電液比例技術(shù)在工程機(jī)械上的應(yīng)用綜述

(聊城大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，山東 聊 城 2 52059)

電液比例控制技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的機(jī)電傳動控制的一門新技術(shù)，其使用方便，試用面廣，抗干擾能力強(qiáng)，性價比高。同時，在液壓傳動及控制技術(shù)的發(fā)展過程中，電液比例控制也是繼電液伺服控制之后電液控制的又一大重要進(jìn)展。電液伺服技術(shù)首先用于航空，繼而用于一些重要工業(yè)設(shè)備的自動控制，迄今己臻成熟，在國內(nèi)的各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。自60年代末期開始，電液比例技術(shù)得到了迅速發(fā)展。本文針對電液比例控制應(yīng)用中電液比例閥的工作原理，對比例閥的負(fù)載感應(yīng)和壓力補(bǔ)償原理進(jìn)行了分析，特別是在工程機(jī)械的先導(dǎo)控制和遙控方面的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

1 電液比例控制系統(tǒng)概述

1.1 電液比例控制系統(tǒng)的構(gòu)成

一般來說，電液比例控制系統(tǒng)是由電子放大及校正單元、電液比例控制單元(比例閥，電液比例變量泵及液動機(jī))、動力執(zhí)行單元及動力源、工程負(fù)載及信號檢測處理單元所構(gòu)成。系統(tǒng)可通過設(shè)置液壓和機(jī)械參數(shù)中間變量檢測反饋閉環(huán)，或者通過動力執(zhí)行單元輸出參數(shù)檢測反饋閉環(huán)，改善其靜態(tài)控制精度和動態(tài)品質(zhì)。信號處理可以采用模擬電子電路或數(shù)字式集成電路。數(shù)字式集成電路在精讀、可靠性、穩(wěn)定性等項均占有優(yōu)勢，其成本也越來越低廉，故應(yīng)用日趨廣泛。

1.2 電液比例控制系統(tǒng)的分類

（1）開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)

如按系統(tǒng)的控制方式分類，可將系統(tǒng)分為開環(huán)控制與閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的兩種最基本的形式。

開環(huán)系統(tǒng)就是系統(tǒng)的整個輸出對整個系統(tǒng)的輸入沒有影響的系統(tǒng)。其控制信號與輸出信號僅有前向通道，而沒有反饋通道。其輸入是事先設(shè)定的，與輸出無關(guān)，系統(tǒng)的精度由事先校準(zhǔn)精度來控制。

閉環(huán)控制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)之間的區(qū)別是多了一條從輸出端到輸入端的反饋通道。系統(tǒng)的輸出信號通過反饋系統(tǒng)反饋到輸入端，和輸入信號相比較后得到偏差信號作為控制系統(tǒng)的輸入，反饋系統(tǒng)的作用便是減少系統(tǒng)的輸出偏差，這樣就可以得到比較好的控制效果。

（2）恒值系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)

按輸入信號的形式可將系統(tǒng)分為恒值系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)。

恒值系統(tǒng)是指參考輸入量保持常值的系統(tǒng)。其任務(wù)是消除或減少擾動信號對系統(tǒng)輸出的影響，使被控量保持在給定或希望的數(shù)值上。如工業(yè)控制中的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和位置控制系統(tǒng)等。

隨動系統(tǒng)是指參考輸入量隨時間任意變化的系統(tǒng)。其任務(wù)是要求輸出量以一定的精度和速度跟蹤和速度跟蹤參考輸入量，跟蹤的速度和精度是隨動系統(tǒng)的兩項主要性能指標(biāo)。

（3）節(jié)流系統(tǒng)和容積控制系統(tǒng)

按功率調(diào)節(jié)元件的不同可分為節(jié)流控制系統(tǒng)和容積控制系統(tǒng)。

節(jié)流控制系統(tǒng)也稱為閥控系統(tǒng)，它是利用節(jié)流原理控制流入執(zhí)行元件的流量或壓力的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)中必有流量控制閥，同時也配有溢流閥。顯然，節(jié)流控制系統(tǒng)是通過能量損失來實現(xiàn)控制目的，所以必然效率較低。但是，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)控制閥很容易，系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力很強(qiáng)。

容積控制系統(tǒng)又可稱為泵控系統(tǒng)，它是利用比例變量泵改變結(jié)構(gòu)參數(shù)的辦法控制流入執(zhí)行元件的流量或壓力的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的特點是效率較高，發(fā)熱量小，系統(tǒng)剛度較好，一般用于功率較大的場合。但是，它的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，調(diào)節(jié)慣量較大，快速性不如節(jié)流控制系統(tǒng)。

1.3 電液比例控制系統(tǒng)的特點

與其它的液壓控制系統(tǒng)相比，電液比例控制系統(tǒng)主要具有以下特點:能簡單地實現(xiàn)自控、遙控和程控；工作平穩(wěn)，靈敏度和控制精度較高，成效快；可簡化液壓系統(tǒng)，減少元件使用，因此結(jié)構(gòu)簡單，同時抗污染能力強(qiáng)；系統(tǒng)的節(jié)能效果好；可連續(xù)地、按比例地控制液壓機(jī)構(gòu)的力、速度，并能防止壓力、速度變化或換向時的沖擊；能把電的快速性、靈活性及精確性等優(yōu)點同液壓動力傳動等特點有機(jī)地結(jié)合起來，智能化、集成化、自動化程度高。

2 工程機(jī)械上常用電液比例閥

電液比例閥包括：比例流量閥、比例壓力閥、比例換向閥。根據(jù)工程機(jī)械液壓操作的特點，以結(jié)構(gòu)形式劃分電液比例閥主要有兩類：一類是螺旋插裝式比例閥，另一類是滑閥式比例閥。

螺旋插裝式比例閥是通過螺紋將電磁比例插裝件固定在油路集成塊上的元件，螺旋插裝閥具有應(yīng)用靈活、節(jié)省管路和成本低廉等特點，近年來在工程機(jī)械上的應(yīng)用越來越廣泛。常用的螺旋插裝式比例閥有二通、三通、四通和多通等形式。二通式比例閥主要是比例節(jié)流閥，它常與其它元件一起構(gòu)成復(fù)合閥，對流量、壓力進(jìn)行控制；三通式比例閥主要是比例減壓閥，也是移動式機(jī)械液壓系統(tǒng)中應(yīng)用較多的比例閥，其主要是對液動操作多路閥的先導(dǎo)油路進(jìn)行操作。利用三通式比例減壓閥可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手動減壓式先導(dǎo)閥，其比手動的先導(dǎo)閥具有更多的靈活性和更高的控制精度。可以制成比例伺服控制手動多路閥，根據(jù)不同的輸入信號，減壓閥使輸出活塞具有不同的壓力或流量進(jìn)而實現(xiàn)對多路閥閥芯的位移進(jìn)行比例控制。四通或多通的螺旋插裝式比例閥可以對工作裝置實現(xiàn)單獨的控制。

滑閥式比例閥又稱分配閥，是移動式機(jī)械液壓系統(tǒng)最基本的元件之一，是能實現(xiàn)方向與流量調(diào)節(jié)的復(fù)合閥。電液滑閥式比例多路閥是比較理想的電液轉(zhuǎn)換控制元件，它不僅保留了手動多路閥的基本功能，還增加了位置電反饋的比例伺服操作和負(fù)載傳感等先進(jìn)的控制手段。所以它是工程機(jī)械分配閥的更新?lián)Q代產(chǎn)品。

3 工程機(jī)械最新電液比例技術(shù)

3.1 電液比例多路閥的負(fù)載傳感與壓力補(bǔ)償技術(shù)

為了節(jié)約能量、降低油溫和提高控制精度，同時也使同步動作的幾個執(zhí)行元件在運(yùn)動時互不干擾，現(xiàn)在較先進(jìn)的工程機(jī)械都采用了負(fù)載傳感與壓力補(bǔ)償技術(shù)。負(fù)載傳感與壓力補(bǔ)償是一個很相似的概念，都是利用負(fù)載變化引起的壓力變化去調(diào)節(jié)泵或閥的壓力與流量以適應(yīng)系統(tǒng)的工作需求。負(fù)載傳感對定量泵系統(tǒng)來講是將負(fù)載壓力通過負(fù)載感應(yīng)油路引至遠(yuǎn)程調(diào)壓的溢流閥上，當(dāng)負(fù)載較小時，溢流閥調(diào)定壓力也較小；負(fù)載較大時，調(diào)定壓力也較大，但也始終存在一定的溢流損失。對于變量泵系統(tǒng)是將負(fù)載傳感油路引入到泵的變量機(jī)構(gòu)，使泵的輸出壓力隨負(fù)載壓力的升高而升高，使泵的輸出流量與系統(tǒng)的實際需要流量相等，無溢流損失，實現(xiàn)了節(jié)能。

壓力補(bǔ)償是為了提高閥的控制性能而采取的一種保證措施。將閥口后的負(fù)載壓力引入壓力補(bǔ)償閥，壓力補(bǔ)償閥對閥口前的壓力進(jìn)行調(diào)整使閥口前后的壓差為常值，這樣根據(jù)節(jié)流口的流量調(diào)節(jié)特性流經(jīng)閥口的流量大小就只與該閥口的開度有關(guān)，而不受負(fù)載壓力的影響。

3.2 工程機(jī)械電液比例閥的先導(dǎo)控制與遙控

電液比例閥和其它專用器件的技術(shù)進(jìn)步使工程車輛擋位、轉(zhuǎn)向、制動和工作裝置等各種系統(tǒng)的電氣控制成為現(xiàn)實。對于一般需要位移輸出的機(jī)構(gòu)可采用比例伺服控制手動多路閥驅(qū)動器完成。電氣操作具有響應(yīng)快，布線靈活，可實現(xiàn)集成控制和與計算機(jī)接口容易等優(yōu)點，所以現(xiàn)代工程機(jī)械液壓閥已越來越多地采用電控先導(dǎo)控制的電液比例閥代替手動直接操作或液壓先導(dǎo)控制的多路閥。采用電液比例閥的另一個顯著優(yōu)點是在工程車輛上可以大大減少操作手柄的個數(shù)，這不但使駕駛室布置簡潔，而且能夠有效降低操作復(fù)雜性，對提高作業(yè)質(zhì)量和效率都具有重要的實際意義。

隨著數(shù)字式無線通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了性能穩(wěn)定、工作可靠、適用于工程機(jī)械的無線遙控系統(tǒng)，布置在移動機(jī)械上的遙控接收裝置可以將接收到的無線電信號轉(zhuǎn)換為控制電液比例閥的比例信號和控制電液開關(guān)閥的開關(guān)信號，以及控制其它裝置的相應(yīng)信號，使得原來手動操作的各個元件都能接受遙控電信號的指令并進(jìn)行相應(yīng)動作，此時的工程機(jī)械實際上已成為遙控型的工程機(jī)械。

無線遙控發(fā)射與接收系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于多種工程機(jī)械的遙控改造。從安全角度考慮，它發(fā)射的每條數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)指令都具有一組特別的系統(tǒng)地址碼，這種地址碼廠家只使用一次。每個接收機(jī)只對有相同地址碼的發(fā)射信號有反應(yīng)，其它無線信號即使是同頻率信號也不會對接收裝置產(chǎn)生影響，其它安全措施的采用使系統(tǒng)的可靠性得到了充分的保障。在裝載機(jī)、鑿巖機(jī)、混凝土泵車、高空作業(yè)車和橋梁檢修車等多種移動式機(jī)械的遙控改造中獲得成功。工業(yè)遙控裝置與電液比例閥相得益彰，電液比例閥為工程機(jī)械的遙控化提供了可行的接口，遙控裝置又使電液比例閥得以發(fā)揮更大的作用。

4 結(jié)束語

電液比例控制系統(tǒng)具有可靠、易控、節(jié)能、廉價、精度高，工作平穩(wěn)等明顯而獨特的優(yōu)點，其將會在各個工程領(lǐng)域得到越來越廣泛、深入的應(yīng)用和發(fā)展。

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