工程機(jī)械液壓系統(tǒng)的控制方式

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引言

工程機(jī)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(jī)在作業(yè)時(shí)，作業(yè)負(fù)荷會(huì)從0變到無(wú)窮大，在這種情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)為了滿足大負(fù)荷下的動(dòng)力要求以及小負(fù)荷下的經(jīng)濟(jì)要求，就必須對(duì)其所輸出的功率進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，工程機(jī)械在操作過(guò)程中，一般需要協(xié)同作業(yè)。例如，在挖掘機(jī)進(jìn)行裝車(chē)作業(yè)時(shí)，動(dòng)臂、斗桿、鏟斗和回轉(zhuǎn)需要協(xié)同作業(yè)，因而需要對(duì)工程機(jī)械的傳動(dòng)和控制系統(tǒng)做出調(diào)節(jié)，使其驅(qū)動(dòng)部件的位置，滿足速度需求。此外，在工程機(jī)械工作中，機(jī)械被要求既能夠進(jìn)行大功率輸出，也能夠進(jìn)行精細(xì)化動(dòng)作。比如，起重機(jī)在進(jìn)行吊重時(shí)，要做到大功率輸出，在吊裝時(shí)，又要實(shí)現(xiàn)微動(dòng)作。綜上所述，工程機(jī)械的傳動(dòng)和控制系統(tǒng)需要具有良好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、和調(diào)速性。

1工程機(jī)械的液壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)分析

液壓系統(tǒng)在獲得能源時(shí)，需要將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)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(huì)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(huì)受到液壓閥的調(diào)節(jié)和控制。此外，液壓閥還可以對(duì)功率支流的絕對(duì)值和相對(duì)值進(jìn)行控制。在機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能后，液壓馬達(dá)和液壓缸又會(huì)把液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，以達(dá)到操作機(jī)械工作的目的。如果要實(shí)現(xiàn)對(duì)工程機(jī)械的動(dòng)力、節(jié)能、和作業(yè)效率的控制，就需要通過(guò)調(diào)節(jié)液壓泵的排量和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以及控制閥的開(kāi)度來(lái)實(shí)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(shí)，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(lái)進(jìn)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(jī)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(lái)控制。如果采用液壓泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，稱(chēng)之為變頻調(diào)速，如果采用液壓泵排量進(jìn)行變速，稱(chēng)之為容積速調(diào)。在工程機(jī)械的工作過(guò)程中，由于外在負(fù)荷變化會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，而柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速一般要求相對(duì)穩(wěn)定，如果轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，也要通過(guò)一定方式對(duì)其進(jìn)行控制。因而，在控制液壓泵的流量時(shí)，在假設(shè)其轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的情況下，對(duì)液壓泵流量進(jìn)行控制。液壓泵輸出的流量由液壓閥進(jìn)行二次調(diào)節(jié)。在工程機(jī)械中，比例控制閥實(shí)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(duì)值和相對(duì)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(kāi)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(kāi)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(duì)液壓閥的開(kāi)度進(jìn)行控制才能實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓閥流量的控制。但是，因?yàn)橥庠谪?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?yàn)橐簤洪y壓降還跟機(jī)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(guò)其他手段來(lái)控制。所以如果是通過(guò)開(kāi)度對(duì)液壓閥的流量進(jìn)行控制，從而控制執(zhí)行機(jī)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(guò)以上分析可以得知，要實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)的流量控制，就需要對(duì)液壓泵的排量和液壓閥的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，即泵控調(diào)速和閥控調(diào)速。泵控調(diào)速的過(guò)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(shí)現(xiàn)的，在調(diào)節(jié)液壓泵的斜盤(pán)傾角時(shí)，推動(dòng)斜盤(pán)、柱塞等原件和摩擦副需要一定的響應(yīng)時(shí)間。閥控調(diào)速要實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的控制，就要改變并聯(lián)回路間的相對(duì)液阻，其中的大部分流量對(duì)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(fèi)的流量?？梢?jiàn)泵控調(diào)速比閥控調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性能好。但是，在改變液壓閥的開(kāi)度時(shí)，通過(guò)將電磁鐵推動(dòng)閥芯就能實(shí)現(xiàn)，而且，液壓閥的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量比閥芯的質(zhì)量要大很多，其響應(yīng)的速度會(huì)比較快。

在工程機(jī)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(guò)20Hz，可見(jiàn)，這兩種控制方式是優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。將二者的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行結(jié)合，就會(huì)成為一種不錯(cuò)的流量控制方式。而目前，先進(jìn)的工程機(jī)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(shì)互補(bǔ)，在液壓系統(tǒng)作業(yè)時(shí)，首先是變量泵根據(jù)工作需求來(lái)確定首次排量，首次排量比需求的流量會(huì)多上20L/min以上，然后，比例閥會(huì)對(duì)流量進(jìn)行二次修正，實(shí)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(jiàn)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(jiàn)圖2。

從圖2中可以看出，采用正流量控制方式，同一個(gè)信號(hào)在控制著液壓泵的排量和液壓閥的開(kāi)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(hào)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(shí)中，工程機(jī)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(duì)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(jī)。如果對(duì)機(jī)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(jī)。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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)速度和位移的精確控制。

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析可知，要實(shí)現(xiàn)對(duì)工程機(jī)械液壓系統(tǒng)的功率控制，主要是對(duì)液壓系統(tǒng)流量進(jìn)行控制，通過(guò)控制液壓泵的排量和液壓閥的開(kāi)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(diǎn)，實(shí)現(xiàn)操作的經(jīng)濟(jì)性和快速性。但是，工程機(jī)械中液壓泵的排量因?yàn)槭情_(kāi)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(jiàn)泵控和閥控結(jié)合的控制方式在速度和經(jīng)濟(jì)上有不錯(cuò)的效果，但是在經(jīng)濟(jì)性上還存在缺陷，這也是以后工程機(jī)械液壓系統(tǒng)發(fā)展的方向。