工程机械多路阀控制的研究

工程机械多路阀控制的研究

多路换向阀技术该项目的重要组成部分是中国装备制造业的重要组成部分。该项目用于建设、农业、林业、采矿和其他国家的主要产业。这是经济发展的重要支柱。近十年,我国工程机械行业发展迅速,据统计我国工程机械产销量2009年已经跃居世界首位,2010年的全行业销售额超过了4000亿元。但我国工程机械的核心控制元件多路阀技术基础较弱,长期依赖进口,极大制约了工程机械产业的发展和升级。多路换向阀简称多路阀,它以两个或者两个以上的换向阀为主体,集换向阀、过载阀、单向阀、制动阀和补油阀等于一体的多功能的集成阀。具有结构紧凑,管路连接简单等优点,在工程机械中得到了广泛应用。早期工程机械多路阀采用手动操作,不仅操作强度大,而且使整机布局困难,逐渐被更加灵活的液控和电液控制所取代。为了提高工程机械的效率,多路阀和正流量、负流量等结合,实时检测系统负载流量,进而控制泵排量,减少旁路回油功率损失,提高工程机械效率。针对易受负载变化影响的缺点,采用负载补偿技术保持控制阀口压差近似不变,从而解决负载压力和油源压力波动的干扰问题。负载补偿使系统压力与负载相匹配,最大限度降低能耗。当负载敏感系统的执行机构流量需求超过泵的最大流量时会出现流量无法正常分配问题,通过采用负载独立流量分配技术(LUDV)能够有效解决。随着控制技术的提高,负载口独立控制的电液比例多路阀得到了应用,丰富了控制方式,进一步提高了系统柔性和节能效果。随着数字技术的进一步发展,数字控制多路阀得到了快速发展,自动化程度和智能性都得到了较大提高,具备了实时调节、自我检测和远程监控等能力,危险工作区域无线遥控作业也都得以实现。1与先进控制技术的组合多路阀技术不断的发展,从最早期的手动六通多路阀逐渐与液压控制技术、电液比例控制技术和先进负载独立控制技术等相结合,在控制性能、节能效果方面都得到了快速发展。1.1多联式多路阀早期的多路阀是手动六通多路阀,其单联工作原理如图1所示。P和P1为进油口,A和B为回油口,液压系统采用定量泵供油。手动式多路阀有串联和并联两种形式。串联式多路阀C口与下一联的进油口相连,多路阀只能单联进行工作。并联式多路阀的下一联进口油与该联进油口相连,可保证多联同时动作。在多路阀阀芯处于中位时,高压油从C口回油,当阀芯动作时,中位回油口逐渐关闭,P口流量通过A口或B口进入执行器中。这种手动多路阀在工作中过程中中位油路逐渐关闭,执行元件运行平稳,冲击较小。操作简单,但是这种手动式多路阀同时存在控制压力低,流量小,中位损失较大,易受负载影响等缺点。传统的手动液压多路阀多通过直接相连或者钢丝软轴连接到阀杆端来操纵换向。搬动换向阀的手柄需要克服换向阀的弹簧力,液动力,摩擦力等。所以操作强度大。此外这种手动多路阀采用机械机构控制,设计布局困难。但是手动多路阀结构简单,目前在小型工程机械中仍有使用。1.2合理的系统模型传统多路阀系统采用定量泵供油,多余流量将通过溢流阀进入油箱,系统能量损耗严重,同时油温上升,会导致整个液压系统出现泄漏量增加,机械卡死等各种问题。随着液压节能技术的发展,负流量控制,正流量控制,负载敏感控制等技术分别应用于多路阀的控制中。这些控制方法在对多路阀的节能特性,控制特性等均有较好的改善。1正流量控制法节流控制技术分为负流量控制和正流量控制两种。负流量控制是由某公司20世纪80年代应用在PC系列挖掘机上的一种控制技术。负流量控制的工作原理如图2a中所示,将泵输出的流量分成两个部分,一部分进入执行器中,为有效流量,另一部分通过多路阀的中位回油口回入油箱。在多路阀的中位回油处设置节流口,将节流口前端的压力值用于控制泵的排量。当通过中位回油的流量增大时节流口前端的p1值增加,则控制泵的排量变小。泵的变量机构的控制压力与泵的排量成反比关系。这种控制方法能够有效的起到节能的效果。但是由于在回油口增加了节流口的设置增加了回油损失。同时,这种控制方法存在较大的滞后,响应时间较长。正流量控制是在负流量控制上,改变反馈压力点的选取点而构成的。正流量控制用先导压力直接作为控制信号对液压泵的排量进行控制,其工作原理如图2b所示。系统实时的检测a1,a2,b1,b2的先导压力值,并且通过梭阀取得先导压力中的最高值,将最高值作为控制信号来控制液压泵的排量,以使系统的流量供应能够动态跟随执行元件的流量需求。这种控制方法的优点是执行器不工作时,液压泵只需保持很小的备用流量即可,有效的降低了泵的空流损失。同时,负流量控制相比,取消了旁路节流装置,降低了回油背压,有效的提高了节能效果。2负载独立流量控制ludv为了解决六通多路阀容易受压差影响,负载变化时操作不稳定的问题,上世纪80年代开始,负载敏感技术(LS)应用于多路阀系统中。多路阀的负载敏感是指系统压力总是和压力最高联负载相适应。负载敏感的原理如图3a所示,在多路阀处于中位时,泵输出的流量由定差溢流阀回油。当多路阀动作时,通过检测负载的压力,通过该压力调节液压泵的出口流量,使得泵的工作压力总比负载压力高出一个固定的压力值,定差减压。当有多个负载时,可以通过梭阀组选择其中的最大负载作为控制压力。这种控制方法的优点在于其节流损失减少很多,因此系统的效率提高。但是这种控制方法不具备抗饱和能力,当阀口开度过大,使系统要求的流量超出泵的供油能力时,泵的输出压力下降,这将导致进入最高负载执行器的流量减少,最高负载回路上的执行元件速度将会降低直到停止运动,使执行器失去协调性。负载独立流量分配技术的出现有效的解决了负载敏感控制不具备抗饱和能力的缺点。图3b为负载独立流量控制(LUDV)原理示意图。LUDV控制方法有两个特点。压力补偿阀设计在主阀之后,同时,执行器的最高压力的信号传递给所有的压力补偿阀和液压泵。当各联的执行器负载不同时,各联主阀压差Δp1=Δp2,Q=f(A,Δp)=f(A)。此时即可确保各联流量分配与负载无关,只与主阀开口大小成正比。这种控制方法有效的解决了流量分配问题,但是多个执行机构同时动作时,液压源的压力仅与具有最高负载压力的执行器相适应,对其他执行器来说,多余的压力都损耗在了定差溢流阀上,压力损失较大。采用液压控制方式具有较好的节能效果,同时能够一定程度的增加系统的设计灵活性,但是传统的液压控制方法中控制信号等均采用液压管路形式传输,管路布局复杂。使用管路传输时,液压管路的容腔大,降低了系统的动态响应特性。当控制油路较长时,压力损失和压力脉动会导致控制信号出现延迟,扰动等现象,会导致系统的响应振动,甚至不稳定。1.3电液控制技术随着电液比例技术的成熟,传感器技术的发展以及电液控制技术可靠性的提高,电液控制技术开始应用于多路阀的控制中。电液控制技术在多路阀中的应用主要体现在在多路阀控制系统中引入电液控制技术以及利用电液比例技术精确的控制多路阀的阀芯位移等两个方面。1电液控制技术在电液控制系统中,通常采用传感器代替梭阀等元件检测多路阀的系统压力信息,将采集的压力信号输入至控制器中,用于对系统进行控制。采用电液控制技术控制时采用电信号传输,有效的解决了液压多路阀控制系统中存在的管路布局复杂,结构设计困难的问题,提高了多路阀系统的设计是灵活性。此外,采用传感技术采集压力能够有效的避免液压控制信号的长距离传输,减小液压容腔,有效的解决了液压控制中存在的控制信号滞后,扰动等问题。采用电液控制技术对多路阀系统进行控制时能够在传统控制方法上进行改进和组合提高多路阀系统的控制效果。文献对多路阀的节能控制进行了深入的研究,分析了负流量控制中改变节流口以及正流量控制中改变起始控制压力点对系统的影响,并且对正负流量控制方法进行了改进,提高了节流控制方法的控制特性。文献将负流量控制与负荷传感技术结合,提出了负流量负荷传感控制技术,在负流量控制的基础上,使旁路回油设定压力随外负载的变化而变化,在减小多路阀旁路回油节流损失的同时,提高了系统的操纵性。针对负流量控制只能较好地满足节能性和特定条件下的调速性。而正流量控制只能满足某些情况下的调速性和节能性,文献中给出了正负流量复合控制方式,通过正流量控制和负流量控制分别得出两个泵排量的控制指令,然后由其中的极小值作为控制信号控制泵的排量。文献中实验表明这种控制方法具有较好的节能性和可操作性。2电液比例多路阀应用电液比例技术的多路阀被称为电液比例多路阀,在近十年中,比例多路阀有明显的增长。其具有满足工程机械使用中的电液控制与手动两种功能同时存在,具有比例调节的功能,满足工程机械运动受控的要求,以及控制精度高,响应速度快等优点。多路阀采用电液比例先导控制,不但提高了执行器的工作性能,更为进一步的远控与无线遥控建立了坚实基础。比例多路阀的工作原理如图4所示。多路换向阀的比例控制,是先导阀接受模拟或数字式信号,控制出口油液的压力和流量,驱使主阀芯与输入量成比例地移动或者由驱动装置直接驱动主阀芯动作,改变节流口截面积,从而控制多路阀工作油液的流量大小。电液比例多路阀的驱动元件通常采用比例电磁铁,音圈电机等进行驱动。以比例电磁铁驱动为例,文献提出的电磁比例多路阀采用比例电磁铁作为先导压力控制的驱动元件,其工作原理如图5所示。该多路阀由主阀,控制油缸和电磁比例换向阀(先导阀)组成。比例电磁铁通入一定直流电流时,先导阀芯在电磁铁的推动下移动与输入电流信号成比例的位移,先导阀从而输出相应比例流量的压力油到控制油缸的工作腔,控制油缸在压力油的作用下带动主阀芯移动,从而实现主阀的换向。随后,数字控制技术开始在多路阀上应用,数字式多路阀较电液比例多路阀而言,具有结构简单,抗污染能力强,抗干扰能力好等特点。数字式多路阀中通常采用步进电机或开关阀作为驱动元件,控制多路阀的阀芯动作。以美国SAUERDANFOSS公司的PVG数字式多路阀为例它以数字阀为先导阀实现对多路阀的比例控制,其工作原理如图6所示。电液控制单元输入系列脉冲电压,阀在工作过程中不停地开关动作,输出系列脉冲流量。调节脉宽占空比,控制输出的脉冲流量的大小,得到与占空比成比例的脉冲流量。此脉冲流量作为导阀的控制量,输入主阀芯的左右控制容腔,经过控制容腔的积分过程使主阀芯产生成比例的位移,主阀出口就获得了与导阀输入占空比成比例的流量。1.4负载口独立技术负载独立口控制技术由德国Backé教授提出,负载独立口控制是采用两个换向阀分别控制进出口的流量和压力。这种控制方法改变了传统换向阀中进出口节流面积关联,出油侧需要加入平衡阀或者节流阀增加背压的结构,两个阀芯的开口度可以分别进行控制,这种控制方法使多路阀的控制灵活性和节能效果有了进一步的提高。如2008年Husco公司展出的基于负载独立口控制技术的新型挖掘机,其节能性能较传统挖掘机提高了25%。随着电液控制技术的成熟,负载独立口控制技术与电液控制技术结合成为了多路阀研究的一个重要趋势。瑞典李雪平大学提出用四个锥阀控制一个执行机构的方法,经理论研究可以获得良好的控制性能和节能效果。Illinois大学用对五个双向滑阀分别独立控制,实现普通比例方向阀的功能。丹麦的Aalborg大学对独立控制策略以及阀的结构参数对负载口独立控制性能的影响进行了研究。美国Purdue大学的Binho和Husco公司的SongLiu用5个高速开关阀组成控制阀组,通过软件编程控制方式,对5个高速开关阀进行逻辑控制,实现能量回收,降低系统工作压力,同时对5个开关阀的联动控制特性进行研究,采用鲁棒自适应控制策略来保证阀组在受到外界干扰因素的作用下能保持稳定,并进行了实验验证。目前研究负载口独立技术的国外公司主要有Husco公司、美国EATON公司等。Husco公司推出的基于负载口独立技术的系统称为ICOVA系统,其采用独立的电液比例锥阀(EHPV)取代传统的三位四通滑阀,和传统系统不同之处在于,该种类型的阀可以根据操作者的指令,通过执行器端口压力来调节阀的开度,并通过J1939总线进行信号传递控制,提高了整个系统的控制柔度和系统的节能性能,由于锥阀良好的密封性能,可以避免由于使用平衡阀带来的不稳定性。EATON公司推出的负载独立口多路阀执行机构进口和出口各有一个独立的两位三通阀控制,各进油口和回油口均装有压力传感器实时检测压力,位移传感器实时检测主阀芯位移并将监测到的压力和位移信号实时反馈到控制器,构成闭环控制。其结构如图7所示,该多路阀各联的先导压力分别采用音圈电机进行控制,内置微处理器可以根据实际负载通过编程的方式改变控制策略达到优良的控制性能和效率。负载独立口控制的多路阀控制灵活性增加的同时,也给控制带来了一定的困难,如单执行器的动态稳定性问题,变载荷,变工况时执行器进油口压力补偿问题,以及多执行器复合控制时各执行器的流量分配问题等将是后续对负载独立口控制研究中需要解决的难题。2多路阀在其他领域将是一个跨21世纪基础建设的需求量不断加大,工程机械的需求量将越来越大。多路阀作为工程机械中的核心元件,也将有进一步的发展。随着工程机械对工作能力,操作性能,节能效率,可靠性,环保性的要求不断提高,多路阀的发展将与电子技术,信息技术,自动控制理论,新材料,新工艺等其他领域的技术成果想结合。对多路阀的研究将呈现以下一些特点。1多路阀基础结构的优化设计高压,大流量是多路阀发展的一个重要方向,这对多路阀的基础结构提出了更高的要求,需要在多路阀的结构优化设计,加工工艺上进行研究,进一步提高工程机械的功率密度,满足其整机布局紧凑的要求。2比例多路阀的元件比例控制能够有效提高工程机械的整体控制性能,是工程多路阀的重要发展趋势,因此比例多路阀的驱动元件例如比例电磁铁,音圈电机,步进电机等影响多路阀性能的重要元件的研究可有效的提高多路阀的整体性能。3