金肃静，张小环，靳浩伟，施俊文，李存良

(1.浙江省交通运输科学研究院，浙江杭州 311305；2.长安大学公路养护装备国家工程实验室，陕西西安 710064；3.轻工业西安机械设计研究院有限公司，陕西西安 710086)

0 前言

负载敏感(Load Sensing，LS)液压系统广泛应用于工程机械等领域。单泵多执行机构回路并联的设计，可以简化液压系统结构。负载敏感泵能够感受系统压力-流量需求，仅提供所需流量，实现节能。但负载敏感液压系统并联回路中，某一回路流量控制阀(Flow Control Valve，FCV)的快速闭合，会造成压力冲击，除了引发振动、噪声，影响元器件使用寿命外，还会影响其他回路的正常工作。

为解决负载敏感液压系统的压力冲击问题，叶鑫等人[1]针对混凝土泵送负载敏感液压系统换向时产生的压力冲击，通过换向阀与蓄能器相互配合来吸收压力冲击，并在AMESim中仿真验证了此方法的可行性；赵燕等人[2]采用三通流量阀来减缓汽车起重机液压系统快速操作时产生的压力冲击，并通过仿真和整机测试验证了方法的可行性；娄磊等人[3]针对螺旋钻机回转系统换向过程中产生的冲击与振动问题，提出减小换向瞬间节流阀芯开口面积和采用双节U形节流阀芯的方法，可以有效减小马达换向时进油口的最大冲击压力和压力波动幅值；王成宾和权龙[4]针对大负载液压系统产生的压力冲击问题，提出一种主动降低液压冲击的方法，利用控制信号主动预测冲击峰值压力的出现时间，并以此调整可变阻尼孔的孔口面积，达到降低液压冲击的目的；赵小龙等[5]提出了一种“小阀芯、双阀口”型三通压力补偿阀结构优化方案，对定量泵负载敏感液压系统快速卸荷时产生的压力冲击进行抑制，并通过仿真和试验验证了该方法的有效性；张军等人[6]采用比例插装阀作为防冲击阀来降低负载敏感液压系统阀门关闭时产生的压力冲击；KIM等[7]为了减少压力波动，将平行管路引入液压管路中，并通过试验和仿真证明了采用平行液压管路可以有效地减小压力脉动；LEE等[8]提出采用阻尼孔减缓液压系统的冲击，减缓冲击的效果取决于阻尼孔的类型、尺寸、开口压力以及通流速率。

本文作者通过建立负载敏感液压系统液压泵出口压力的数学模型，分析冲击压力形成的原因及影响压力冲击峰值的因素，对比防冲击(Anti Shock，AS)回路对于降低液压泵出口压力冲击及减小回路之间耦合干扰的作用，为提高多回路并联负载敏感液压系统的工作稳定性提供参考。

1 单泵多执行机构LS液压系统压力冲击与耦合的数值分析

1.1 单泵多执行机构LS液压系统结构

图1所示为同步碎石封层车中使用的单泵多执行机构LS液压系统结构。

单泵多执行机构负载敏感液压系统由负载敏感泵、压力补偿阀、梭阀、流量控制阀(FCV)以及执行元件(液压马达)组成。梭阀通过比对选取所有执行机构的最高负载压力，并反馈到负载敏感阀的右侧控制油口，与泵的出口压力进行比较，调节负载敏感泵的排量仅提供系统所需的流量，液压泵出口压力与最高负载压力的差值由负载敏感阀的弹簧设定。每一回路均设置有压力补偿阀，通过调节阀前液阻，保证流量控制阀前后压差不变，可以获得与FCV阀口过流截面面积成比例的稳定的液压马达转速。压力补偿阀同时也是隔离回路之间相互干扰的重要元件。

理想情况下，压力补偿阀可以较好地隔离回路之间负载变化的干扰。实际工作中，压力补偿阀存在响应滞后，不能隔离回路之间及液压泵出口的动态载荷干扰，某一回路工作参数的调整，会影响其他回路液压马达转速的稳定性。

1.2 单泵多执行机构LS液压系统稳态工况分析

根据油液的体积模量公式，建立图1所示系统液压泵与流量控制阀之间管路内的压力模型：

(1)

式中：pp为液压泵出口压力；B为液压油弹性模量；Vpl为液压泵与流量控制阀之间的容积；Qv为进入液压泵与流量控制阀之间管路内的净流量；Qp为液压泵出口流量；Qv1、Qv2分别为回路1和回路2的工作流量。

液压泵的出口流量为

Qp=Qpt-Qps

(2)

Qpt=Dpωβ

(3)

(4)

式中：Qpt为液压泵理论流量；Qps为液压泵泄漏流量；Dp为液压泵容积排量；ω为液压泵转速；β为液压泵容积排量比；Cs为层流泄漏系数；μ为液压油动力黏度；ptank为液压油箱压力，文中设定为0；Ks为变量泵流量泄漏系数。

流经流量控制阀的流量为

(5)

(6)

式中：Av为流量控制阀过流截面面积；xv为流量控制阀阀芯位移；ΔpFCV为压力补偿阀调定的流量控制阀两端的压差；ρ为液压油密度；Cd为孔板流量系数。

当流量控制阀采用矩形开口时，出口流量与阀芯的位移成正比：

Qv1=Kv1xv1

Qv2=Kv2xv2

式中：Kv1、Kv2分别为流量控制阀的常数。

单泵多执行机构(文中以双执行机构为例)LS液压系统稳态工作时有：

(7)

式中：pm为设定的负载敏感压差；pLS为梭阀反馈的负载压力。

(1)回路1流量控制阀的过流截面面积为Av11且回路2流量控制阀的过流截面面积为Av21时，双执行机构负载敏感液压系统状态参数为

(8)

式中：pl1、pl2分别为回路1、回路2的负载压力。

(2)回路1流量控制阀关闭后，回路2稳定工作，则双执行机构LS液压系统状态参数为

(9)

回路1流量控制阀关闭后，负载敏感泵的排量自动调节，只提供回路2所需的流量。

1.3 单泵多执行机构LS液压系统冲击耦合原因

假设回路1的流量控制阀关闭时过流截面面积线性减少，调整过程中负载敏感泵的排量也呈线性减小，则：

(10)

(11)

式中：kv为回路1流量控制阀的过流截面面积变化梯度系数；kβ为变量泵排量比变化梯度系数。

液压泵排量比从β1调节到β0的过程中，液压泵与流量控制阀之间的管路内产生的压力冲击值Δpp(t)的表达式为

(12)

负载敏感泵的响应速度是泵的设计制造参数，不可改变。液压泵与流量控制阀之间管路内的压力冲击主要受流量控制阀关闭速度的影响。流量控制阀不同关闭速度下，液压泵与流量控制阀之间管路内的流量冲击峰值如图2所示。

由图2可以看出：回路1流量控制阀关闭越快，产生的压力冲击峰值越大；当回路1流量控制阀突然关闭(如快速切断回路1流量控制阀的控制电流或突然手动关闭回路1的流量控制阀)，压力冲击峰值达到最大；冲击压力达到峰值以后，受液压泵泄漏的影响，冲击压力逐渐降低；当回路1流量控制阀关闭速度慢于液压泵的最快响应速度时，液压泵的出口不存在压力冲击。

液压泵出口出现压力冲击时，若压力补偿阀响应不及时，流量控制阀两端的压力不稳定，工作装置的速度稳定性会受到影响。当系统中存在需要频繁快速关闭的回路，且冲击压力峰值越大，这种影响越明显。

2 单泵多执行机构负载敏感液压系统防冲击方法

2.1 影响冲击压力峰值的因素

从式(12)可以看出，影响压力冲击峰值的因素可分为三大类：变量泵的结构参数影响，人为的操作影响以及液压系统中管路参数的影响。

(1)变量泵本身的结构参数由元件生产商工艺水平确定，一般不能修改。

(2)操作程序决定操作参数，缓慢操作流量控制阀，可以显著降低泵出口的压力冲击峰值，但牺牲了回路操作的快速性。

(3)设计液压系统时，可以对管道参数进行调整，如采用不同直径、不同刚度、不同长度的管道以及在管路上添加阻尼孔等均可改变压力冲击峰值，也可以通过增加蓄能器、减振器来降低压力冲击，但是会影响系统动态特性。

考虑到压力冲击仅在流量控制阀突然关闭时产生，其本质是泵与流量控制阀之间管路内净流量的增加所引起，能够及时卸荷多余流量也是一种较好的选择。

2.2 AS回路消除回路之间耦合的原理

多回路并联的液压系统中，回路之间操作通过影响液压泵的出口压力对其他回路的工作稳定性造成影响。防冲击(AS)回路工作的原理是通过卸荷多余流量，降低压力冲击峰值，从而减小、直至消除回路之间耦合影响。系统结构如图3所示。

AS回路设置在液压泵的出口处，通过变量泵出口压力和梭阀反馈的负载敏感压力的差值来控制AS阀的启闭。AS阀具有较高的响应频率，开启压差略大于设定负载敏感压差，当液压泵的出口压力与负载敏感压力的差值大于AS阀的设定压差时，AS阀开启，多余流量从AS回路流入油箱。

理想情况下，排量调节过程中产生的多余流量可以通过AS回路卸荷完全消除，液压泵出口不出现冲击压力。

3 建模仿真分析

在AMESim软件中建立单泵双马达负载敏感液压系统仿真模型，对比增设AS回路前后，液压泵出口冲击压力，如图4所示。

仿真参数如表1所示。双执行机构共同稳定工作，5秒的时候快速关闭左侧执行机构的流量控制阀，系统仿真结果如图5所示。

表1 仿真模型主要参数设置

由图4、图5可知：

(1)未安装AS回路(图(4a))的单泵双马达负载敏感液压系统在左侧回路突然关闭的情况下，右侧回路马达转速会短时间出现大幅度波动情况，回路之间存在较强的冲击耦合影响；安装AS回路(图4(b))的单泵双马达负载敏感液压系统中，右侧回路马达的转速平稳，工作状态几乎未受到左侧执行机构工作状态突变的影响；

(2)防冲击回路能在极短时间内卸荷多余流量，消除回路之间耦合的影响，且不影响液压系统正常的工作过程。

4 结语

(1)通过理论分析单泵双执行机构负载敏感液压系统回路之间耦合干扰的原因，指出并联的两个回路中，某一回路流量控制阀突然关闭时，液压泵与流量控制阀之间管路内净流量增加，产生压力冲击，并导致另一回路流量的波动，影响速度稳定性。

(2)采用防冲击回路的负载敏感液压系统，能够及时卸荷单泵多执行机构负载敏感液压系统中液压泵与流量控制阀之间管路内的多余流量，降低了压力冲击峰值，消除了调节过程中的相互影响，且不影响液压系统动态特性和效率等。

(3)AMESim仿真结果验证了防冲击回路能够显著减小单泵多执行机构负载敏感液压系统中回路之间的相互干扰。