工程機械液壓系統(tǒng)的控制方式
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引言
工程機械在連續(xù)作業(yè)中，其作業(yè)負(fù)荷的變化比較大。例如，推土機在作業(yè)時，作業(yè)負(fù)荷會從0變到無窮大，在這種情況下，發(fā)動機為了滿足大負(fù)荷下的動力要求以及小負(fù)荷下的經(jīng)濟要求，就必須對其所輸出的功率進行調(diào)整。同時，工程機械在操作過程中，一般需要協(xié)同作業(yè)。例如，在挖掘機進行裝車作業(yè)時，動臂、斗桿、鏟斗和回轉(zhuǎn)需要協(xié)同作業(yè)，因而需要對工程機械的傳動和控制系統(tǒng)做出調(diào)節(jié)，使其驅(qū)動部件的位置，滿足速度需求。此外，在工程機械工作中，機械被要求既能夠進行大功率輸出，也能夠進行精細(xì)化動作。比如，起重機在進行吊重時，要做到大功率輸出，在吊裝時，又要實現(xiàn)微動作。綜上所述，工程機械的傳動和控制系統(tǒng)需要具有良好的動力性、經(jīng)濟性、和調(diào)速性。
1工程機械的液壓傳動與控制系統(tǒng)分析
液壓系統(tǒng)在獲得能源時，需要將發(fā)動機輸出的機械能在液壓泵的作用下轉(zhuǎn)化為液壓能。液壓泵輸出的能量，會受到液壓閥的調(diào)節(jié)和分配。系統(tǒng)的壓力、流量和方向也會受到液壓閥的調(diào)節(jié)和控制。此外，液壓閥還可以對功率支流的絕對值和相對值進行控制。在機械能轉(zhuǎn)化為液壓能后，液壓馬達和液壓缸又會把液壓能轉(zhuǎn)化為機械能，以達到操作機械工作的目的。如果要實現(xiàn)對工程機械的動力、節(jié)能、和作業(yè)效率的控制，就需要通過調(diào)節(jié)液壓泵的排量和發(fā)動機的轉(zhuǎn)速以及控制閥的開度來實現(xiàn)。
2液壓系統(tǒng)的功率控制方式分析
壓力和流量是液壓系統(tǒng)的功率形式，液壓功率用公示可以表示為:P0=pq/60，在式中，P0為液壓功率;p為液壓系統(tǒng)壓力;q為液壓系統(tǒng)流量。液壓系統(tǒng)工作時，負(fù)載的大小決定了其壓力的大小，因此壓力不是其液壓系統(tǒng)固有的參數(shù)，壓力是載荷的一種反應(yīng)，而真正能夠?qū)σ簤合到y(tǒng)功率起到控制的是液壓系統(tǒng)的流量。因此，下面分別從液壓泵和液壓閥的流量控制來進行分析。液壓泵流量公式:q0=V．n，式中q0為液壓泵流量;n為液壓泵輸入轉(zhuǎn)速;V為液壓泵排量。
要改變機械的速度，就要改變其流量，而從公式中可以得知，流量的改變可以由改變液壓泵的排量和轉(zhuǎn)速來控制。如果采用液壓泵轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，稱之為變頻調(diào)速，如果采用液壓泵排量進行變速，稱之為容積速調(diào)。在工程機械的工作過程中，由于外在負(fù)荷變化會使發(fā)動機的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，而柴油機的轉(zhuǎn)速一般要求相對穩(wěn)定，如果轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，也要通過一定方式對其進行控制。因而，在控制液壓泵的流量時，在假設(shè)其轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的情況下，對液壓泵流量進行控制。液壓泵輸出的流量由液壓閥進行二次調(diào)節(jié)。在工程機械中，比例控制閥實際上屬于可變液阻，并聯(lián)液壓回路的泵側(cè)的壓力是相等的，各支路的流量是由并聯(lián)液阻的絕對值和相對值決定的，而這里的并聯(lián)液阻是由液壓閥構(gòu)成的。液壓閥的流量公式為式中，Q為液壓閥的流量;Cq為流量系數(shù);A為液壓閥的開度;Δp為液壓閥的壓降;ρ為液壓油的密度。
從公式中知道，液壓閥的開度和閥的壓降決定了液壓閥的流量，而液壓閥的壓降的決定因素是外部的負(fù)載，這種外在的負(fù)載是難以控制的，因此只有對液壓閥的開度進行控制才能實現(xiàn)對液壓閥流量的控制。但是，因為外在負(fù)荷因素的不穩(wěn)定，液壓閥壓降的變化也比較大，造成的誤差也難以控制，這種誤差不僅大，而且，因為液壓閥壓降還跟機械裝置的姿態(tài)和工作環(huán)境有關(guān)，其壓降的變化難以通過其他手段來控制。所以如果是通過開度對液壓閥的流量進行控制，從而控制執(zhí)行機構(gòu)的速度和位置是不理想的。
3液壓系統(tǒng)的流量控制方式
通過以上分析可以得知，要實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的流量控制，就需要對液壓泵的排量和液壓閥的開度進行調(diào)節(jié)，即泵控調(diào)速和閥控調(diào)速。泵控調(diào)速的過程中，液壓系統(tǒng)不存在流量和功率的損失，泵控調(diào)速是以改變液壓泵排量實現(xiàn)的，在調(diào)節(jié)液壓泵的斜盤傾角時，推動斜盤、柱塞等原件和摩擦副需要一定的響應(yīng)時間。閥控調(diào)速要實現(xiàn)對流量的控制，就要改變并聯(lián)回路間的相對液阻，其中的大部分流量對外做功，多余的流量則回到油箱，多余的這部分流量就屬于被浪費的流量。可見泵控調(diào)速比閥控調(diào)速的經(jīng)濟性能好。但是，在改變液壓閥的開度時，通過將電磁鐵推動閥芯就能實現(xiàn)，而且，液壓閥的運動質(zhì)量比閥芯的質(zhì)量要大很多，其響應(yīng)的速度會比較快。
在工程機械中，液壓閥電磁鐵的響應(yīng)頻率為10Hz左右，高速電磁鐵的響應(yīng)頻率能超過20Hz，可見，這兩種控制方式是優(yōu)勢互補。將二者的優(yōu)勢進行結(jié)合，就會成為一種不錯的流量控制方式。而目前，先進的工程機械液壓系統(tǒng)的流量控制就采用液壓泵和比例閥結(jié)合的方式，形成優(yōu)勢互補，在液壓系統(tǒng)作業(yè)時，首先是變量泵根據(jù)工作需求來確定首次排量，首次排量比需求的流量會多上20L/min以上，然后，比例閥會對流量進行二次修正，實現(xiàn)速度控制。采用泵控和閥控的方式目前有負(fù)流量控制，正流量控制，負(fù)載敏感控制。負(fù)流量控制見圖1。從圖1可以看出，采用負(fù)流量控制，主閥中位的流量控制著變量泵的排量，而且這兩者的變化方向相反。正流量控制方式見圖2。
從圖2中可以看出，采用正流量控制方式，同一個信號在控制著液壓泵的排量和液壓閥的開度，而這能夠有效提高液壓系統(tǒng)響應(yīng)速度。從圖3中可以看出，采用負(fù)載敏感方式，主閥的壓降控制著液壓泵的排量，而壓降與操作信號和最大的外在負(fù)載有關(guān)系，這種控制方式將操作者的預(yù)期速度和外負(fù)載速度限制結(jié)合在一起。在現(xiàn)實中，工程機械根據(jù)用途和要求的不同而采用不同的流量控制方式，如果是對響應(yīng)速度要求不高的，就可以采用單純的泵控系統(tǒng)，如起重機。如果對機械性能要求不高，但是要求快速反應(yīng)，就采用閥控系統(tǒng)，如小型挖掘機。除此外，某些工程電子泵具有較高的響應(yīng)特性、線性度和重復(fù)精度，可以實現(xiàn)對液壓泵的精確流量的控制。某些工程用的伺服液壓缸，可以實現(xiàn)速度和位移的精確控制。
4結(jié)束語
通過分析可知，要實現(xiàn)對工程機械液壓系統(tǒng)的功率控制，主要是對液壓系統(tǒng)流量進行控制，通過控制液壓泵的排量和液壓閥的開度，從而實現(xiàn)對流量的控制。而目前比較好的液壓控制方式是結(jié)合了泵控和閥控的優(yōu)點，實現(xiàn)操作的經(jīng)濟性和快速性。但是，工程機械中液壓泵的排量因為是開環(huán)控制，排量的精度不高，而比例閥的流量控制精度受壓力的影響比較大，可見泵控和閥控結(jié)合的控制方式在速度和經(jīng)濟上有不錯的效果，但是在經(jīng)濟性上還存在缺陷，這也是以后工程機械液壓系統(tǒng)發(fā)展的方向。
