负荷传感系统工作原理及分析

３ 应用实例
该方法已在柴油机喷油泵试验台测量系统中得到 应用。在加入整流电路后，频率计显示非常稳定，达
４ 结束语
本文中提到的方法构思新颖、设计巧妙，用一个 简单电路，解决了 ＰＬＣ 输出信号抖动的问题，对今后 ＰＬＣ 控制系统的设计和应用以及频率控制系统、计数 控制系统的构建具有一定的现实意义。 参 考 文 献
１ 王庭有．可编程控制器原理及应用．北京：国防工业出版社， ２００５ ３ 郝鸿安．５５５ 集成电路实用电路集．上海：上海科学普及出版 社，１９８９ □ （收稿日期：２００７－０３－０８） （修改稿日期：２００７－０５－２９）
图１０ 整流后的波形
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减小，而右腔总作用力增加，当右腔总作用力等于左 腔压力之后，阀芯开始由加速变为减速，直至向右的 速度为零，此时，右腔总作用力大于左腔压力，阀芯 又开始向左运动，如此反复，最后停留在平衡位置， 流量补偿阀工作于中位。处于平衡位置时，流量补偿 阀左腔压力和右腔 ＬＳ 口调整弹簧弹力与负载压力之 和相等，左腔压力又等于负载与换向阀的进出口压差 之和，即换向阀的进出口压差与右腔的 ＬＳ 口调整弹 簧在中位时的弹簧力相等，由于每一次改变阀口开度 而后达到平衡状态时，阀芯都位于同一位置，即阀芯 每次处于平衡位置时右腔的弹簧力都是相等的，所以 处于平衡位置时换向阀 进出口压差是不变的， 由阀口压力—流量方程 可知，此时流过换向阀 的流量仅与阀口开度成 正比— 流量自适应，如 图 ２ 所示为不考虑换向 阀工作死区和流过换向 阀的最小稳定流量时的 流量和阀口开度关系曲 图２ 阀口开度和流量的关 线。在此过程中阀芯的 系曲线 运动类似于弹簧振子运 动，而且达到平衡状态的速度很快。 １．２．３ 压力自适应 当负载发生变化，例如，负载增加，而阀口开度 保持不变，此时 （流量未来得及进行调整） 流量补偿阀 右腔总作用力大于泵出口压力，流量补偿阀右位工 作，阀芯开始左移，经过快速的动态振荡后，阀芯最 后停留在平衡位置，流量补偿阀工作于中位，泵出口 的压力等于负载压力和 ＬＳ 口调整弹簧弹力之和，而弹 簧弹力始终保持不变，因此泵出口的压力随着负载的 增加而增加，同样当负载减小时泵出口的压力也会随 着负载的减小而减小，泵出口的压力始终只比负载高 出 ＬＳ 口调整弹簧在中位时的弹簧力——压力自适应。 在负载压力增加时，泵的理论流量会比负载增加之前 大，大出的部分用于补偿因工作压力增加而增加的系 统内泄漏，同理在负载压力减小时泵的理论流量比负 载减小之前小，因为工作压力减小引起了系统内泄漏 的减小。 １．２．４ 超载时的高压小流量 当负载运动到极限位置 （例如油缸运动到最左端或 最右端），或者由机械装置实施了对负载 （例如马达） 的 制动，即系统中的油液不再流动 （除内泄漏），此时泵 的出口压力、换向阀进口压力、换向阀出口压力、和 负载压力基本相等，即流量补偿阀左右两端的液压力 基本相等，流量补偿阀阀芯在右端弹簧力的作用下向 左移动，泵排量有增大的趋势，但当泵出口压力增大 到与 ＰＣ 口调整弹簧压力相等时，压力补偿阀左位工 作，在切断变量活塞油腔与流量补偿阀通道的同时， 泵出口的高压油进入变量活塞，使泵的排量减小，直 至接近为零，此时泵出口的流量仅维持系统内泄漏， 实现了高压小流量的优点。
负
荷传感变量泵以其高效、节能的特点被广泛 应用于工程机械、搬运机械和矿山机械等行
ＬＳ 口调整弹簧的弹力之和； （４） 超载时的高压小流量； （５） 无溢流损失。 如图 １ 所示，是一以油缸为负载的负荷传感系 统，图中 Ａ 点为泵出口压力，Ｂ 点为换向阀进口压 力，Ｃ 点为换向阀左位工作时的出口压力，Ｄ 点为换 向阀右位工作时的出口压力。设换向阀出口压力为负 载压力，其工作原理和过程如下。
d c d c d c d c d c d c d c d c d c d c d c d c d c d c d c d c d c d c d c d c d c d c d c d c d c d c d c d c d c d c （上接第１３２页） 到了设计要求，系统的稳定性、可靠性等方面都得到 了满意的效果。图１０ 是整流后的波形。
∇ P１、 ∇ P２ 与 ∇ P３ 三者之和为 ＬＳ 口调整弹簧弹力
（流量补偿阀在 中位时为定 值），所以 ∇ P ３ 减小。由阀口 压力—流量方 程可知，流过 换向阀的流量 和阀口开度不 是线性关系， 而是一条斜率 减小的曲线， 图４ 流量和阀口开度的实际关系曲线 图 ４ 所示为流 量和阀口开度的实际关系曲线。
１．１ 工作原理
当 ＬＳ 口调整弹簧预设压力调定好后，在原动机未 启动前，系统没有压力，在此弹簧压力的作用下流量 补偿阀右位工作，变量活塞里的油流回油箱，变量泵
１ 理想状况下的工作原理
忽略泵出口到换向阀进口之间的压力损失，并假 设阀口开到最大时，泵正好处于最大排量处，即理想 状况下。此时负荷传感系统具有如下特点： （１） 待机时的低压小流量； （２） 流量自适应 — 流过换向阀的流量与换向阀的 阀口开度成正比关系； （３） 压力自适应 — 泵出口的压力始终等于负载与
图３ 负荷传感系统（二）
２．２ 工作过程与流量自适应
（１） 工作过程 如图 ３ 所示，图中 Ａ 点为泵出口 压力，Ｂ 点为换向阀进口压力，Ｃ 点为换向阀左位工 作时的出口压力，Ｄ 点为换向阀右位工作时的出口压 力，并将换向阀出口压力设为负载压力。当泵出口到 换向阀进口之间的管道压力损失、固定液阻进出口压 差、换向阀进出口压差之和等于 ＬＳ 口调整弹簧的弹力 时，泵输出稳定的流量。上述特点中的 （１）、（４）、（５） 与理想状况下是相同的，特点 （３） 也基本相同，这里 不再分析。 （２） 流量自适应 由于管道通径和固定液阻的开度 都是固定不变的， ∇ P１与∇ P２ 仅仅与泵出口的流量成 正比。在工作中，当负载需要改变速度工作时，操纵 换向阀使其阀口开度变化，例如，阀口开度增加，根 据理想状况下工作原理的分析，达稳定状态时泵的排
业。这种系统能够根据负载的变化和操作者对执行器 速度的要求及时调整泵的排量以适应负载的变化和泵 出口压力的变化，稳定工作时泵只提供系统所需流 量，不存在溢流损失，泵出口到换向阀出口之间的压 差保持恒定，因此这种系统能够将原动机的功率充分 利用。而根据管路的长短、是否是多执行器同时工 作，这类系统又有不同的作用机理和影响因素。
２．３ ＬＳ 口弹簧力设置对系统的影响
图５表示 ＬＳ 口调整弹簧预设压力、泵的排量、换 向阀的阀口开度之间的关系，ＬＳ 口调整弹簧预设压力 可以分为以下 ３ 个范围： （１） ＬＳ 口调整弹簧预设压力比较小，在相同的阀 口开度条件下泵输出较小的流量就能在稳态时满足、与 三者之和等于 ＬＳ 口调整弹簧弹力，并且换向阀阀口开 到最大也无法使泵达到最大排量，此时换向阀的微动性 是最好的，且泵出口到换向阀出口之间的功耗也是最 小的，但很有可能不能满足负载最大速度的要求； （２） ＬＳ 口调整弹簧的预设压力刚刚合适，换向阀 开到最大开度，泵也正好处于最大排量处，此时 ＬＳ 口 的值正好是系统的最佳值，系统各个方面的要求都将 得到满足； （３） ＬＳ 口调 整弹簧的预设 压力过大，很 有可能在换向 阀阀口没有开 到最大，泵就
第 ３５ 卷 ２００７ 年第 １０ 期
负荷传感系统工作原理及分析
１． 滤油器 ２． 散热器 ３． 油缸 ４． 梭阀 ５． 信号油道 ６． 流 量补偿阀 ７． ＬＳ 口调整弹簧 ８． ＰＣ 口调整弹簧 ９． 压力补 偿阀 １０． 变量活塞 １１． 滤油器 １２． 泵泄漏油管
图１ 负荷传感系统（一） 动态振荡，达平衡状态前流量补偿阀的阀芯会左右运 动。由于平衡时斜盘倾角并不完全等于零，而泵又具 有一定的转速，变量泵将产生一定的流量，一部分用 于补偿泵自身的内泄漏，一部分经换向阀内泄回油 箱，剩下的经流量补偿阀内泄回油箱，但泵产生的总 流量很小。负载敏感变量泵实现了待机状况下低压小 流量的优点，整个过程历时很短。 在换向阀刚开启时，负载压力经过信号油道传到 流量补偿阀右端弹簧腔，在这一时刻由于流过换向阀 的流量很小，其两端压降也很小，负载压力与 ＬＳ 口 调整弹簧弹力之和大于泵的出口压力，流量补偿阀右 位工作，变量活塞里的油流回油箱，变量泵斜盘倾角 增大，泵排量增加，流量增大，经过换向阀产生的压 降增加，泵出口压力增大，当泵出口压力等于负载压 力和 ＬＳ 口调整弹簧弹力之和时，流量补偿阀阀芯左 右两端平衡，泵保持一定排量，此时泵在只比负载高 出 ＬＳ 口调整弹簧弹力下工作。 １．２．２ 流量自适应 当由于工作需要而改变换向阀阀口开度时，例 如，阀口开大，此时 （流量未来得及进行调整） 换向阀 减压作用削弱，其进出口压差减小，即泵出口压力减 小，流量补偿阀右腔负载压力和 ＬＳ 口调整弹簧弹力之 和大于其左腔压力，流量补偿阀右位工作，阀芯向左 加速移动，变量活塞里的油流回油箱，泵的斜盘倾角 增大，泵排量增加，系统流量增大，在换向阀上产生 的压降增加，泵出口压力增加，当泵出口压力增加到 与右腔总作用力相等后，阀芯运动由原来的加速变为 减速，随着泵出口流量的增加，阀芯向左运动的减速 作用进一步增强，直至向左运动的速度为零，但此时 流量补偿阀左腔压力大于右腔总作用力，阀芯加速向 右运动，泵出口的高压油与变量活塞右腔接通后，高 压油经流量补偿阀和压力补偿阀进入变量活塞，使泵 的斜盘倾角减小，泵排量减小，泵出口的流量和压力
有沿程压力损失的，当管道较长时这种压力损失是不 能忽略的，而且中间可能还有其它液压元件，因此， 泵出口到换向阀进口之间的压力损失在实际工作中不 应该忽略。如图 ３ 所示，仍然以油缸为单一负载，此 时管道较长，沿程压力损失不能忽略，固定节流阀可 以看成是其它液压元件的等效液阻。此时系统具有以 下特点： （１） 待机时的低压小流量； （２） 流过换向阀的流量随着换向阀的阀口开度的增 加而增加，但不成线性关系—流量自适应； （３） 泵出口的压力始终等于负载与 ＬＳ 口调整弹簧 的弹力之和—压力自适应； （４） 超载时的高压小流量； （５） 无溢流损失； （６） ＬＳ 口调整弹簧预设压力对系统有显著影响。