挖掘機負(fù)載反饋液壓系統(tǒng)的應(yīng)用分析
節(jié)能是現(xiàn)代液壓傳動發(fā)展的方向。節(jié)能液壓系統(tǒng)是根據(jù)負(fù)載需要供給壓力和流量，使流量消耗最少。目前，節(jié)能效果較好的液壓系統(tǒng)是負(fù)載反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)多用于負(fù)載較多，工況變化較大的工程土方機械。從控制方式上又可分為泵控方式和閥控方式。
泵控負(fù)載反饋液壓系統(tǒng)是根據(jù)負(fù)載需要控制變量泵的輸出流量的回路。
閥控負(fù)載反饋液壓系統(tǒng)是通過三通調(diào)速閥來調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量滿足負(fù)載的需要。閥控負(fù)載反饋系統(tǒng)一般使用定量液壓泵。
1.泵控負(fù)載反饋液壓系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，泵的變量機構(gòu)根據(jù)節(jié)流器兩端的壓力變化來調(diào)節(jié)泵的排量。設(shè)計者可設(shè)定一個壓力值p0作為調(diào)節(jié)目標(biāo)，在系統(tǒng)穩(wěn)定工作時，Δp= p0，如想改變系統(tǒng)工作狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)節(jié)流面積來改變Δp值，使之偏離p0值。這時泵的變量機構(gòu)就會作出反應(yīng)，調(diào)節(jié)泵的排量來改變Δp值，直至Δp= p0，系統(tǒng)就可穩(wěn)定地工作在新的流量狀態(tài)。在應(yīng)用負(fù)載反饋原理的液壓系統(tǒng)中，只要改變節(jié)流面積，就可以有效地控制泵的排量，從而控制工作機構(gòu)的速度。節(jié)流器也可以是節(jié)流閥，也可以是方向閥，如手動換向閥或電磁比例換向閥等。
系統(tǒng)在工作過程中，如泵的排量已達(dá)到最大值，無論節(jié)流面積如何增大，系統(tǒng)流量也不會繼續(xù)增加，此時，稱系統(tǒng)處于“流量不飽和”狀態(tài)。顯然，閥對執(zhí)行機構(gòu)已失去了控制。
圖1所示單負(fù)載泵控負(fù)載反饋系統(tǒng)，其流量變化可用式（1）來計算：Q=CfΔp1/2 （1）式中：C——流量系數(shù)f——閥開口面積
由式（1）可以作出系統(tǒng)的流量變化曲線（圖2），由曲線Ⅰ可以看出，當(dāng)f>fmax時，無論f如何變化，系統(tǒng)流量不會發(fā)生變化。所以，匹配合理的系統(tǒng)應(yīng)工作在曲線Ⅰ的上升段，即節(jié)流面積
圖3所示為多負(fù)載泵控制負(fù)載反饋液壓系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)的工作特性為泵工作壓力滿足最大負(fù)載需要，流量滿足所有負(fù)載需要。負(fù)載之間的壓力差由補償器補償，即對壓力較小的負(fù)載，其補償器要衰減掉一定壓力，使各控制閥兩端壓差與其控制流量相對應(yīng)。這樣在泵的有效變量范圍內(nèi)，各負(fù)載可以有效地受各自控制閥的控制。
如多負(fù)載負(fù)載反饋系統(tǒng)處于“流量不飽和”工作狀態(tài)，即流量不能同時滿足各工作負(fù)載的需要，各負(fù)載的工作速度控制關(guān)系將發(fā)生變化，負(fù)載較大的將首先因得不到充足的流量供給而失效。
2.實際系統(tǒng)設(shè)計過程中遇到的問題在工程土方機械上采用負(fù)載反饋液壓系統(tǒng)，國外已很普遍，但在國內(nèi)尚處于嘗試階段。我單位在設(shè)計某型工程車輛時選用負(fù)載反饋液壓系統(tǒng)，試制過程中，遇到了這樣的問題：據(jù)理論計算，液壓泵的流量可以滿足所有負(fù)載同時工作的需要，但實際工作時卻出現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)動作不協(xié)調(diào)，重載部位控制失靈等，系統(tǒng)處于“流量不飽和”狀態(tài)時出現(xiàn)的現(xiàn)象。如圖4所示，液壓缸甲和乙是車輛上的相鄰部件，分別執(zhí)行兩個動作。由于工作狀態(tài)的不同，兩液壓缸的工作負(fù)荷不斷變化，液壓缸甲的工作壓力往往大于乙的壓力。試驗中，同時操縱甲、乙兩液壓缸時，出現(xiàn)了三種不同情況。
1)兩液壓缸工作正常，其工作速度分別受控于各自的控制閥，且控制靈活。
2)在某些工作狀態(tài)，乙缸工作正常，甲缸工作速度變慢，而且無論液壓缸甲控制閥開啟多大，工作速度依然很慢。
3)液壓缸乙動作，甲不動，而一旦乙停止工作，液壓缸甲則突然快速啟動，其可控制性能同時恢復(fù)。
通過不斷分析排查，證實了引起上述故障的原因的確是甲、乙兩液壓缸流量不足。甲、乙兩液壓缸工作時，液壓泵始終在很小的排量下工作。使甲、乙兩液壓缸流量不足，處于局部“流量不飽和”狀態(tài)。引起故障的根本原因是在設(shè)計時對負(fù)載反饋液壓系統(tǒng)的工作性質(zhì)理解不充分，忽略了管路液阻對系統(tǒng)操縱性的影響。
考慮到供油管路壓降對反饋信號的影響，按圖5所示原理對負(fù)載反饋液壓系統(tǒng)進行分析。節(jié)流閥流量公式仍和式（1）類似：Q`=CfΔp1/2 （2）供油管路的流量公式可近似用典型長管節(jié)流的液阻公式：Q`=xΔp2/L （3）式中：x——流量系數(shù)L——管路有效阻力段長度按照圖5 中各量值之間的關(guān)系，可以列出方程組：Q`=CfΔp11/2Q`=xΔp2/L （4）Δp=Δp1+Δp2由此可得出圖5所示系統(tǒng)的操縱關(guān)系即Q`—f關(guān)系：Q`2/C2f2+ Q`L/x－Δp=0 （5）解方程（5）得到：Q`=Cf（L2C2f2/4x2+Δp）1/2－LC2f2/2x （6）比較式（6）和（1）當(dāng)L＝0時，Q`=Q當(dāng)L≠0時，Q`<Q改變L的大小，可以作出一組Q—f曲線，圖2中曲線Ⅱ為其中之一。比較圖2曲線Ⅰ和Ⅱ，可以得出以下結(jié)論：
1)對于按Qmax對應(yīng)fmax理想條件設(shè)計的負(fù)載反饋液壓系統(tǒng)，如果供油管路過長，實際供油量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于液壓泵的最大流量Qmax，系統(tǒng)很容易進入“流量不飽和”狀態(tài)而導(dǎo)致操縱失靈。
2)曲線隨f增大而上升的速率始終小于曲線Ⅰ，而且隨f的增大越來越小，說明系統(tǒng)操縱靈敏度較小，且隨著閥口開度f的增大，越來越遲鈍。因此，可以認(rèn)為負(fù)載反饋系統(tǒng)如存在較長供油管路，從操縱品質(zhì)上考慮也是不可接受的。通過對圖5所示系統(tǒng)的分析，我們可以對圖4所示系統(tǒng)的故障現(xiàn)象作出解釋。
1)當(dāng)甲、乙兩液壓缸都處于速度較小的工作狀態(tài)，液壓泵供油充足，則系統(tǒng)呈現(xiàn)正常的負(fù)載反饋系統(tǒng)工作狀況。
2)當(dāng)甲、乙兩液壓缸對流量的需求增加時，由于供油管路AB對反饋信號的影響，液壓泵不能對甲、乙兩液壓缸的用油量作出正確判斷，從而不能提供充足的流量。這時甲、乙兩液壓缸所處的位置就局部進入“流量不飽和”狀態(tài)；又由于甲液壓缸的負(fù)荷大于乙液壓缸，因此甲缸首先得不到充足的流量而速度變慢。
3)甲液壓缸不動，乙液壓缸動作，實際上是現(xiàn)象2的進一步惡化，而這里乙液壓缸停止工作，系統(tǒng)總的用油量就會減少，且從前面分析可以看出，即使管路液阻很大，液壓泵也不會停止供油。因此，甲液壓缸在乙液壓缸停止工作后恢復(fù)動作就不難理解了。
綜上所述，在設(shè)計泵控負(fù)載反饋液壓系統(tǒng)時，應(yīng)注意以下幾點：
1)系統(tǒng)布置應(yīng)盡可能采用短的供油管路和較大供油管徑，以減少管路液阻對反饋信號的影響。
2)在和系統(tǒng)流量匹配時，應(yīng)考慮到管路液阻的影響。如單純進行泵—閥—負(fù)載匹配，就會出現(xiàn)流量供應(yīng)不足的現(xiàn)象。
3)如系統(tǒng)不能避免采用較長供油管路，就不宜采用泵控負(fù)載反饋系統(tǒng)。