挖掘机工作装置中多路阀的研究

郜立焕，刘锦阳，李健仁，水清皎，郑吉

(1. 兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃兰州730050;2. 山推工程机械股份有限公司，山东济宁272073)

液压挖掘机作为一类快速、高效的施工机械在现代化施工建设中得到越来越广泛的应用。但是由于挖掘时挖掘工况的不确定性，也就是挖掘力的不确定性，会出现泵供油不足的情况，功率损失大，油耗高、经济性差和排放不好［1－3］。针对这种情况，力士乐公司开发了负载独立流量分配系统［4］。

1 液压挖掘机工作装置液压系统建模分析

挖掘机负载独立流量分配系统因为具有流量分配不受负载干扰和抗饱和能力而得到广泛应用，负载独立流量分配系统主要由负载敏感泵控系统和多路阀系统组成，其中决定其具有负载独立流量分配特定和抗饱和能力的是具有压力补偿功能的多路阀系统［5－6］。

1.1 建立多路阀的数学模型

1.1.1 建立节流阀的数学模型

液压泵的出口压力经过多路阀时首先进入节流阀进行节流，节流阀的运动通过控制先导压力进行调节，为建模仿真简化，将先导压力等效为手柄的作用力，即不论何种调节方式统一等效为调节手柄。节流阀阀芯运动微分方程:

式中:F 为节流阀阀芯上作用的控制力;

F0为节流阀弹簧预调力;

Mm为节流阀阀芯阀质量;

Bm为节流阀阀芯的黏性阻尼系数;

xm为节流阀芯位移;

km为主阀对中弹簧刚度。

对公式(1)进行拉普拉斯变换得

1.1.2 建立压力补偿阀的数学模型

压力补偿阀是负载独立流量分配系统中进行流量分配的关键部件，当压力补偿阀接收到来自负载的压力信号，开始移动，直到平衡，则移动过程中的运动微分方程为:

式中:p1为压力补偿阀进油口压力;

pV为经过比较器比较后的最大负载压力;

m 为压力补偿阀阀芯质量;

x 为压力补偿阀阀芯位移;

B 为油液黏性阻尼系数。

对公式(3)进行拉普拉斯变换得

2 多路阀参数对执行元件流量和位移的影响

负载独立流量分配系统具有负载独立和流量按比例分配的特性，通过分析不同负载时的流量输出可得出这些特性。将分析多路阀的的参数对流量输出的影响，选择一联进行分析，为了便于比较对照，在MATLAB/SIMULINK 仿真中建立如图1 所示的框图，其中System 组为原参数，另一组为修改后的参数，对其进行仿真比较。

图1 多路阀参数模拟对照框图

2.1 压力补偿阀参数的影响

改变多路阀压力补偿阀弹簧刚度，压力补偿阀原来的弹簧刚度为64.25 N/m，为了比较明显地看出弹簧刚度的影响，将其调为100 N/m。

在图2 中曲线1 表示原参数流量，曲线2 表示弹簧刚度调节后的流量，从图中可以看出弹簧刚度变大后，输出的流量显著降低。改变压力补偿阀的阻尼比，原阻尼比为3.36 N·m/s，将其调整为5 N·m/s，其变化图形如图3 所示。

图2 改变压力补偿阀弹簧刚度前后流量比较图

图3 改变压力补偿阀阻尼比前后流量比较图

从图3 可以看出流量的变化主要分布在开始阶段，在1 s 后基本看不出流量变化。为了更清晰地看到开始阶段的流量变化，对前2 s 进行仿真，如图4所示。

图4 改变压力补偿阀阻尼比前后流量比较(放大)图

改变压力补偿阀直径，将压力补偿阀的直径由0.025 m 调为0.028 m，则变换前后流量输出如图5所示。

图5 压力补偿阀直径变换前后流量比较图

通过分析图2—5 发现，压力补偿阀的参数变化对多路阀的流量产生一定的影响，其中压力补偿阀弹簧刚度和阀芯直径的变化对流量的影响比较显著，这两个量的微小变化就可以导致较大的流量变化;阻尼比对流量的影响主要在开始阶段，随着时间的推移，其影响逐渐减小。

2.2 节流阀参数对多路阀流量的影响

改变节流阀的弹簧刚度，节流阀弹簧刚度由82.56 N/m 变换为100 N/m，变化图形如图6 所示。

图6 节流阀弹簧刚度改变前后流量比较图

通过仿真图可以看到节流阀弹簧刚度变换前后流量没有变化，说明弹簧刚度对流量影响小到可忽略的程度。进一步改变节流阀的其他参数，改变节流阀的阻尼比和阀芯直径，均得到同图6 图形，说明这些参数对流量的影响也可忽略。

3 结论

对挖掘机负载独立流量系统中的多路阀进行研究分析，建立了多路阀的模型。通过仿真的结果表明，在负载独立流量分配系统中，通过改变多路阀中压力补偿阀和节流阀的参数，观察参数改变对流量的影响，得出多路阀的参数中对流量的影响较大的是压力补偿阀，节流阀几乎没有影响，其中尤其以压力补偿阀的弹簧刚度和阀芯直径对流量影响大。为今后多路阀的结构参数的设计提供依据。

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【5】李杰.负载敏感压力补偿技术在挖掘机液压系统中的应用［J］.山西机械，200(增刊):115 －116.

【6】顾临怡，谢英俊.多执行器负载敏感系统的分流控制发展综述［J］.机床与液压，2001(3):3 －6.

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【8】王涛，陶薇.基于AMESim 的液压挖掘机运动仿真及控制参数优化［J］.机床与液压，2009，37(7):180 －182.