负载敏感(LS)控制系统工作原理与操作

Eaton®等负载柱塞泵（斜盘-轴向）中负载敏感（LS）控制系统工作原理与操作——LoadSensingSytem-PrincipleandOperation王清岩[译]CCE（JLU,CHINA）15-09-2005LoadSensingPrincipleofOperationPage序言.....................................................................3何谓负载敏感?.................................................4负载敏感系统是如何工作的........................5采用负载敏感控制的优点..........................14开发与调试.....................................................25系统比较..........................................................26应用...................................................................27负载敏感控制技术的前景..........................272LoadSensingPrincipleofOperation序言早在二十世纪六十年代后期，一些年轻的工程师对液压传动技术的优缺点进行了仔细的分析。中位开放式液压系统,采用了一个定排量的齿轮泵，提供恒定的流量，系统压力是由作用于工作介质上的载荷决定的。为限制系统的最高工作压力，必须设置一个高压溢流阀。当系统工作压力达到设定值，液压泵近乎全部流量将通过溢流阀流回油箱，因而导致极高的功率损失，并在系统中产生大量的热损耗致使系统效率极低。相比之下中位封闭的液压系统具有排量可调的优点，排量调节的范围可从最小排量至最大排量，甚至正向最大排量至反向最大排量；并且无需在系统中设置溢流阀。其最大工作压力的控制是通过液压泵内部的补偿器实现的。此类补偿器可在系统因负载超出额定范围导致系统受到阻滞的状态下通过限压变量活塞使泵卸荷即液压泵处于高压运转状态、但排量近乎为零。此时液压泵将进入等待状态，并保持较高的工作压力，直至负载被克服或恢复操作阀的控制状态。中位闭式系统的缺点是液压泵试图在所有的工况下均实现所限定的最高工作压力附近的排量调节。但是液压系统还有这样一类工况，即期望获得较大的流量而所要求的工作压力却很低。中位闭式的系统在此种工况下导致了较高的压力降并在能量损失过程中产生大量的热。工程师们于是设想，若能将两种系统的优点进行合并将得到最佳的性能。理想的系统应具有这样一种特性：在载荷需要的工作压力下仅提供维持系统工作的必要流量。期望流量与工作压力二者都是可变的，但是无论开式还是闭式系统均未提供这样的工作性能。为实现这一特性，必须设计一种新型液压泵，该泵可以根据系统需求提供必要的的流量及压力，并在工况变化时，具有相应的压力-流量调节功能。显然，一种柱塞式变量泵是实现此种功能的基础元件，但是如何令其同时响应压力和流量两个参数的变化呢？一位从事本项目研究的工程师开发了一种新的液压补偿器以同时感应系统压力和流量的需求，并使柱塞泵能对流量压力需求的变化做出正确响应。负载敏感液压泵从此诞生了！从技术角度讲，这是一种压力-流量补偿式的变排量柱塞式液压泵。3LoadSensingPrincipleofOperation何谓负载敏感?简而言之，负载敏感系统是一种感受系统压力-流量需求，且仅提供所需求的流量和压力的液压回路。实现负载敏感控制的完整装置由如下元件组成：首先需要一个变量柱塞泵，该泵具有一个压力补偿器，系统不工作时，补偿器使其能够在较低的压力（200PSI）下保持待机状态。当系统转入工作状态时，补偿器感受系统的流量需求并在系统工况变化时根据流量需求提供可调的流量。同时，液压泵也要感受并响应液压系统的压力需求。多数液压系统并非在恒定的压力下工作，当外部载荷变化时，液压系统的工作压力是不同的。然后需要一个具有特殊感应油路和阀口的控制阀，以实现负载敏感系统的完整控制特性。当液压系统未工作，处于待机状态时，控制阀必须切断作动油缸（或马达）与液压泵之间的压力信号。这将在系统未工作时导致液压泵自动转入低压等待状态。当控制阀工作时，先从作动油缸（或马达）得到压力需求，并将压力信号传递给液压泵，使泵开始对系统压力做出响应。系统所需的流量是由滑阀的开度控制的。系统的流量需求通过信号道、控制阀反馈给液压泵。这种负载感应式柱塞泵与负载敏感控制阀的组合使整个液压系统具有根据载荷情况提供作需压力-流量的特性，此即负载敏感系统的基本功能。颜色代码Return/Intake（回油、吸油）–Anyoilinthecircuitnotunderhighpressure.Thisoilcanbepressurefreeoilfromthepumporreturnoiltothereservoir.TrappedOil（滞油）–Anyoilinthecircuitnotconnectedtopumpfloworreturn.Thisoilcanbehighorlowstaticpressure.LowPressureStandby（低压等待）–Anyoilpressurizedatthelowpressurestandbypressure.WorkingPressure（工作压力）–Anyoilinthecircuitconnectedtopumpflowunderworkingpressure.HighPressureStandby（高压等待）–Oilinthesystempressurizedtothemaximumhighpressuresettingofthecompensator.BelowLowPressureStandby（低于低压等待压力）–Oilinthepumpflowlinemomentsafterstart-up.4LoadSensingPrincipleofOperation负载敏感系统是如何工作的正如名称所暗示的那样,负载敏感控制技术具有监控系统压力、流量和载荷的能力；并且进行流量-压力参数的调节以求获得昀高的效率。但是，在讨论其应用过程及具体优点之前，清楚组成负载敏感回路的液压元件以及它们是如何协同工作至关重要。伊顿负载敏感控制系统在流体传动及控制领域得到了广泛的应用。与其它形式的系统相比较，负载敏感控制技术有着诸多独特的优点。借助一个简单的负载敏感控制完整回路，下面的理论和工作原理可显而易见地予以说明。这是台轴向柱塞、变量泵，以及它的斜盘及斜盘倾角控制活塞。这是液压泵监控系统并调控系统参数的补偿器。5LoadSensingPrincipleofOperation它由一个“高压”补偿器，滑阀与调定值为3000PSI的调压弹簧相互作用；以及一个低压“压力-流量”补偿器，其滑阀与调定值为200PSI的调压弹簧相互作用组成。两个补偿器均直接安装在液压泵上，作为液压泵的附属元件。昀后两个主要的元件为方向控制滑阀和作动油缸。在这里我们仅选用了一个方向控制阀和一个油缸以使系统简洁。事实上，同一负载敏感系统中可以有多个方向控制阀和多个执行元件。请注意方向控制阀采用了一种中位封闭的，油口正遮盖的型式。这意味着一旦滑阀处于中位，液压泵的为系统提供流量的入口将被阻塞；同时，接通油缸的两个油口也被阻塞。6LoadSensingPrincipleofOperation方向控制阀结构中装有一个提动式的单向阀，它始终处于关闭状态，直至液压泵排油压力与油缸压力相等。若没有该单向阀则控制滑阀初始启动时，承载的油缸有倒退的可能。方向控制阀还具有一个负载感应单向阀。当系统具有多个执行元件、多个方向控制阀时，每一联滑阀均有这样一个负载感应单向阀。负载感应单向阀的作用是使补偿器根据系统中昀高压力回路进行压力-流量调节过程。假设系统目前处于空闲状态即将启动。由于系统中未建立起压力，调定压力为200PSI的弹簧迫使压力-流量补偿器滑阀推至左端。这为斜盘控制活塞与油箱之间提供了直通的油路，该卸油通道如蓝色油路所示。.7LoadSensingPrincipleofOperation由于补偿器控制滑阀上没有抵抗弹簧力的压力作用，这使得斜盘移至昀大倾角。在此位置，液压泵准备在昀大排量下工作，可向系统提供昀大的流量。当机器启动、油缸或马达即将运转时，液压泵的流量提供给方向控制阀，但是由于控制阀为中位闭式的，流量被阻滞于泵的出口与控制阀的进口之间。液压泵的流量同样提供给补偿器。油液的压力作用于压力-流量补偿器滑阀的左端，以及昀高压力补偿器控制滑阀的左端。根据液体的压力传递特性，要牢记所有作用过程都是在一瞬间完成的。8LoadSensingPrincipleofOperation当作用在压力-流量补偿器滑阀上的油液压力达到200PSI时，所产生的压力克服弹簧的预紧力使阀芯向右移动。在其右移过程中，滑阀打开了一个通道，于是在液压泵封闭油腔中的压力油接通了斜盘倾角控制活塞。油液压力的作用使控制活塞克服复位弹簧力使液压泵内斜盘回程至一个零排量附近的倾角。系统的这一工作状态我们称之为低压待机工况。在这一工况下，压力-流量补偿器的滑阀将左右振颤以维持作用于斜盘倾角控制活塞上的需求压力，作为控制作用的又一结果，也将对液压泵的供油流量产生影响。在低压待机状态，液压泵只需提供足以补偿内部泄漏的流量以维持作用于压力-流量补偿器控制滑阀左端近似200PSI的等待压力。请注意压力-流量补偿控制滑阀右侧弹簧腔为泄油状态。这部分液压油从弹簧腔流向方向控制阀。在那里（方向控制阀内）油液通过一个很小的节流口流回油箱，从而使得压力-流量控制阀芯在运动过程中具有相应的阻尼，以确保调节系统乃至过程的稳定性。（王清岩，2005-09-16）LoadSensingPrincipleofOperation现在，来观察一下方向控制滑阀移至左端时，系统的状态将会发生什么样的变化。首先要注意的是液压缸内的压力将通过方向控制阀内的油路，流过负载感应单向阀，进入压力-流量补偿器滑阀右端的弹簧腔。由于这部分油液压力与初始设定为200PSI（此时应为略高于200PSI的压力，由于弹簧压量有所增加。但弹簧刚度及位移很小，压力增量可忽略。王清岩，2005-09-16）的弹簧力一同作用使压力-流量补偿器控制滑阀移至左端。导致斜盘倾角控制活塞内的部分压力油通过泄油路接通油箱。弹簧力迫使斜盘倾角控制活塞到达一个新的位置，液压泵开始向系统提供较大的流量.因为方向控制阀内的阀芯已经动作，液压泵的流量此时能够绕过提动阀，经过方向控制的滑阀，进入液压缸承载腔。尽管压力油也作用于阀内节流口的入口处，但由于该节流口很小，未在接通压力-流量补偿器控制滑阀弹簧腔（泄油）的油路上导致可观的功率损失。通过接入测量仪表，可以查看液压油流经方向控制滑阀所产生的压力降如何用于液压泵的流量控制。压力表“A”和“B”显示有相同的压力并且压力表“C”和“D”显示有相同的压力。注意两组压力表间刚好存在着200PSI的压力差。液压油通过滑阀控制台肩所引起的压力降与压力-流量控制滑阀以及预调为200PSI的压力-流量补偿器弹簧一同工作，使阀口前后压力差得以保持，对应不同的滑阀开度，均可实现液压泵的流量控制。注意，作用在滑阀左端的800PSI压力抵抗着作用于右端的600PSI压力和200PSAI弹簧力，600PSI加上200PSI刚好等于800PSI。（这不是一个等式，却是一种作用机理。王清岩，2005-09-16）.10LoadSensingPrincipleofOperation在这个原理图中，方向控制阀中的滑阀将沿着与前述过程相同的方向移动更远的距离。正是由于较远的阀芯位移，围绕阀芯的阀口开度得以增大；这意味着阀口对液流的节流作用将有所减弱。流动阻力的减弱