chǎn)所采用的大型升降機(jī)構(gòu)來說, 其升降機(jī)構(gòu)在下降到接近工進(jìn)位置時(shí), 為避免因升降機(jī)構(gòu)超速下降導(dǎo)致對(duì)機(jī)構(gòu)整體框架的沖擊過大, 傳統(tǒng)方法是采用一個(gè)在下降的回油路中設(shè)置節(jié)流油路, 以電液比例節(jié)流閥為核心元件。該油路節(jié)流效果比較好, 且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于升降機(jī)構(gòu)速度的靈活控制[1, 2, 3]。但該節(jié)流油路存在著兩大缺點(diǎn): 一個(gè)是電液比例節(jié)流閥要實(shí)現(xiàn)正常工作還需要增加高精度過濾器, 且電液比例節(jié)流閥的價(jià)格也比較高, 從而導(dǎo)致其油路的成本較高; 另一個(gè)是在節(jié)流調(diào)速過程中能量的損失大, 且能量的損失隨著升降機(jī)構(gòu)的重量及升降高度的增加而增大。
    針對(duì)以上問題, 研究開發(fā)出一種大型液壓升降機(jī)構(gòu)的節(jié)流調(diào)速及節(jié)能回路, 以降低升降機(jī)構(gòu)對(duì)液壓機(jī)整體框架的沖擊, 實(shí)現(xiàn)負(fù)載變化的條件下, 升降機(jī)構(gòu)下降到一定位置后勻速下降, 同時(shí)在一定程度上實(shí)現(xiàn)該液壓系統(tǒng)的節(jié)能。
  1、液壓系統(tǒng)的組成及動(dòng)作原理
  1.1 液壓系統(tǒng)的組成
    節(jié)流調(diào)速及節(jié)能液壓系統(tǒng)的工作原理如圖1 所示, 該系統(tǒng)與傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上主要有兩個(gè)不同點(diǎn):其一是以調(diào)速閥代替電液比例節(jié)流閥作為節(jié)流回路的核心元件; 其二是用2個(gè)工作腔的復(fù)合液壓缸代替普通液壓缸。
    液壓系統(tǒng)采用調(diào)速閥3作為節(jié)流回路的核心元件, 以控制升降機(jī)構(gòu)在行程后半部分的下降速度。當(dāng)升降機(jī)構(gòu)從最高位置下降時(shí), 油腔A2的液壓油不經(jīng)過調(diào)速閥3, 而是經(jīng)換向閥8直接回到油箱。當(dāng)升降機(jī)構(gòu)下降到設(shè)定的高度時(shí), 觸發(fā)位置傳感器發(fā)出控制信號(hào), 油腔A2的液壓油全部經(jīng)調(diào)速閥3流過。而由調(diào)速閥的特性可知, 就算在不同的壓力作用下, 由此高度下降至工進(jìn)位置所需的時(shí)間基本相同。同時(shí), 在位置傳感器發(fā)出控制信號(hào)使油路實(shí)現(xiàn)切換的過程中, 液壓缸和管道存在產(chǎn)生瞬時(shí)高壓的可能, 當(dāng)該壓力超過溢流閥4的安全壓力時(shí), 溢流閥4動(dòng)作, 保證壓力不至于過高, 避免液壓缸或管道的破裂。  
    由圖1可見, 復(fù)合液壓缸1由一大一小2個(gè)液壓缸構(gòu)成。大液壓缸的活塞與升降機(jī)構(gòu)相連, 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為空心, 同時(shí)作為小液壓缸的缸筒, 而小液壓缸的柱塞與大液壓缸的活塞(小液壓缸的缸筒)相連, 從而形成2個(gè)不同作用面積的油腔A1和A2, 對(duì)應(yīng)的2個(gè)油口為J1和J2。 復(fù)合液壓缸1與蓄能器12的組合, 一方面能夠?qū)崿F(xiàn)支持升降機(jī)構(gòu)的上升功能; 另一方面也能一定程度上控制升降機(jī)構(gòu)的下降, 回收并利用升降機(jī)構(gòu)上升時(shí)存儲(chǔ)的位能, 從而實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的節(jié)能。 當(dāng)升降機(jī)構(gòu)下降過快, 造成壓力超過溢流閥11的安全壓力時(shí), 溢流閥11動(dòng)作, 保證壓力不至于過高, 避免蓄能器或管道的損壞。而對(duì)于因溢流閥11動(dòng)作或節(jié)能系統(tǒng)其他情況造成的泄漏, 導(dǎo)致的在上升過程中可能會(huì)存在油液無法充滿A1腔的現(xiàn)象, 系統(tǒng)將由液壓泵9通過單向閥10向蓄能器12進(jìn)行油液的補(bǔ)充來保證。
  1.2 液壓系統(tǒng)的動(dòng)作原理
    升降機(jī)構(gòu)上升時(shí), 換向閥8斷電, 液控單向閥5斷電不通入先導(dǎo)油。此時(shí), 在液壓泵7的作用下, 油箱的液壓油輸入到油腔A2, 大液壓缸的活塞受其作用向上運(yùn)動(dòng)。同時(shí), 蓄能器12向油腔A1釋放升降機(jī)構(gòu)下降時(shí)回收的能量, 由大液壓缸的活塞向升降機(jī)構(gòu)施加一個(gè)提升力。當(dāng)升降機(jī)構(gòu)上升到所要求的位置, 由于液壓泵7斷電, 油箱的液壓油不再注入油腔A2, 而蓄能器12所釋放的能量也不足以單獨(dú)提升升降機(jī)構(gòu), 升降機(jī)構(gòu)停止上升。
    升降機(jī)構(gòu)下降時(shí), 換向閥8通電, 提升油缸在重力作用下自動(dòng)回程, 油腔A2液壓油經(jīng)過換向閥8的左位回到油箱; 油腔A1的液壓油在重力作用下進(jìn)入蓄能器12, 并產(chǎn)生一定的背壓, 使蓄能器12中的油壓不斷升高, 從而將相應(yīng)的位能轉(zhuǎn)化成液壓能儲(chǔ)存于蓄能器12中, 同時(shí)給大液壓缸的活塞一個(gè)下降的阻力。此時(shí), 活塞以較快的速度下降, 其速度的大小決定于節(jié)能回路及升降機(jī)構(gòu)負(fù)載的大小。當(dāng)活塞下降到某一設(shè)定的位置, 觸發(fā)位置傳感器發(fā)出信號(hào), 實(shí)現(xiàn)換向閥8關(guān)閉及液控單向閥5在小型液壓缸6的作用下導(dǎo)通, 使得油腔A2的全部油液依次通過調(diào)速閥3和液控單向閥5流回油箱。油腔A1液壓油繼續(xù)進(jìn)入蓄能器12, 不斷提高蓄能器12中的液壓能。這時(shí), 升降機(jī)構(gòu)在調(diào)速閥3的作用下實(shí)現(xiàn)勻速下降, 直至回到起始點(diǎn)位置, 液控單向閥5停止通入先導(dǎo)油。
   2、 系統(tǒng)的特性分析
   2.1 節(jié)流調(diào)速回路特性分析
    液壓系統(tǒng)的節(jié)流調(diào)速回路部分的核心元件為調(diào)速閥3(如圖1所示), 它是實(shí)現(xiàn)升降機(jī)構(gòu)勻速下降的關(guān)鍵, 由定差減壓閥和節(jié)流閥串聯(lián)而成。由圖1可見, 在調(diào)速閥中, 調(diào)速閥進(jìn)油口與出油口的壓差(Δp=p3-p1), 因升降機(jī)構(gòu)負(fù)載的不同會(huì)有所變化, 而在定差減壓閥的作用下, 調(diào)速閥中的節(jié)流閥進(jìn)油口與出油口的壓差()會(huì)保持不變。
    由調(diào)速閥的靜態(tài)特性可得流過調(diào)速閥的流量Q為:
          
  式中, Aj--調(diào)速閥中的節(jié)流閥閥口過流面積, m2
        Cj--節(jié)流閥口流量系數(shù)
        K--定差減壓閥的彈簧剛度, N/m
        x--定差減壓閥閥口開度為0時(shí), 彈簧的預(yù)壓縮量, m
       ρ--液壓油的密度, kg/m3
       Ad--定差減壓閥閥芯的有效作用面積, m2
    由式(1)可知, 在某一液壓系統(tǒng)中, 當(dāng)調(diào)速閥確定后, 節(jié)流閥閥口過流面積Aj決定了流過調(diào)速閥的流量大小。如若節(jié)流閥閥口過流面積Aj一定, 則流過調(diào)速閥的流量基本不變, 該流量的大小與調(diào)速閥進(jìn)油口與出油口的壓差無關(guān)。
    當(dāng)升降機(jī)構(gòu)下降到設(shè)定的高度后, 油腔A2的液壓油全部需經(jīng)由調(diào)速閥回到油箱, 于是升降機(jī)構(gòu)(大液壓缸的活塞)的下降速度為:
            
  式中, v--升降機(jī)構(gòu)的下降速度, m/s
       A--油腔A2橫截面積, m2
    結(jié)合式(1)、式(2)可知, 在該液壓系統(tǒng)回路中, 當(dāng)升降機(jī)構(gòu)下降到設(shè)定的高度后, 由于調(diào)速閥的作用, 油腔A2液壓油的流量基本保持不變, 而油腔A2的橫截面積A又為固定值, 因此在下降到設(shè)定的高度后, 升降機(jī)構(gòu)能夠不受外部負(fù)載變化的影響, 而保持勻速下降, 其下降速度取決于調(diào)速閥閥口(節(jié)流閥閥口)的過流面積。
  2.2 節(jié)能回路特性分析
    如圖1所示, 在該液壓系統(tǒng)的節(jié)能回路中, 蓄能器12為核心元件。為充分發(fā)揮蓄能器的作用, 蓄能器的排液量應(yīng)當(dāng)大于油腔A1的最大體積。
根據(jù)蓄能器的靜態(tài)特性, 可得蓄能器的排液量Vw為
        
  式中, V1--蓄能器的容量, 也為蓄能器中氣囊充滿殼體時(shí)的充氣體積
       pw1--氣囊的充氣壓力, MPa
       m--指數(shù), 其大小受排液速度快慢的影響
       pw2--蓄能器向液壓系統(tǒng)供油的最高油壓, MPa
       pw3--蓄能器向液壓系統(tǒng)供油的最低油壓, MPa
    蓄能器的最低供油油壓, 出現(xiàn)于開始儲(chǔ)油或供油結(jié)束時(shí); 而蓄能器的最高供油油壓, 出現(xiàn)于儲(chǔ)油結(jié)束或剛開始供油時(shí); 由式(3)可知, 蓄能器的排液量主要受蓄能器的性能(V1及pw1)和節(jié)能回路的影響, 而pw2則小于升降機(jī)構(gòu)在起始點(diǎn)位置時(shí)對(duì)油腔A1產(chǎn)生的壓力。
  3、 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
  3.1 實(shí)驗(yàn)概述
    系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的在于降低升降機(jī)構(gòu)對(duì)液壓機(jī)整體框架的沖擊, 而沖擊的大小關(guān)鍵的因素是液壓系統(tǒng)由設(shè)定高度下降到工進(jìn)位置的速度, 因此實(shí)驗(yàn)以不同負(fù)載情況下, 升降機(jī)構(gòu)下降到傳感器設(shè)定的高度后, 由設(shè)定高度下降到工進(jìn)位置所用的時(shí)間來對(duì)該調(diào)速節(jié)能回路進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)價(jià)。
系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)包括三種負(fù)載情況:空載實(shí)驗(yàn)、輕載實(shí)驗(yàn)和重載實(shí)驗(yàn)。空載實(shí)驗(yàn)是在升降機(jī)構(gòu)無外部負(fù)載的情況下進(jìn)行的, 它表明了系統(tǒng)在無負(fù)載干擾的情況下系統(tǒng)自身的性能。輕載實(shí)驗(yàn)是在升降機(jī)構(gòu)在較輕外部負(fù)載(負(fù)載重量為1t)的情況下進(jìn)行的, 主要目的是表明在輕負(fù)載情況下系統(tǒng)的性能變化; 滿(重)載實(shí)驗(yàn)是在升降機(jī)構(gòu)在重負(fù)載(負(fù)載重量為10t)的情況下進(jìn)行的, 主要目的是監(jiān)測(cè)液壓系統(tǒng)在重載狀態(tài)下的穩(wěn)定性。
  3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
    對(duì)三種負(fù)載情況各進(jìn)行6次重復(fù)實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成曲線如圖2所示。
            
    由圖2可得出, 系統(tǒng)分別在空載、輕載和重載的情況下, 升降機(jī)構(gòu)由設(shè)定高度下降到工進(jìn)位置所用的時(shí)間雖有一定變化, 但變化多在1.5 s的時(shí)間范圍內(nèi), 因此可判定系統(tǒng)在同一種負(fù)載情況下, 具有相當(dāng)?shù)南到y(tǒng)穩(wěn)定性。
    將三種不同負(fù)載情況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別算平均值為:55.72 s(空載)、54.33 s(輕載)、52.86 s(重載)。
    對(duì)三種不同負(fù)載情況下所用的平均時(shí)間求平均值為:
            
    算術(shù)平均偏差為:
            
    相對(duì)平均偏差為:
             
    由于系統(tǒng)應(yīng)用于大型升降機(jī)構(gòu), 用以降低升降機(jī)構(gòu)下降到工進(jìn)位置時(shí)對(duì)液壓機(jī)整體框架的沖擊。從實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果來看, 在不同負(fù)載情況下, 其相對(duì)平均偏差為1.772%, 但這對(duì)于旨在減小大型升降機(jī)構(gòu)對(duì)于液壓機(jī)整體框架的沖擊來說, 系統(tǒng)下降速度平穩(wěn), 基本符合液壓升降機(jī)構(gòu)工況實(shí)際應(yīng)用需要。
  4、 結(jié)論
    該液壓系統(tǒng)回路以調(diào)速閥和復(fù)合液壓缸分別替代電液比例節(jié)流閥和普通液壓缸, 并在節(jié)流調(diào)速回路和節(jié)能回路中使調(diào)速閥、蓄能器與復(fù)合液壓缸巧妙結(jié)合, 不僅實(shí)現(xiàn)了升降機(jī)構(gòu)的勻速下降, 降低了油路的成本, 同時(shí)還在一定程度上實(shí)現(xiàn)了液壓系統(tǒng)的節(jié)能。
    系統(tǒng)的技術(shù)方案已經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 在實(shí)際應(yīng)用中也取得了良好的效果, 并且已成功申請(qǐng)專利。

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