| 0引言
液壓傳動與控制技術(shù)由于其結(jié)構(gòu)簡單、輸出重量比大、反應(yīng)靈敏、傳動平穩(wěn)、響應(yīng)快等特點在農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械、鋼鐵工業(yè)等領(lǐng)域得到了用、傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)由于其采用了一根閥芯同時控制著進(jìn)、出II油路，產(chǎn)生了多余的節(jié)流損失，導(dǎo)致了系統(tǒng)能耗大、效率低，因此，1987年德國的Backe教授提出了負(fù)載II獨立控制技術(shù)，即利用兩個獨立的閥分別控制著進(jìn)、出}}油路，從而盡量降低節(jié)流損失，達(dá)到節(jié)能的目的。此后，眾多學(xué)者對負(fù)載I獨立控制技術(shù)進(jìn)行了深入研究，在組合方式、控制方法、實驗研究上取得了一定成果。文獻(xiàn)提出了在負(fù)載獨立控制系統(tǒng)中利用機(jī)液壓差補償方法，不但可以提高系統(tǒng)的可靠性，而且具有一定的節(jié)能特性。
因此，木文將分析負(fù)載}}獨立液壓系統(tǒng)的工作原理及結(jié)構(gòu)特點，對比電液壓差補償方法和機(jī)液壓差補償方法的特點，采用機(jī)液壓差補償原理，選用相關(guān)液壓元件，設(shè)計基于機(jī)液壓差補償?shù)呢?fù)載II獨立控制閥及多執(zhí)行器液壓系統(tǒng)，并分析其工作原理，搭建試驗平臺、，結(jié)構(gòu)組成與工作原理
1.1傳統(tǒng)閥控液壓系統(tǒng)工作原理
傳統(tǒng)的閥控液壓系統(tǒng)普遍采用三位四通滑閥的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，利用一個多邊節(jié)流的控制閥芯同時控制著液壓執(zhí)行器的進(jìn)、出油路，在進(jìn)II節(jié)流調(diào)速的過程中，出同時進(jìn)行節(jié)流，這就造成了多余的出II節(jié)流損失，因此，傳統(tǒng)控制閥的結(jié)構(gòu)形式造成了重復(fù)節(jié)流損失，使得系統(tǒng)在一定程度上能耗上升，效率降低。同時，由于閥芯和閥體的結(jié)構(gòu)決定了中位機(jī)能，一旦控制閥確定，中位機(jī)能即確定，在實際的應(yīng)用過程中，中位機(jī)能不能隨著應(yīng)用工況的需求而改變，因此，傳統(tǒng)閥控系統(tǒng)的工況適應(yīng)性較差。
圖1 傳統(tǒng)的閥控液壓系統(tǒng)示意圖
2 負(fù)載口獨立液壓系統(tǒng)工作原理
負(fù)載II獨立液壓系統(tǒng)工作原理，如圖2所示，將原有的單個控制閥芯x，分別利用四個控制閥芯x,,x=,x,,x4替代，從而完成對液壓執(zhí)行器進(jìn)、出}}油路的獨立控制，根據(jù)液壓執(zhí)行器工況需求，通過不同的控制邏輯對相應(yīng)的施控制，在進(jìn)II控制閥節(jié)流調(diào)速控制的同時，出II控制閥進(jìn)行柔性控制，從而可以避免傳統(tǒng)閥控液壓系統(tǒng)中所出現(xiàn)的重復(fù)節(jié)流損失，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)能耗，實現(xiàn)閥控液壓系統(tǒng)節(jié)能、
圖2 負(fù)載II獨立液壓系統(tǒng)示意圖
1.3負(fù)載口獨立液壓系統(tǒng)布局形式
負(fù)載i獨立液壓系統(tǒng)的布局形式主要有兩種，如圖3所示，國內(nèi)外學(xué)者所研究的布局形式均是由這兩種布局形式進(jìn)行變形與改進(jìn)而來。圖3(a)所示為4-2/2型液壓布局形式，利用四個2/2比例閥進(jìn)行組合，控制1個液壓執(zhí)行器;圖3(b)所示為2-3/3型液壓布局形式，利用兩個3/3比例閥進(jìn)行組合，控制1個液壓執(zhí)行器。兩種布局形式各有特點，4-2/2型具有較高的控制柔性，可以實現(xiàn)多種中位機(jī)能，但是成木較高、控制難度較大;2-3/3型布局形式成木相對較低、控制難度相對小，但控制柔性較低，實現(xiàn)的中位機(jī)能種類較少。
圖3 兩種主要的布局形式
2 負(fù)載口獨立液壓系統(tǒng)運動控制方法
2.1 電液壓差補償方法
無論是傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)，還是新型的負(fù)載II獨立液壓系統(tǒng)，其中一個最為重要的功能是運動控制。運動控制是一個難點，國內(nèi)外學(xué)者在研究負(fù)載II獨立液壓系統(tǒng)時，多采用電液壓差補償方法‘所謂負(fù)載II獨立控制系統(tǒng)的電液壓差補償方法‘如圖4所示，通過3個壓力傳感器檢測進(jìn)II控制閥兩端的壓力、出II控制閥的壓力，計算閥II壓降，利用壓力—流量特性方程，根據(jù)實際工況，通過控制器對進(jìn)、出II控制閥的閥芯進(jìn)行柔性控制，從而實現(xiàn)變負(fù)載工況下液壓執(zhí)行器的運動控制。
然而，負(fù)載II獨立液壓系統(tǒng)是一個典型的多輸入多輸出控制系統(tǒng)，存在著壓力、流量的禍合控制，是一個復(fù)雜多變的控制系統(tǒng)。電液壓差補償方法多采用成木較高的比例伺服閥，通過內(nèi)置的閥芯位移傳感器檢測閥芯位移并以電反饋的方式實現(xiàn)壓力、流量的禍合控制，此種電液壓差補償方法復(fù)雜，計算量大，對控制器性能要求較高，并且需要大量的試驗進(jìn)行性能調(diào)試，因此，很難在現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)械中進(jìn)行推)‘一應(yīng)用，而工程機(jī)械或農(nóng)業(yè)機(jī)械中均采用沒有內(nèi)置閥芯位移傳感器的比例閥或開關(guān)閥，現(xiàn)有的研究不滿足應(yīng)用條件‘其工程應(yīng)用更進(jìn)一步受到了限制。
圖4 電液壓差補償方法
2.2液壓差補償方法
為了克服電液壓差補償方法的缺點，木文采用機(jī)液壓差補償方法，對負(fù)載II獨立液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。所謂機(jī)液壓差補償方法，如圖5所示，采用壓力補償器對進(jìn)II控制閥的壓差進(jìn)行補償，同時，通過2個壓力傳感器對進(jìn)、出II控制閥的壓力進(jìn)行檢測，通過控制器制定相應(yīng)的進(jìn)II控制閥和出II控制閥的控制方法、相比于電液壓差補償方法，減少了信號檢測點，避免了閥芯位移檢測，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性，便于變負(fù)載工況下控制策略的制定.便于今后在農(nóng)業(yè)機(jī)械及工程機(jī)械中進(jìn)行推廣應(yīng)用。
圖5 機(jī)液壓差補償方法
3 負(fù)載口獨立液壓系統(tǒng)設(shè)計
3.1 負(fù)載口獨立控制閥設(shè)計
根據(jù)前文所述，采用機(jī)液壓差補償方法，設(shè)計負(fù)載II獨立控制閥，原理圖和三維設(shè)計圖，如圖6所示。采用5個二位二通比例閥4作為主控制閥，可以實現(xiàn)相應(yīng)的邏輯控制、多種中位機(jī)能以及流量再生功能;采用壓力補償器5補償進(jìn)II閥兩端的前后壓差，從而實現(xiàn)流量穩(wěn)定控制;采用兩個二位三通換向閥2和梭閥6實現(xiàn)工作油腔的壓力傳遞到負(fù)載敏感口 LS ;采用兩個二次補油閥1，可以實現(xiàn)當(dāng)液壓執(zhí)行器兩腔吸空時進(jìn)行補油;采用保持閥3可以實現(xiàn)負(fù)載保持功能;除此以外，設(shè)置了兩個供油口,P1、p2，兩個負(fù)載敏感口 LS1 , LS2，兩個回油口 T1,T2，以及兩個測壓口Ma,Mb。
當(dāng)A口進(jìn)油、B口回油時，其工作原理如下二位二通比例閥4.3、二位二通比例閥4.5、二位三通換向閥2.1、保持閥3同時打開，則壓力油從供油}Ip.或P}進(jìn)油，經(jīng)過壓力補償器5，再經(jīng)過二位二通比例換向閥4.3達(dá)到All驅(qū)動液壓執(zhí)行器運動，通過BI}回油，經(jīng)過保持閥3，再經(jīng)過二位二通比例閥4.5到回油I I T,,T=，同時，A I I工作壓力通過二位三通換向閥2.2和2.1，一路流入補償器5的比較II，另一路通過梭閥6流回負(fù)載敏感LS，或LS。
當(dāng)B I I進(jìn)油、A I I回油時，其工作原理與上述工作原理相似所不同的是‘二位二通換向閥4.2和4.4工作。
圖6 負(fù)載ii獨立控制閥原理圖和三維設(shè)計圖
3.2多執(zhí)行器負(fù)載口獨立液壓系統(tǒng)設(shè)計
以挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)為例，設(shè)計多執(zhí)行器負(fù)載II獨立液壓系統(tǒng)，其他工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械與其類似。挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)負(fù)載II獨立液壓系統(tǒng)原理圖和實物圖如圖7、圖8所示。
挖掘機(jī)的工作機(jī)構(gòu)包括動臂、斗桿、鏟斗和回轉(zhuǎn)，對的液壓驅(qū)動執(zhí)行器為動臂液壓缸、斗桿液壓桿、鏟斗液壓缸和回轉(zhuǎn)馬達(dá)，對于負(fù)載獨立控制閥，最大的特點是其通用性，因此，可以選用同樣的負(fù)載II獨立控制閥進(jìn)行控制，如圖7所示，選用四組負(fù)載II獨立控制閥5.1 , 5.2 , 5.3和5.4分別控制動臂液壓缸、斗桿液壓桿、鏟斗液壓缸和回轉(zhuǎn)馬達(dá)，并將四組閥的供油、負(fù)載敏感 LS與負(fù)載敏感變量泵7的出油Ip、負(fù)載敏感I LS分別相連，將四組閥的回油與油箱相連，從而構(gòu)成了整個工作機(jī)構(gòu)的負(fù)載II獨立液壓系統(tǒng)回路、
圖7 挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)負(fù)載i獨立液壓系統(tǒng)原理圖
圖8 挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)負(fù)載ii獨立液壓系統(tǒng)實物圖
4結(jié)論
針對電液壓差補償方法計算量大、方法復(fù)雜、成木高等缺點，分析了機(jī)液壓差補償方法的特點，根據(jù)機(jī)液壓差補償原理，采用5個二位二通比例閥作為主控制閥，選用壓力補償器對進(jìn)ii控制閥兩端的壓差進(jìn)行補償，配以梭閥、換向閥、過載補油閥等液壓輔助元件‘設(shè)計了基于機(jī)液壓差補償?shù)呢?fù)載ii獨立控制閥‘并以挖掘機(jī)的工作機(jī)構(gòu)為例，設(shè)計了挖掘機(jī)多執(zhí)行器負(fù)載ii獨立液壓系統(tǒng)，并制造與安裝了相關(guān)液壓元件，搭建了試驗平臺，為后續(xù)負(fù)載ii獨立液壓系統(tǒng)的控制特性研究提供了良好基礎(chǔ)。 |
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