工程機(jī)械多路閥控制的研究

工程機(jī)械多路閥控制的研究

多路換向閥技術(shù)該項(xiàng)目的重要組成部分是中國(guó)裝備制造業(yè)的重要組成部分。該項(xiàng)目用于建設(shè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、采礦和其他國(guó)家的主要產(chǎn)業(yè)。這是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱。近十年,我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)發(fā)展迅速,據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)工程機(jī)械產(chǎn)銷量2009年已經(jīng)躍居世界首位,2010年的全行業(yè)銷售額超過了4000億元。但我國(guó)工程機(jī)械的核心控制元件多路閥技術(shù)基礎(chǔ)較弱,長(zhǎng)期依賴進(jìn)口,極大制約了工程機(jī)械產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和升級(jí)。多路換向閥簡(jiǎn)稱多路閥,它以兩個(gè)或者兩個(gè)以上的換向閥為主體,集換向閥、過載閥、單向閥、制動(dòng)閥和補(bǔ)油閥等于一體的多功能的集成閥。具有結(jié)構(gòu)緊湊,管路連接簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),在工程機(jī)械中得到了廣泛應(yīng)用。早期工程機(jī)械多路閥采用手動(dòng)操作,不僅操作強(qiáng)度大,而且使整機(jī)布局困難,逐漸被更加靈活的液控和電液控制所取代。為了提高工程機(jī)械的效率,多路閥和正流量、負(fù)流量等結(jié)合,實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)負(fù)載流量,進(jìn)而控制泵排量,減少旁路回油功率損失,提高工程機(jī)械效率。針對(duì)易受負(fù)載變化影響的缺點(diǎn),采用負(fù)載補(bǔ)償技術(shù)保持控制閥口壓差近似不變,從而解決負(fù)載壓力和油源壓力波動(dòng)的干擾問題。負(fù)載補(bǔ)償使系統(tǒng)壓力與負(fù)載相匹配,最大限度降低能耗。當(dāng)負(fù)載敏感系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)流量需求超過泵的最大流量時(shí)會(huì)出現(xiàn)流量無法正常分配問題,通過采用負(fù)載獨(dú)立流量分配技術(shù)(LUDV)能夠有效解決。隨著控制技術(shù)的提高,負(fù)載口獨(dú)立控制的電液比例多路閥得到了應(yīng)用,豐富了控制方式,進(jìn)一步提高了系統(tǒng)柔性和節(jié)能效果。隨著數(shù)字技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,數(shù)字控制多路閥得到了快速發(fā)展,自動(dòng)化程度和智能性都得到了較大提高,具備了實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)、自我檢測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)控等能力,危險(xiǎn)工作區(qū)域無線遙控作業(yè)也都得以實(shí)現(xiàn)。1與先進(jìn)控制技術(shù)的組合多路閥技術(shù)不斷的發(fā)展,從最早期的手動(dòng)六通多路閥逐漸與液壓控制技術(shù)、電液比例控制技術(shù)和先進(jìn)負(fù)載獨(dú)立控制技術(shù)等相結(jié)合,在控制性能、節(jié)能效果方面都得到了快速發(fā)展。1.1多聯(lián)式多路閥早期的多路閥是手動(dòng)六通多路閥,其單聯(lián)工作原理如圖1所示。P和P1為進(jìn)油口,A和B為回油口,液壓系統(tǒng)采用定量泵供油。手動(dòng)式多路閥有串聯(lián)和并聯(lián)兩種形式。串聯(lián)式多路閥C口與下一聯(lián)的進(jìn)油口相連,多路閥只能單聯(lián)進(jìn)行工作。并聯(lián)式多路閥的下一聯(lián)進(jìn)口油與該聯(lián)進(jìn)油口相連,可保證多聯(lián)同時(shí)動(dòng)作。在多路閥閥芯處于中位時(shí),高壓油從C口回油,當(dāng)閥芯動(dòng)作時(shí),中位回油口逐漸關(guān)閉,P口流量通過A口或B口進(jìn)入執(zhí)行器中。這種手動(dòng)多路閥在工作中過程中中位油路逐漸關(guān)閉,執(zhí)行元件運(yùn)行平穩(wěn),沖擊較小。操作簡(jiǎn)單,但是這種手動(dòng)式多路閥同時(shí)存在控制壓力低,流量小,中位損失較大,易受負(fù)載影響等缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的手動(dòng)液壓多路閥多通過直接相連或者鋼絲軟軸連接到閥桿端來操縱換向。搬動(dòng)換向閥的手柄需要克服換向閥的彈簧力,液動(dòng)力,摩擦力等。所以操作強(qiáng)度大。此外這種手動(dòng)多路閥采用機(jī)械機(jī)構(gòu)控制,設(shè)計(jì)布局困難。但是手動(dòng)多路閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,目前在小型工程機(jī)械中仍有使用。1.2合理的系統(tǒng)模型傳統(tǒng)多路閥系統(tǒng)采用定量泵供油,多余流量將通過溢流閥進(jìn)入油箱,系統(tǒng)能量損耗嚴(yán)重,同時(shí)油溫上升,會(huì)導(dǎo)致整個(gè)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏量增加,機(jī)械卡死等各種問題。隨著液壓節(jié)能技術(shù)的發(fā)展,負(fù)流量控制,正流量控制,負(fù)載敏感控制等技術(shù)分別應(yīng)用于多路閥的控制中。這些控制方法在對(duì)多路閥的節(jié)能特性,控制特性等均有較好的改善。1正流量控制法節(jié)流控制技術(shù)分為負(fù)流量控制和正流量控制兩種。負(fù)流量控制是由某公司20世紀(jì)80年代應(yīng)用在PC系列挖掘機(jī)上的一種控制技術(shù)。負(fù)流量控制的工作原理如圖2a中所示,將泵輸出的流量分成兩個(gè)部分,一部分進(jìn)入執(zhí)行器中,為有效流量,另一部分通過多路閥的中位回油口回入油箱。在多路閥的中位回油處設(shè)置節(jié)流口,將節(jié)流口前端的壓力值用于控制泵的排量。當(dāng)通過中位回油的流量增大時(shí)節(jié)流口前端的p1值增加,則控制泵的排量變小。泵的變量機(jī)構(gòu)的控制壓力與泵的排量成反比關(guān)系。這種控制方法能夠有效的起到節(jié)能的效果。但是由于在回油口增加了節(jié)流口的設(shè)置增加了回油損失。同時(shí),這種控制方法存在較大的滯后,響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。正流量控制是在負(fù)流量控制上,改變反饋壓力點(diǎn)的選取點(diǎn)而構(gòu)成的。正流量控制用先導(dǎo)壓力直接作為控制信號(hào)對(duì)液壓泵的排量進(jìn)行控制,其工作原理如圖2b所示。系統(tǒng)實(shí)時(shí)的檢測(cè)a1,a2,b1,b2的先導(dǎo)壓力值,并且通過梭閥取得先導(dǎo)壓力中的最高值,將最高值作為控制信號(hào)來控制液壓泵的排量,以使系統(tǒng)的流量供應(yīng)能夠動(dòng)態(tài)跟隨執(zhí)行元件的流量需求。這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)是執(zhí)行器不工作時(shí),液壓泵只需保持很小的備用流量即可,有效的降低了泵的空流損失。同時(shí),負(fù)流量控制相比,取消了旁路節(jié)流裝置,降低了回油背壓,有效的提高了節(jié)能效果。2負(fù)載獨(dú)立流量控制ludv為了解決六通多路閥容易受壓差影響,負(fù)載變化時(shí)操作不穩(wěn)定的問題,上世紀(jì)80年代開始,負(fù)載敏感技術(shù)(LS)應(yīng)用于多路閥系統(tǒng)中。多路閥的負(fù)載敏感是指系統(tǒng)壓力總是和壓力最高聯(lián)負(fù)載相適應(yīng)。負(fù)載敏感的原理如圖3a所示,在多路閥處于中位時(shí),泵輸出的流量由定差溢流閥回油。當(dāng)多路閥動(dòng)作時(shí),通過檢測(cè)負(fù)載的壓力,通過該壓力調(diào)節(jié)液壓泵的出口流量,使得泵的工作壓力總比負(fù)載壓力高出一個(gè)固定的壓力值,定差減壓。當(dāng)有多個(gè)負(fù)載時(shí),可以通過梭閥組選擇其中的最大負(fù)載作為控制壓力。這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)在于其節(jié)流損失減少很多,因此系統(tǒng)的效率提高。但是這種控制方法不具備抗飽和能力,當(dāng)閥口開度過大,使系統(tǒng)要求的流量超出泵的供油能力時(shí),泵的輸出壓力下降,這將導(dǎo)致進(jìn)入最高負(fù)載執(zhí)行器的流量減少,最高負(fù)載回路上的執(zhí)行元件速度將會(huì)降低直到停止運(yùn)動(dòng),使執(zhí)行器失去協(xié)調(diào)性。負(fù)載獨(dú)立流量分配技術(shù)的出現(xiàn)有效的解決了負(fù)載敏感控制不具備抗飽和能力的缺點(diǎn)。圖3b為負(fù)載獨(dú)立流量控制(LUDV)原理示意圖。LUDV控制方法有兩個(gè)特點(diǎn)。壓力補(bǔ)償閥設(shè)計(jì)在主閥之后,同時(shí),執(zhí)行器的最高壓力的信號(hào)傳遞給所有的壓力補(bǔ)償閥和液壓泵。當(dāng)各聯(lián)的執(zhí)行器負(fù)載不同時(shí),各聯(lián)主閥壓差Δp1=Δp2,Q=f(A,Δp)=f(A)。此時(shí)即可確保各聯(lián)流量分配與負(fù)載無關(guān),只與主閥開口大小成正比。這種控制方法有效的解決了流量分配問題,但是多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時(shí)動(dòng)作時(shí),液壓源的壓力僅與具有最高負(fù)載壓力的執(zhí)行器相適應(yīng),對(duì)其他執(zhí)行器來說,多余的壓力都損耗在了定差溢流閥上,壓力損失較大。采用液壓控制方式具有較好的節(jié)能效果,同時(shí)能夠一定程度的增加系統(tǒng)的設(shè)計(jì)靈活性,但是傳統(tǒng)的液壓控制方法中控制信號(hào)等均采用液壓管路形式傳輸,管路布局復(fù)雜。使用管路傳輸時(shí),液壓管路的容腔大,降低了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。當(dāng)控制油路較長(zhǎng)時(shí),壓力損失和壓力脈動(dòng)會(huì)導(dǎo)致控制信號(hào)出現(xiàn)延遲,擾動(dòng)等現(xiàn)象,會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)振動(dòng),甚至不穩(wěn)定。1.3電液控制技術(shù)隨著電液比例技術(shù)的成熟,傳感器技術(shù)的發(fā)展以及電液控制技術(shù)可靠性的提高,電液控制技術(shù)開始應(yīng)用于多路閥的控制中。電液控制技術(shù)在多路閥中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在在多路閥控制系統(tǒng)中引入電液控制技術(shù)以及利用電液比例技術(shù)精確的控制多路閥的閥芯位移等兩個(gè)方面。1電液控制技術(shù)在電液控制系統(tǒng)中,通常采用傳感器代替梭閥等元件檢測(cè)多路閥的系統(tǒng)壓力信息,將采集的壓力信號(hào)輸入至控制器中,用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。采用電液控制技術(shù)控制時(shí)采用電信號(hào)傳輸,有效的解決了液壓多路閥控制系統(tǒng)中存在的管路布局復(fù)雜,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難的問題,提高了多路閥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是靈活性。此外,采用傳感技術(shù)采集壓力能夠有效的避免液壓控制信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸,減小液壓容腔,有效的解決了液壓控制中存在的控制信號(hào)滯后,擾動(dòng)等問題。采用電液控制技術(shù)對(duì)多路閥系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)能夠在傳統(tǒng)控制方法上進(jìn)行改進(jìn)和組合提高多路閥系統(tǒng)的控制效果。文獻(xiàn)對(duì)多路閥的節(jié)能控制進(jìn)行了深入的研究,分析了負(fù)流量控制中改變節(jié)流口以及正流量控制中改變起始控制壓力點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的影響,并且對(duì)正負(fù)流量控制方法進(jìn)行了改進(jìn),提高了節(jié)流控制方法的控制特性。文獻(xiàn)將負(fù)流量控制與負(fù)荷傳感技術(shù)結(jié)合,提出了負(fù)流量負(fù)荷傳感控制技術(shù),在負(fù)流量控制的基礎(chǔ)上,使旁路回油設(shè)定壓力隨外負(fù)載的變化而變化,在減小多路閥旁路回油節(jié)流損失的同時(shí),提高了系統(tǒng)的操縱性。針對(duì)負(fù)流量控制只能較好地滿足節(jié)能性和特定條件下的調(diào)速性。而正流量控制只能滿足某些情況下的調(diào)速性和節(jié)能性,文獻(xiàn)中給出了正負(fù)流量復(fù)合控制方式,通過正流量控制和負(fù)流量控制分別得出兩個(gè)泵排量的控制指令,然后由其中的極小值作為控制信號(hào)控制泵的排量。文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)表明這種控制方法具有較好的節(jié)能性和可操作性。2電液比例多路閥應(yīng)用電液比例技術(shù)的多路閥被稱為電液比例多路閥,在近十年中,比例多路閥有明顯的增長(zhǎng)。其具有滿足工程機(jī)械使用中的電液控制與手動(dòng)兩種功能同時(shí)存在,具有比例調(diào)節(jié)的功能,滿足工程機(jī)械運(yùn)動(dòng)受控的要求,以及控制精度高,響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。多路閥采用電液比例先導(dǎo)控制,不但提高了執(zhí)行器的工作性能,更為進(jìn)一步的遠(yuǎn)控與無線遙控建立了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。比例多路閥的工作原理如圖4所示。多路換向閥的比例控制,是先導(dǎo)閥接受模擬或數(shù)字式信號(hào),控制出口油液的壓力和流量,驅(qū)使主閥芯與輸入量成比例地移動(dòng)或者由驅(qū)動(dòng)裝置直接驅(qū)動(dòng)主閥芯動(dòng)作,改變節(jié)流口截面積,從而控制多路閥工作油液的流量大小。電液比例多路閥的驅(qū)動(dòng)元件通常采用比例電磁鐵,音圈電機(jī)等進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。以比例電磁鐵驅(qū)動(dòng)為例,文獻(xiàn)提出的電磁比例多路閥采用比例電磁鐵作為先導(dǎo)壓力控制的驅(qū)動(dòng)元件,其工作原理如圖5所示。該多路閥由主閥,控制油缸和電磁比例換向閥(先導(dǎo)閥)組成。比例電磁鐵通入一定直流電流時(shí),先導(dǎo)閥芯在電磁鐵的推動(dòng)下移動(dòng)與輸入電流信號(hào)成比例的位移,先導(dǎo)閥從而輸出相應(yīng)比例流量的壓力油到控制油缸的工作腔,控制油缸在壓力油的作用下帶動(dòng)主閥芯移動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)主閥的換向。隨后,數(shù)字控制技術(shù)開始在多路閥上應(yīng)用,數(shù)字式多路閥較電液比例多路閥而言,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,抗污染能力強(qiáng),抗干擾能力好等特點(diǎn)。數(shù)字式多路閥中通常采用步進(jìn)電機(jī)或開關(guān)閥作為驅(qū)動(dòng)元件,控制多路閥的閥芯動(dòng)作。以美國(guó)SAUERDANFOSS公司的PVG數(shù)字式多路閥為例它以數(shù)字閥為先導(dǎo)閥實(shí)現(xiàn)對(duì)多路閥的比例控制,其工作原理如圖6所示。電液控制單元輸入系列脈沖電壓,閥在工作過程中不停地開關(guān)動(dòng)作,輸出系列脈沖流量。調(diào)節(jié)脈寬占空比,控制輸出的脈沖流量的大小,得到與占空比成比例的脈沖流量。此脈沖流量作為導(dǎo)閥的控制量,輸入主閥芯的左右控制容腔,經(jīng)過控制容腔的積分過程使主閥芯產(chǎn)生成比例的位移,主閥出口就獲得了與導(dǎo)閥輸入占空比成比例的流量。1.4負(fù)載口獨(dú)立技術(shù)負(fù)載獨(dú)立口控制技術(shù)由德國(guó)Backé教授提出,負(fù)載獨(dú)立口控制是采用兩個(gè)換向閥分別控制進(jìn)出口的流量和壓力。這種控制方法改變了傳統(tǒng)換向閥中進(jìn)出口節(jié)流面積關(guān)聯(lián),出油側(cè)需要加入平衡閥或者節(jié)流閥增加背壓的結(jié)構(gòu),兩個(gè)閥芯的開口度可以分別進(jìn)行控制,這種控制方法使多路閥的控制靈活性和節(jié)能效果有了進(jìn)一步的提高。如2008年Husco公司展出的基于負(fù)載獨(dú)立口控制技術(shù)的新型挖掘機(jī),其節(jié)能性能較傳統(tǒng)挖掘機(jī)提高了25%。隨著電液控制技術(shù)的成熟,負(fù)載獨(dú)立口控制技術(shù)與電液控制技術(shù)結(jié)合成為了多路閥研究的一個(gè)重要趨勢(shì)。瑞典李雪平大學(xué)提出用四個(gè)錐閥控制一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方法,經(jīng)理論研究可以獲得良好的控制性能和節(jié)能效果。Illinois大學(xué)用對(duì)五個(gè)雙向滑閥分別獨(dú)立控制,實(shí)現(xiàn)普通比例方向閥的功能。丹麥的Aalborg大學(xué)對(duì)獨(dú)立控制策略以及閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)負(fù)載口獨(dú)立控制性能的影響進(jìn)行了研究。美國(guó)Purdue大學(xué)的Binho和Husco公司的SongLiu用5個(gè)高速開關(guān)閥組成控制閥組,通過軟件編程控制方式,對(duì)5個(gè)高速開關(guān)閥進(jìn)行邏輯控制,實(shí)現(xiàn)能量回收,降低系統(tǒng)工作壓力,同時(shí)對(duì)5個(gè)開關(guān)閥的聯(lián)動(dòng)控制特性進(jìn)行研究,采用魯棒自適應(yīng)控制策略來保證閥組在受到外界干擾因素的作用下能保持穩(wěn)定,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。目前研究負(fù)載口獨(dú)立技術(shù)的國(guó)外公司主要有Husco公司、美國(guó)EATON公司等。Husco公司推出的基于負(fù)載口獨(dú)立技術(shù)的系統(tǒng)稱為ICOVA系統(tǒng),其采用獨(dú)立的電液比例錐閥(EHPV)取代傳統(tǒng)的三位四通滑閥,和傳統(tǒng)系統(tǒng)不同之處在于,該種類型的閥可以根據(jù)操作者的指令,通過執(zhí)行器端口壓力來調(diào)節(jié)閥的開度,并通過J1939總線進(jìn)行信號(hào)傳遞控制,提高了整個(gè)系統(tǒng)的控制柔度和系統(tǒng)的節(jié)能性能,由于錐閥良好的密封性能,可以避免由于使用平衡閥帶來的不穩(wěn)定性。EATON公司推出的負(fù)載獨(dú)立口多路閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)口和出口各有一個(gè)獨(dú)立的兩位三通閥控制,各進(jìn)油口和回油口均裝有壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)壓力,位移傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)主閥芯位移并將監(jiān)測(cè)到的壓力和位移信號(hào)實(shí)時(shí)反饋到控制器,構(gòu)成閉環(huán)控制。其結(jié)構(gòu)如圖7所示,該多路閥各聯(lián)的先導(dǎo)壓力分別采用音圈電機(jī)進(jìn)行控制,內(nèi)置微處理器可以根據(jù)實(shí)際負(fù)載通過編程的方式改變控制策略達(dá)到優(yōu)良的控制性能和效率。負(fù)載獨(dú)立口控制的多路閥控制靈活性增加的同時(shí),也給控制帶來了一定的困難,如單執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性問題,變載荷,變工況時(shí)執(zhí)行器進(jìn)油口壓力補(bǔ)償問題,以及多執(zhí)行器復(fù)合控制時(shí)各執(zhí)行器的流量分配問題等將是后續(xù)對(duì)負(fù)載獨(dú)立口控制研究中需要解決的難題。2多路閥在其他領(lǐng)域?qū)⑹且粋€(gè)跨21世紀(jì)基礎(chǔ)建設(shè)的需求量不斷加大,工程機(jī)械的需求量將越來越大。多路閥作為工程機(jī)械中的核心元件,也將有進(jìn)一步的發(fā)展。隨著工程機(jī)械對(duì)工作能力,操作性能,節(jié)能效率,可靠性,環(huán)保性的要求不斷提高,多路閥的發(fā)展將與電子技術(shù),信息技術(shù),自動(dòng)控制理論,新材料,新工藝等其他領(lǐng)域的技術(shù)成果想結(jié)合。對(duì)多路閥的研究將呈現(xiàn)以下一些特點(diǎn)。1多路閥基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)高壓,大流量是多路閥發(fā)展的一個(gè)重要方向,這對(duì)多路閥的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)提出了更高的要求,需要在多路閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),加工工藝上進(jìn)行研究,進(jìn)一步提高工程機(jī)械的功率密度,滿足其整機(jī)布局緊湊的要求。2比例多路閥的元件比例控制能夠有效提高工程機(jī)械的整體控制性能,是工程多路閥的重要發(fā)展趨勢(shì),因此比例多路閥的驅(qū)動(dòng)元件例如比例電磁鐵,音圈電機(jī),步進(jìn)電機(jī)等影響多路閥性能的重要元件的研究可有效的提高多路閥的整體性能。3