本文是一篇机械论文，本文以阀前补偿负载敏感多路阀为研究对象，对负载敏感多路阀的阀体、主阀芯及弹簧、补偿阀芯及弹簧等关键结构参数进行设计，并建立元件及系统级仿真模型，并针对负载敏感多路阀的压力损失、起停冲击、微动性能、调速性能进行了仿真分析分析。在此基础上基于液控阀前补偿负载敏感多路阀开发出一种具有抗流量饱和功能模块，并建立仿真模型，最后对负载敏感多路阀进行了试验验证。
1 绪论
1.1 概述
负载敏感多路阀是工程机械液压系统控制系统的核心元件，控制着工程机械各个执行机构的动作，实现工程机械的高效作业[1]。全球知名液压元件生产企业的产品线中均涉及此类产品，但由于各液压元件企业所在国家和地区的基础工业水平与各公司自身核心技术优势的差异，此类产品在全球市场上始终保持着较高的行业集中度，产品也各具特色，典型的多路阀生产企业包括德国 Rexroth、德国 HAWE、德国 Bucher、美国 HUSCO、丹麦 Danfoss。负载敏感多路阀由于其良好的控制性能以及灵活的模块化组合方式，此类多路阀在中汽车起重机、旋挖钻机、履带起重机中广泛应用，尤其高压大流量负载敏感多路阀，占据着近乎垄断的市场份额[2]。
近年来，伴随着工程机械行业的高速发展，负载敏感多路阀产品的市场需求高速增长，以及由于进口负载敏感多路阀在价格和供货周期等方面的制约，国内工程机械企业迫切需要将进口负载敏感多路阀国产化，在此背景下，国内多路阀生产企业加大了对高端负载敏感多路阀的开发与研究力度，以攻克负载敏感多路阀关键技术，但是由于国内企业自主创新能力薄弱，导致这些企业几乎全部以仿制为主[3]，产品性能和可靠性差，在主机应用过程中问题较多，大多数企业的产品始终无法满足主机企业的技术需求，使得负载敏感多路阀产品仍然依赖大量进口[4]。
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1.2负载敏感系统控制形式与发展
负载敏感一般指执行机构的负载压力信号能够实时的反馈到多路阀的压力补偿器的弹簧腔，或变量泵的流量控制阀的负载敏感控制口，通过负载敏感阀的补偿器实现压力补偿，从而使多路阀阀芯两端压差为一恒定值，这种通过压差控制流量的方式称为负载敏感[5]，同时调整负载敏感变量泵的摆角，使其仅向执行机构提供所需要的流量与压力[6]。
压力补偿要解决的关键问题是，在执行机构负载压力变化时，供给执行机构的流量能够保持不变，这时就需要在控制阀口两端采用压力补偿器，使阀口两端压差保持不变。
负载压力补偿控制，是通过压力补偿器来均衡执行机构负载不同产生的压力差，来保证阀口两端的压差相同。目前，一般有两种压力补偿方式，一是将三通压力补偿器与节流口并联，另外一种是采用二通压力补偿器与节流口串联。三通压力补偿器一般放置于多路阀的进油联，搭配定量泵，将多余的流量通过三通压力补偿器溢流。
早在上世纪 60 年代，欧洲就提出了负载敏感技术，从最初的负载敏感系统，经过不断的完善，已经形成了基于负载敏感技术的多种不同的原理。
定量泵负载敏感系统[7]，如图 1-1 所示，该系统由定量泵、筛选执行机构最高压力的梭阀、三通压力补偿阀[8]、各联二通压力补偿阀以及控制流量的节流口，二通压力补偿阀通过补偿负载压力，保持节流口前后的压力差不变。三通压力补偿阀主要是保证整个系统的压差维持在一个恒定值，当定量泵提供的流量高于所有执行机构所需流量总和时，多余的流量仅以比最高执行机构高一个压差的压力溢流，这样较传统的采用安全阀溢流的系统更加节能。在这种定量泵负载敏感系统中，同时使用两种压力补偿器，采用三通压力补偿阀放置在进油联作为总的压力补偿器维持整个系统的流量调节，各个节流口采用的二通压力补偿阀维持各个执行机构的流量调节 [9]。
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2 负载敏感多路阀原理及结构设计
2.1 多路阀阀体设计计算
多路阀压力损失是多路阀性能评价中的一个关键性能，一般工程机械在正常工作时，都是在高压大流量下工作，如果多路阀的损失太大，严重影响工程机械的节能性。当多路阀工作时，高压油从首联进油口 P 流入工作油口 A/B，大部分压力损失主要产生在换向联阀芯节流口，随着阀芯开口逐渐变大，沿层压力损失会越来越大，通过对阀体阀芯等关键尺寸进行设计计算，从而减小多路阀的压力损失，使多路阀的压力损失满足 JB/T 8729-2013《液压多路换向阀》中压力损失的要求。
以下对多路阀的进油口直径、多路阀阀芯直径、多路阀阀芯台肩直径、多路阀行程、多路阀阀芯沉孔油道直径及宽度等关键参数进行计算。
2.1.1 多路阀阀芯直径、台肩直径
多路阀阀芯直径和台肩直径是多路阀的重要设计参数，多路阀阀芯和台肩直径直接决定着负载敏感多路阀通流能力，为了确保设计参数的优势，对小松的PC360 挖掘机主阀、力士乐 M7-22 多路阀和 M4-22 多路阀、布赫 LV22 多路阀、荷兰 AMCA公司的 APV22 多路阀等标杆多路阀产品同样流量的阀芯直径和台肩直径设计进行统计分析，如表 2-2 所示，标杆多路阀产品的阀芯直径多为 25mm，因此本课题所开发的多路阀阀芯直径同样取 D 为 25mm，阀芯通径为nD 为 22mm。
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3 负载敏感多路阀数学建模及仿真分析 ...............................30
3.1 多路阀压力损失仿真分析） ....................................... 30
3.2 负载敏感多路阀 Amesim 仿真模型搭建 .............................. 31
3.3 负载敏感多路阀仿真分析 ......................................... 35
4 负载敏感多路阀试验研究 .........................................49
4.1 负载敏感多路阀试验介绍 ......................................... 49
4.2 主安全阀性能试验 ............................. 51
4.3 微动及调速性能试验 ................................. 52
5 总结与展望 ............................. 72
5.1 总结 ........................... 72
5.2 展望 .................................... 72
4 负载敏感多路阀试验研究
4.1 负载敏感多路阀试验介绍
4.1.1被试负载敏感多路阀原理
如图 4-1 所示为被试负载敏感多路阀原理图，采用液压先导控制，首联带有抗流量饱和模块、Ls 溢流阀以及三通压力补偿阀组成，四个换向联以及尾联组成[64]。
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5 总结与展望
5.1 总结
本文以阀前补偿负载敏感多路阀为研究对象，对负载敏感多路阀的阀体、主阀芯及弹簧、补偿阀芯及弹簧等关键结构参数进行设计，并建立元件及系统级仿真模型，并针对负载敏感多路阀的压力损失、起停冲击、微动性能、调速性能进行了仿真分析分析。在此基础上基于液控阀前补偿负载敏感多路阀开发出一种具有抗流量饱和功能模块，并建立仿真模型，最后对负载敏感多路阀进行了试验验证。论文主要取得以下成果和结论：
（1）针对负载敏感多路阀阀体、主阀芯及弹簧、补偿阀芯及弹簧、抗饱和模块等关键结构参数进行设计计算，确定了负载敏感多路阀关键参数，为建立负载敏感多路阀仿真分析模型及优化提供了数据支持。
（2）基于负载敏感多路阀设计计算参数，建立了负载敏感多路阀元件及系统仿真模型，并对负载敏感多路阀的起停冲击、微动性能、调速性能进行了仿真分析及优化。通过增加负载敏感多路阀的背压、Ls 反馈口增加单向阻尼以及在端盖先导控制口增加阻尼等手段有效减小了系统的起停冲击和由于变量泵摆角改变引起的流量和压力波动。
（3）通过在阀芯微开口区间增加斜坡能够改变阀口的流量增益，从而改变系统的微动特性。在不改变多路阀最大流量的前提下，改进后的阀芯增加了小流量控制区间，提高了多路阀的微动性能。
（4）基于液控阀前补偿负载敏感多路阀提出了一种抗流量饱和原理，并建立了抗饱和模块的数学模型，通过仿真分析解决了抗饱和出现的负载口流量波动和抗饱和性能差等问题，实现了负载敏感系统的抗饱和。
参考文献（略）