和进军，张 诚，唐琛淇，李 凯，谢 帅，艾 超

（1.三一汽车起重机械有限公司，长沙 410600；2.燕山大学机械工程学院，河北 秦皇岛 066004）

0 引言

随着社会的不断发展，汽车起重机由于具有起重范围大、适用范围广、承载能力强等特点，在基础设施及大型民生项目建设中起到非常重要的作用[1]。随着汽车起重机的发展，负载敏感技术也得到了充分发展。负载敏感系统分为阀前补偿负载敏感（LS）系统和阀后补偿负载敏感（LUDV）系统[2]，该系统能够将负载敏感泵输入到系统中的压力流量和负载运行所需要的负载压力进行匹配，从而降低系统的溢流损失、减小能耗，提高系统效率。LS系统相较于LUDV系统具有更好的调速性能和节能效果，被广泛应用到汽车起重机等工程机械领域[3]。

但是在现有的汽车起重机的LS系统中，通常采用比例多路阀作为主阀，结合压力补偿器、平衡阀以及溢流阀等，在伸缩、变幅机构运行过程中，由于负载敏感泵存在一定的压力裕度，这部分压力均通过压力补偿器和主阀节流损耗掉，使得系统的能量利用效率有待进一步提高[4]。

为了解决起重机在运行过程中存在的能源浪费严重的问题，许多学者展开了相应的节能研究。太原理工大学叶彦鹏等[5-6]针对起重机在空载和轻载情况下存在能量损耗大的问题，设计一款新型负载敏感的平衡阀，并利用AMESim软件进行仿真研究，分析表明新系统在空载时能量损失可减少94.7%。大连理工大学李飒等[7]设计一种可应用于起重机起升机构的闭式能量可再生液压系统，并在AMESim仿真中对起重机一个运行工况进行分析，分析表明新系统的节能效率可达到原系统的43.3%。太原科技大学李子慧[8]对起升机构产生能耗的原因进行分析，提出重力势能回收的进出口独立控制液压系统，对比分析了两个液压系统在全速工作时的能量损耗，分析表明新系统能够回收98.22%的重力势能，减低系统能耗33.33%。南通理工学院顾燕[9]针对起重机变幅机构能耗大能量利用率低等问题，采用多个比例阀对变幅机构液压缸进行独立控制，并分析其运行及能耗特性，分析表明新系统既能达到原系统的运行特性也能降低系统能耗14.8%。四川工程职业技术学院王刚[10]针对LUDV系统存在的大量节流损耗，提出一种以串联液阻分压降低补偿阀压差的节能液压系统，并利用AMESim仿真软件进行建模分析，分析表明在相同工况下可降低压力补偿阀的能量损耗。

针对汽车起重机传统LS系统存在的能量损耗大的问题，基于变幅伸缩机构单独动作和复合动作时的运动特性，提出采用起重机独立变转速泵控方案，建立系统能量损耗模型并进行能耗分析，利用AMESim仿真软件对LS系统和独立变转速泵控系统进行建模，通过仿真对比验证了独立变转速泵控系统的节能特性，进一步提高了起重机的能源利用率。

1 LS系统

1.1 原理介绍

汽车起重机最主要的作用是对重物进行举升或下降，伸缩机构的作用是对主臂进行伸缩，变幅机构的作用是对主臂进行举升和下放。汽车起重机LS系统主要由负载敏感泵、阀前压力补偿器、液控比例主阀及伸缩变幅缸组成，其具体原理简图如图1所示。由图可知，起重机变幅和伸缩机构的液压原理相同，因此本文以伸缩机构为例简述LS系统的动作原理。当伸缩缸伸出时，负载敏感泵输出系统所需油液，经过阀前压力补偿器进入伸缩机构液控主阀，此时液控主阀工作在左位，油液经过主阀进入到伸缩缸的无杆腔，从而推动伸缩缸伸出实现对重物的举升。伸缩缸的速度通过改变液控主阀的阀芯开度来调节。伸缩缸缩回时，液控主阀工作在右位，液压油进入到伸缩缸的有杆腔，进而实现对重物的下放。梭阀的作用是将伸缩变幅机构最大的负载压力引入到负载敏感泵的控制口，进而调节泵的排量，实现泵输出流量与负载所需流量的匹配。

1.2 能量损耗分析

在伸缩变幅机构动作时，负载敏感泵为保证系统能够安全稳定运行，会有一定的预设压力裕度，这部分压力裕度损失在阀前压力补偿器和液控主阀上，使该部分能量转化成热能，从而造成伸缩变幅机构能量的大量损失。

（1）单独动作能耗分析

以变幅机构单独动作为例对系统能耗进行分析，由节流原理可知，图1中变幅回路中的流量以及压力补偿器的弹簧力分别为：

式中：Q1为变幅回路流量，m3/s；F1为变幅压力补偿器弹簧力，N；Cd为流量系数；A11为变幅主阀通流面积，m2；A12为变幅压力补偿器阀芯作用面积，m2；p1为变幅主阀阀前压力，Pa；pL1为变幅机构负载压力，Pa；ρ为液压油液密度，kg/m3。

由变幅回路流经的流量以及前后压差可得，变幅回路产生的能量损耗为：

式中：Pb1为变幅回路损耗的功率，W；pp1为负载敏感泵输出的压力，Pa。

同理可得伸缩机构单独动作时产生的能量损耗为：

式中：Ps1为伸缩回路损耗的功率，W；Q2为伸缩回路流量，m3/s；F2为伸缩压力补偿器弹簧力，N；A21为伸缩主阀通流面积，m2；A22为伸缩压力补偿器阀芯作用面积，m2；pL2为伸缩机构负载压力，Pa。

（2）复合动作能耗分析

变幅伸缩机构复合动作时，所消耗的能量由两个机构单独消耗的能量之和，因此LS系统复合动作消耗的能量为：

式中：P1为LS系统变幅伸缩回路损耗的总功率，W。

2 独立变转速泵控系统

2.1 原理介绍

针对LS系统中存在的能量损耗大等问题，提出采用独立变转速泵控液压系统，其液压原理如图2所示。由图可知，系统将变幅伸缩手柄的开度信号反馈到控制器中，控制器将其转换成转速信号并控制电机旋转，电机同轴驱动定量泵输出压力流量实现变幅伸缩机构动作。

图2 独立变转速泵控液压系统Fig.2 Independent variable speed pump controlled hydraulic system

在变幅伸缩机构单独动作时，以变幅机构为例简述独立变转速泵控液压系统的工作原理。在变幅机构单独动作时分为两种工作模式，第一种变幅油缸快速运动到达所需位置，换向阀3失电，变幅机构所需流量由定量泵1.1和1.2共同提供。当变幅机构需要小流量对变幅缸进行微调时，换向阀3得电，变幅机构所需的流量由变幅回路的定量泵1.1单独供应。在变幅伸缩机构复合动作时，阀3的电磁铁处于得电状态，变幅伸缩机构所需的流量由各自回路的液压泵提供，实现变幅伸缩机构的单独控制。

该系统用两个功率较小的液压泵替代原系统功率较大的负载敏感泵，既能在单独动作时满足大流量需求以及微动特性，也能在复合动作时对变幅伸缩机构进行单独控制，节能效果好。

2.2 能量损耗分析

独立变转速泵控系统取消了LS系统的阀前压力补偿器，使用液控换向阀替换了液控比例主阀，使用两个功率较小的定量泵替换了负载敏感泵，从而减小了系统中的节流损失，从而达到节能的效果。

（1）单独动作能耗分析

以变幅机构为例对独立变转速泵控液压系统能量损耗进行分析，当变幅机构所需流量较大时，由泵1.1和1.2同时提供，因此流经阀3以及阀4.1的流量分别为：

式中：Q3为流经阀3的流量，m3/s；Q4为流经阀4.1的流量，m3/s；A3为阀3通流面积，m2；A4为换向阀4.1通流面积，m2；pp3为泵1.2出口压力，Pa；pp2为泵1.1出口压力，Pa。

由变幅机构中流经的流量以及前后压差可得，变幅机构产生的能量损耗为：

式中：Pb2为伸缩回路损耗的功率，W。

同理可得伸缩机构单独动作时产生的能量损耗为：

式中：Ps2为伸缩回路损耗的功率，W；A5为换向阀4.2通流面积，m2。

（2）复合动作能耗分析

在复合动作过程中，阀3处于得电状态，变幅伸缩回路各自所需的流量由该回路的液压泵进行提供，所消耗的功率为变幅主阀和伸缩主阀所消耗的能量之和，因此变幅伸缩机构在复合动作过程中所消耗的能量为：

式中：P2为独立变转速泵控系统变幅伸缩回路损耗的总功率，W。

3 AMESim仿真研究

3.1 AMESim仿真模型

起重机变幅伸缩机构LS系统AMESim模型如图3所示。

图3 LS系统仿真模型Fig.3 LS system simulation model

起重机变幅伸缩机构独立变转速泵控系统AMESim仿真模型如图4所示。

图4 独立变转速泵控系统仿真模型Fig.4 Simulation model of independent variable speed pump control system

LS系统及独立变转速泵控系统仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数表Tab.1 Simulation parameter table

3.2 单独动作能耗仿真分析

独立变转速泵控系统单独动作时以变幅机构为研究对象，采用双泵对变幅机构提供流量和压力。设置在0～5 s内变幅机构负载压力由0～20 MPa匀速增加，分别检测LS系统泵出口压力变化以及变幅主阀阀前压力变化，仿真曲线图如图5所示。由图可知，3条压力变化曲线几乎平行，液压泵的出口压力始终比负载压力大2.5 MPa，这是应为负载敏感泵的压力裕度调定值为2.5 MPa，由于压力补偿器的作用是通过设置弹簧预紧力保证主阀前后压差恒定，所以主阀前压力与负载压力保持恒定值1.6 MPa不变。多余的0.9 MPa均通过压力补偿器节流损耗掉。

图5 系统压力变化仿真曲线Fig.5 Simulation curve of system pressure change

由上述分析可知，LS系统中在阀前压力补偿器以及液控主阀存在较大的压力损失，从而造成了较大的功率损失，在研究系统功率损耗时，变幅机构的流量在仿真时间0～5 s内从0 L/min增加到200 L/min，分别对LS系统和独立变转速泵控系统进行功率损失仿真，结果如图6所示。由图可知，独立变转速泵控系统的功率损失较小，LS系统的功率损失较大，在仿真进行到2.5 s即系统中的流量为100 L/min时，LS系统的功率损耗为4.17 kW，独立变转速泵控系统的功率损失为0.18 kW，能量损耗减小95.7%。在仿真进行到5 s即系统中的流量为200 L/min时，LS系统的功率损失为8.33 kW，独立变转速泵控系统的功率损失为1.28 kW，能量损耗减小84.6%，证明了独立变转速泵控系统在变幅伸缩机构单独动作时，具有较好的节能效果。

图6 单独动作能耗仿真Fig.6 Single action energy consumption simulation diagram

3.3 复合动作能耗仿真分析

LS系统中，在变幅伸缩机构复合动作时，设置仿真时间为5 s，伸缩机构负载压力从0 MPa匀速上升到15 MPa，变幅机构负载压力从0 MPa匀速上升到20 MPa，研究泵出口压力变化，仿真图如图7所示。由图可知，LS系统负载敏感泵输出的压力与系统最大负载压力有关，并且泵输出的压力始终比最大负载压力大2.5 MPa，而泵口压力与较小负载压力的差值越来越大，功率损耗也就越来越大，即变幅伸缩机构负载压力差值越大，负载敏感系统的能耗也就越大。

图7 泵出口压力随负载压力变化曲线Fig.7 Pump outlet pressure with load pressure curve

在变幅伸缩机构复合动作过程中，系统的功率损耗包括变幅回路和伸缩回路总消耗的功率。设置复合动作的仿真时间为5 s，伸缩变幅机构回路中的流量均为100 L/min，总流量为200 L/min，分别对LS系统和独立变转速泵控系统进行功率损失仿真，结果如图8所示。由图可知，变幅伸缩机构的流量均逐渐增加至100 L/min，由于LS系统存在较多的节流损失，在仿真时间为2.5 s即伸缩变幅机构各自的流量为50 L/min时，LS系统能量损耗为6.25 kW，独立变转速泵控系统的能量损耗为0.05 kW，能量损耗减小99.2%。在仿真时间为5 s即伸缩变幅机构各自的流量为100 L/min时，LS系统能量损耗为16.67 kW，独立变转速泵控系统的能量损耗为0.3 kW，能量损耗减小98.2%，证明了独立变转速泵控系统在变幅伸缩机构复合动作过程中，具有良好的节能效果。

图8 复合动作能耗仿真Fig.8 Composite action energy consumption simulation diagram

4 结束语

本文针对汽车起重机变幅伸缩机构，采用独立变转速泵控方案，并对单独动作和复合动作分别设计了相对应的控制模式，以解决传统LS系统存在能耗大的问题。仿真结果表明：采用独立变转速泵控系统能够在变幅伸缩机构单独和复合动作时降低系统中的节流损耗，单独动作时能耗降低84%以上，复合动作时能耗降低98%以上，提高了系统的能源利用率。研究结果可为汽车起重机高效运行提供设计参考。