工程機械多路閥控制的研究

工程機械多路閥控制的研究

多路換向閥技術(shù)該項目的重要組成部分是中國裝備制造業(yè)的重要組成部分。該項目用于建設(shè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、采礦和其他國家的主要產(chǎn)業(yè)。這是經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱。近十年,我國工程機械行業(yè)發(fā)展迅速,據(jù)統(tǒng)計我國工程機械產(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。但我國工程機械的核心控制元件多路閥技術(shù)基礎(chǔ)較弱,長期依賴進口,極大制約了工程機械產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和升級。多路換向閥簡稱多路閥,它以兩個或者兩個以上的換向閥為主體,集換向閥、過載閥、單向閥、制動閥和補油閥等于一體的多功能的集成閥。具有結(jié)構(gòu)緊湊,管路連接簡單等優(yōu)點,在工程機械中得到了廣泛應(yīng)用。早期工程機械多路閥采用手動操作,不僅操作強度大,而且使整機布局困難,逐漸被更加靈活的液控和電液控制所取代。為了提高工程機械的效率,多路閥和正流量、負流量等結(jié)合,實時檢測系統(tǒng)負載流量,進而控制泵排量,減少旁路回油功率損失,提高工程機械效率。針對易受負載變化影響的缺點,采用負載補償技術(shù)保持控制閥口壓差近似不變,從而解決負載壓力和油源壓力波動的干擾問題。負載補償使系統(tǒng)壓力與負載相匹配,最大限度降低能耗。當(dāng)負載敏感系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)流量需求超過泵的最大流量時會出現(xiàn)流量無法正常分配問題,通過采用負載獨立流量分配技術(shù)(LUDV)能夠有效解決。隨著控制技術(shù)的提高,負載口獨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)的進一步發(fā)展,數(shù)字控制多路閥得到了快速發(fā)展,自動化程度和智能性都得到了較大提高,具備了實時調(diào)節(jié)、自我檢測和遠程監(jiān)控等能力,危險工作區(qū)域無線遙控作業(yè)也都得以實現(xiàn)。1與先進控制技術(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)和先進負載獨立控制技術(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六通多路閥,其單聯(lián)工作原理如圖1所示。P和P1為進油口,A和B為回油口,液壓系統(tǒng)采用定量泵供油。手動式多路閥有串聯(lián)和并聯(lián)兩種形式。串聯(lián)式多路閥C口與下一聯(lián)的進油口相連,多路閥只能單聯(lián)進行工作。并聯(lián)式多路閥的下一聯(lián)進口油與該聯(lián)進油口相連,可保證多聯(lián)同時動作。在多路閥閥芯處于中位時,高壓油從C口回油,當(dāng)閥芯動作時,中位回油口逐漸關(guān)閉,P口流量通過A口或B口進入執(zhí)行器中。這種手動多路閥在工作中過程中中位油路逐漸關(guān)閉,執(zhí)行元件運行平穩(wěn),沖擊較小。操作簡單,但是這種手動式多路閥同時存在控制壓力低,流量小,中位損失較大,易受負載影響等缺點。傳統(tǒng)的手動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。搬動換向閥的手柄需要克服換向閥的彈簧力,液動力,摩擦力等。所以操作強度大。此外這種手動多路閥采用機械機構(gòu)控制,設(shè)計布局困難。但是手動多路閥結(jié)構(gòu)簡單,目前在小型工程機械中仍有使用。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入油箱,系統(tǒng)能量損耗嚴(yán)重,同時油溫上升,會導(dǎo)致整個液壓系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏量增加,機械卡死等各種問題。隨著液壓節(jié)能技術(shù)的發(fā)展,負流量控制,正流量控制,負載敏感控制等技術(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)分為負流量控制和正流量控制兩種。負流量控制是由某公司20世紀(jì)80年代應(yīng)用在PC系列挖掘機上的一種控制技術(shù)。負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部分,一部分進入執(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,這種控制方法存在較大的滯后,響應(yīng)時間較長。正流量控制是在負流量控制上,改變反饋壓力點的選取點而構(gòu)成的。正流量控制用先導(dǎo)壓力直接作為控制信號對液壓泵的排量進行控制,其工作原理如圖2b所示。系統(tǒng)實時的檢測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來控制液壓泵的排量,以使系統(tǒng)的流量供應(yīng)能夠動態(tài)跟隨執(zhí)行元件的流量需求。這種控制方法的優(yōu)點是執(zhí)行器不工作時,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,負流量控制相比,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負載獨立流量控制ludv為了解決六通多路閥容易受壓差影響,負載變化時操作不穩(wěn)定的問題,上世紀(jì)80年代開始,負載敏感技術(shù)(LS)應(yīng)用于多路閥系統(tǒng)中。多路閥的負載敏感是指系統(tǒng)壓力總是和壓力最高聯(lián)負載相適應(yīng)。負載敏感的原理如圖3a所示,在多路閥處于中位時,泵輸出的流量由定差溢流閥回油。當(dāng)多路閥動作時,通過檢測負載的壓力,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載壓力高出一個固定的壓力值,定差減壓。當(dāng)有多個負載時,可以通過梭閥組選擇其中的最大負載作為控制壓力。這種控制方法的優(yōu)點在于其節(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,泵的輸出壓力下降,這將導(dǎo)致進入最高負載執(zhí)行器的流量減少,最高負載回路上的執(zhí)行元件速度將會降低直到停止運動,使執(zhí)行器失去協(xié)調(diào)性。負載獨立流量分配技術(shù)的出現(xiàn)有效的解決了負載敏感控制不具備抗飽和能力的缺點。圖3b為負載獨立流量控制(LUDV)原理示意圖。LUDV控制方法有兩個特點。壓力補償閥設(shè)計在主閥之后,同時,執(zhí)行器的最高壓力的信號傳遞給所有的壓力補償閥和液壓泵。當(dāng)各聯(lián)的執(zhí)行器負載不同時,各聯(lián)主閥壓差Δp1=Δp2,Q=f(A,Δp)=f(A)。此時即可確保各聯(lián)流量分配與負載無關(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,但是多個執(zhí)行機構(gòu)同時動作時,液壓源的壓力僅與具有最高負載壓力的執(zhí)行器相適應(yīng),對其他執(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,同時能夠一定程度的增加系統(tǒng)的設(shè)計靈活性,但是傳統(tǒng)的液壓控制方法中控制信號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,液壓管路的容腔大,降低了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性。當(dāng)控制油路較長時,壓力損失和壓力脈動會導(dǎo)致控制信號出現(xiàn)延遲,擾動等現(xiàn)象,會導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)振動,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多路閥的系統(tǒng)壓力信息,將采集的壓力信號輸入至控制器中,用于對系統(tǒng)進行控制。采用電液控制技術(shù)控制時采用電信號傳輸,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)計困難的問題,提高了多路閥系統(tǒng)的設(shè)計是靈活性。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的長距離傳輸,減小液壓容腔,有效的解決了液壓控制中存在的控制信號滯后,擾動等問題。采用電液控制技術(shù)對多路閥系統(tǒng)進行控制時能夠在傳統(tǒng)控制方法上進行改進和組合提高多路閥系統(tǒng)的控制效果。文獻對多路閥的節(jié)能控制進行了深入的研究,分析了負流量控制中改變節(jié)流口以及正流量控制中改變起始控制壓力點對系統(tǒng)的影響,并且對正負流量控制方法進行了改進,提高了節(jié)流控制方法的控制特性。文獻將負流量控制與負荷傳感技術(shù)結(jié)合,提出了負流量負荷傳感控制技術(shù),在負流量控制的基礎(chǔ)上,使旁路回油設(shè)定壓力隨外負載的變化而變化,在減小多路閥旁路回油節(jié)流損失的同時,提高了系統(tǒng)的操縱性。針對負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,文獻中給出了正負流量復(fù)合控制方式,通過正流量控制和負流量控制分別得出兩個泵排量的控制指令,然后由其中的極小值作為控制信號控制泵的排量。文獻中實驗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。其具有滿足工程機械使用中的電液控制與手動兩種功能同時存在,具有比例調(diào)節(jié)的功能,滿足工程機械運動受控的要求,以及控制精度高,響應(yīng)速度快等優(yōu)點。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,更為進一步的遠控與無線遙控建立了堅實基礎(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,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或者由驅(qū)動裝置直接驅(qū)動主閥芯動作,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)動元件通常采用比例電磁鐵,音圈電機等進行驅(qū)動。以比例電磁鐵驅(qū)動為例,文獻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,先導(dǎo)閥芯在電磁鐵的推動下移動與輸入電流信號成比例的位移,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主閥芯移動,從而實現(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)簡單,抗污染能力強,抗干擾能力好等特點。數(shù)字式多路閥中通常采用步進電機或開關(guān)閥作為驅(qū)動元件,控制多路閥的閥芯動作。以美國SAUERDANFOSS公司的PVG數(shù)字式多路閥為例它以數(shù)字閥為先導(dǎo)閥實現(xiàn)對多路閥的比例控制,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負載口獨立技術(shù)負載獨立口控制技術(shù)由德國Backé教授提出,負載獨立口控制是采用兩個換向閥分別控制進出口的流量和壓力。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),兩個閥芯的開口度可以分別進行控制,這種控制方法使多路閥的控制靈活性和節(jié)能效果有了進一步的提高。如2008年Husco公司展出的基于負載獨立口控制技術(shù)的新型挖掘機,其節(jié)能性能較傳統(tǒng)挖掘機提高了25%。隨著電液控制技術(shù)的成熟,負載獨立口控制技術(shù)與電液控制技術(shù)結(jié)合成為了多路閥研究的一個重要趨勢。瑞典李雪平大學(xué)提出用四個錐閥控制一個執(zhí)行機構(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)用對五個雙向滑閥分別獨立控制,實現(xiàn)普通比例方向閥的功能。丹麥的Aalborg大學(xué)對獨立控制策略以及閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)對負載口獨立控制性能的影響進行了研究。美國Purdue大學(xué)的Binho和Husco公司的SongLiu用5個高速開關(guān)閥組成控制閥組,通過軟件編程控制方式,對5個高速開關(guān)閥進行邏輯控制,實現(xiàn)能量回收,降低系統(tǒng)工作壓力,同時對5個開關(guān)閥的聯(lián)動控制特性進行研究,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,并進行了實驗驗證。目前研究負載口獨立技術(shù)的國外公司主要有Husco公司、美國EATON公司等。Husco公司推出的基于負載口獨立技術(shù)的系統(tǒng)稱為ICOVA系統(tǒng),其采用獨立的電液比例錐閥(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總線進行信號傳遞控制,提高了整個系統(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公司推出的負載獨立口多路閥執(zhí)行機構(gòu)進口和出口各有一個獨立的兩位三通閥控制,各進油口和回油口均裝有壓力傳感器實時檢測壓力,位移傳感器實時檢測主閥芯位移并將監(jiān)測到的壓力和位移信號實時反饋到控制器,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進行控制,內(nèi)置微處理器可以根據(jù)實際負載通過編程的方式改變控制策略達到優(yōu)良的控制性能和效率。負載獨立口控制的多路閥控制靈活性增加的同時,也給控制帶來了一定的困難,如單執(zhí)行器的動態(tài)穩(wěn)定性問題,變載荷,變工況時執(zhí)行器進油口壓力補償問題,以及多執(zhí)行器復(fù)合控制時各執(zhí)行器的流量分配問題等將是后續(xù)對負載獨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€跨21世紀(jì)基礎(chǔ)建設(shè)的需求量不斷加大,工程機械的需求量將越來越大。多路閥作為工程機械中的核心元件,也將有進一步的發(fā)展。隨著工程機械對工作能力,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。對多路閥的研究將呈現(xiàn)以下一些特點。1多路閥基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計高壓,大流量是多路閥發(fā)展的一個重要方向,這對多路閥的基礎(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,加工工藝上進行研究,進一步提高工程機械的功率密度,滿足其整機布局緊湊的要求。2比例多路閥的元件比例控制能夠有效提高工程機械的整體控制性能,是工程多路閥的重要發(fā)展趨勢,因此比例多路閥的驅(qū)動元件例如比例電磁鐵,音圈電機,步進電機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