比例閥在混勻取料機料耙液壓系統(tǒng)中的運用

劉昌吉， 李遠慧， 陳新元， 付連東， 鄧江洪

（1.武漢鋼鐵公司 港務(wù)公司，武漢430082；2.武漢科技大學(xué) 機械自動化學(xué)院，武漢430081）

1 引 言

混勻取料機料耙驅(qū)動機構(gòu)由曲柄連桿驅(qū)動改為液壓系統(tǒng)驅(qū)動后，消除了減速機損壞、軸銷斷裂，減少了料耙開裂、耙齒磨損、脫落、牛腿變形等故障。但由于料耙自重大、負載也大，所以慣性大，而料耙成往復(fù)運動，運行速度較大、運行周期短，加速度也大，導(dǎo)致?lián)Q向沖擊大。這加快了液壓管道、液壓元件的損壞，針對上述問題，對原有液壓系統(tǒng)進行了改進。采用了壓力補償器加比例換向閥控制方案，PLC 輸出梯形指令信號，控制通過閥口的流量，從而調(diào)節(jié)換向時料耙的速度，減少沖擊。

2 改進后的液壓系統(tǒng)原理

改進后的液壓系統(tǒng)原理如圖1 所示。該液壓系統(tǒng)分為循環(huán)冷卻系統(tǒng)和主泵系統(tǒng)。

圖1 液壓系統(tǒng)原理圖

循環(huán)冷卻系統(tǒng)保證油液的清潔度和溫度在允許范圍內(nèi)。該系統(tǒng)采用三螺桿泵將油箱中的油吸出，經(jīng)10μm 的管路過濾器過濾、獨立式強制冷油冷卻裝置降溫后，送回油箱中。

主泵系統(tǒng)采用恒壓變量泵，高壓油經(jīng)板式過濾器過濾后，經(jīng)比例閥、壓力補償器進入油缸一腔，另一腔液壓油經(jīng)壓力補償器、比例閥回油箱，液壓油在回油箱之前經(jīng)箱上回油過濾器過濾。過濾器的過濾精度為10μm。在主泵出口裝有電磁溢流閥，控制系統(tǒng)壓力。

為了監(jiān)測油箱中液壓油量，在油箱上安裝了翻板式液位計，并設(shè)置高、低、極低三個液位點；為了保證系統(tǒng)的油液清潔度，在各過濾器上安裝了壓差發(fā)訊器，壓差值設(shè)定在0.25MPa；為了便于檢修，在主泵和三螺桿泵吸油口安裝了蝶閥，該蝶閥帶有限位開關(guān)，避免蝶閥未開而啟動泵，導(dǎo)致泵故障。

該系統(tǒng)的主要特點是采用了比例換向閥，閥的開口隨給定信號變化。但是比例換向閥只能起到節(jié)流作用，通過閥的流量隨壓差改變。在恒壓系統(tǒng)中，為了準(zhǔn)確控制通過比例閥的流量，必須保證負載壓力波動在很小的范圍內(nèi)。所以該系統(tǒng)中采用了雙出口壓力補償器，對負載壓力進行補償，保證比例閥的壓油口與回油口的壓差為恒定值。

3 改進后比例閥的電氣控制

圖2 比例換向閥控制信號曲線

改進后的系統(tǒng)電氣控制的關(guān)鍵在于比例換向閥的控制信號給定。它需要保證在料耙換向時，通過閥口的流量減少，換向后，通過閥口的流量迅速增加。綜合考慮料耙的運行速度、運行周期、現(xiàn)有泵的排量、電機功率、液壓元件性能，最終采用了梯形信號，見圖2。

該系統(tǒng)設(shè)置了4 個感應(yīng)式限位開關(guān)A、B、C、D，沿料耙運動方向，從左往右依次安裝，以監(jiān)測料耙的位置。將比例閥的控制信號曲線分成8 段，分別為a、b、c、d、e、f、g、h。當(dāng)料耙向右運動，經(jīng)過感應(yīng)開關(guān)A，料耙速度開始增加，比例閥給定信號按曲線a 增加；當(dāng)料耙向右運動，經(jīng)過感應(yīng)開關(guān)B，比例閥給定信號為b 段，是定值，料耙向右按設(shè)定最大速度勻速運行；當(dāng)料耙向右運動，經(jīng)過感應(yīng)開關(guān)C，比例閥給定信號為c 段，料耙向右減速運動；當(dāng)料耙經(jīng)過感應(yīng)開關(guān)D，比例閥信號發(fā)生跳躍，為d 段，然后信號為曲線e段，料耙反向加速；料耙向左運動經(jīng)過感應(yīng)開關(guān)C 后，比例閥信號保持在f 段，料耙向左勻速；料耙向左運行經(jīng)過感應(yīng)開關(guān)B 后，比例閥信號為曲線g 段，料耙向左減速；料耙向左經(jīng)過感應(yīng)開關(guān)A，比例閥信號按h 跳變后，料耙立刻反向，然后進入a 段，開始下一循環(huán)過程。

各加速、減速段信號，按時間的增加遞增或遞減，如a段，設(shè)定斜率k=10，時間間隔為Δt=100ms，信號初始值為i0。自A 被感應(yīng)開始計時，歷時為t，則x=t/Δt，比例閥給定信號為i=i0+kx，由于比例閥有死區(qū)，因此初始值i0應(yīng)在該值附近設(shè)定。

由于料耙運動的方向與比例方向閥的工位對應(yīng)，因此可以根據(jù)上一短時間段比例閥的控制信號所在范圍來判斷料耙的運動方向。

該系統(tǒng)采用控制器為施耐德Quantum 系列PLC，編程語言LL984，比例閥控制曲線a 段的程序如圖3 所示。

圖3

4 改進后的比例系統(tǒng)

改進后的比例系統(tǒng)在使用過程中，沖擊明顯減小。通過利用NI USB-6009，對A 腔、B 腔、泵出口壓力進行測量，將測量值和給出閥信號值在同一坐標(biāo)圖中顯示，如圖4，橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為測量值。

由圖4 可知，（1）料耙的運動周期約為8.2s，符合工藝需要；（2）由于壓力補償器的作用，料耙接近換向時，兩腔壓差波動小，油缸平穩(wěn)減速；換向時，工作腔、回油腔壓力同時升高，這是壓力補償器對回油口形成背壓達到的，沖擊減小；(3)料耙運動時，負載變化造成油缸工作腔壓力連續(xù)較大的變化，而回油腔壓力在1MPa 左右輕微波動，但機構(gòu)小車在比例閥的驅(qū)動下做平穩(wěn)的運動。（4）換向時，泵出口壓力過高，可以通過適當(dāng)降低溢流閥設(shè)定值降低泵出口壓力。

圖4 改進后壓力測試曲線

圖5 改進后壓差測試曲線

比例閥信號控制通過現(xiàn)場調(diào)試，利用程序進行了優(yōu)化。調(diào)試前的系統(tǒng)工作曲線如圖5 所示，波動曲線為油缸兩腔的壓差曲線。4 處與3 處壓差比較，4 處壓差也應(yīng)平滑下降，但實際4 處壓差先快速上升后才下降，且最大壓差明顯高于3 處，對應(yīng)分析比例閥信號曲線，2 處信號值比1 處信號值略大，即換向時，在信號2 處系統(tǒng)流量略大于信號1 處流量，對機構(gòu)運動的速度影響不大，但增加了沖擊。因此，程序調(diào)試，減低比例閥在換向點2 處的信號，降低系統(tǒng)流量，消除沖擊，改善了機構(gòu)運動。

5 結(jié) 語

換向沖擊是運動速度快、換向頻繁、負載大的設(shè)備存在的主要問題之一，換向沖擊大大減少元件的壽命，加速密封失效，導(dǎo)致泄漏等，同時影響設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)采用比例換向閥與壓力補償器代替電液換向閥后，系統(tǒng)沖擊顯著減小，設(shè)備故障率進一步降低。該方式可以作為其它重載、高速、換向頻繁的設(shè)備液壓系統(tǒng)設(shè)計的借鑒。

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