回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的加載系統(tǒng)設計

高　翔，王　迪，孫立強，趙明敏，李　凡

（克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學院，新疆克拉瑪依834000）

回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的加載系統(tǒng)設計

高翔，王迪，孫立強，趙明敏，李凡

（克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學院，新疆克拉瑪依834000）

對泵控馬達或閥控馬達這一回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的加載方式進行分析對比。在此基礎上，對加載方式中應用頻率最高的電液比例溢流閥和節(jié)流閥加載系統(tǒng)的組成、工作原理和適用場合進行詳盡的分析闡述，以期在工程技術(shù)人員對加載裝置的選擇和搭建方面起到積極作用。

加載方式；比例溢流閥；比例節(jié)流閥；適用場合

現(xiàn)場試驗搬到室內(nèi)試驗臺上模擬已成為試驗技術(shù)重要的發(fā)展方向，而要完成這一工作就需要模擬現(xiàn)場工況［1］。搭建出合理的加載裝置，在室內(nèi)試驗臺上模擬被加載系統(tǒng)實際工作中遇到的各種工況，使負載或能隨機呈現(xiàn)或能按某一規(guī)律呈現(xiàn)，這非常有助于提高試驗的可控性和準確性，從而通過加載試驗完成對被加載系統(tǒng)各種性能的準確測評。本文對回轉(zhuǎn)系統(tǒng)泵控馬達或閥控馬達系統(tǒng)的加載方式進行了分析討論。在此基礎上，對加載方式中加載效果好、應用頻次高的電液比例溢流閥和節(jié)流閥加載系統(tǒng)進行了設計，并對它們的組成、工作原理及適用場合做了詳細的分析闡述。

1　加載系統(tǒng)的分類

對回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進行加載即對系統(tǒng)執(zhí)行元件馬達加載，實質(zhì)上就是利用加載系統(tǒng)改變馬達輸出軸上的扭矩。機械加載與液壓加載方法在工程實際中應用較多。但機械加載效果不好，加載過程不具備可控制性，并且只能使負載呈現(xiàn)簡單規(guī)律，應用局限性很大。

相比于機械加載，液壓加載憑借其結(jié)構(gòu)簡單、可實現(xiàn)長距離操控、能連續(xù)加載等優(yōu)勢而在工業(yè)控制領域被廣泛應用［2］。液壓加載依靠液壓閥、液壓泵、加載油缸和加載泵等元件搭建成一系統(tǒng)，將其輸出力作用到馬達上，從而增大馬達輸出軸上的扭矩，實現(xiàn)加載。普通的節(jié)流閥或溢流閥加載、電液比例閥加載和伺服閥加載是目前應用較廣的方式。

（1）伺服閥加載：實驗人員可利用輸入伺服閥電信號的變化實現(xiàn)自動控制加載的全過程。伺服閥加載效果好，控制精度高、響應快，加載力靈活多變，優(yōu)勢明顯［3］。但伺服閥加載系統(tǒng)也有其明顯劣勢。表1羅列了伺服閥與比例閥的特性。從表1可知，伺服閥非常精密，對制造精度的要求都相當高，因此，抗污染能力很差，對油液的清潔度要求很高，并且伺服閥結(jié)構(gòu)較為復雜，性價比不高，保養(yǎng)和維護難度大。

表1　電液控制閥特性對比

（2）比例閥加載：相比于伺服閥，比例閥精密度降低，對制造精度的要求降低，并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡化，因此，比例閥加載系統(tǒng)對油液的潔凈程度要求相對較低，維護與保養(yǎng)也相對簡單、成本低［4］。

（3）普通的節(jié)流閥或溢流閥加載：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最簡單并且對閥的加工制造精度要求最低，因而系統(tǒng)成本最低，也最便于維護，存在的不足是無法利用電信號控制，因而無法實現(xiàn)自動控制加載過程。

在對回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進行加載裝置的設計時，設計人員可以根據(jù)用戶不同的需求條件，選擇能滿足加載要求且經(jīng)濟性又好的液壓加載方式。

2　比例閥加載系統(tǒng)的設計

在上述三種液壓加載方式中，電液比例閥加載憑借其能夠?qū)崿F(xiàn)加載過程的自動控制，抗污染能力強等優(yōu)勢而應用最為廣泛。比例閥加載，因其核心元件比例閥的不同，可分為比例溢流閥和比例節(jié)流閥加載。下面針對回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，設計出兩種比例閥加載系統(tǒng)并對它們的組成、工作原理及適用場合進行詳盡的分析闡述。

2.1比例溢流閥加載系統(tǒng)的組成、原理及適用場合

電液比例溢流閥加載系統(tǒng)如圖1示，被加載系統(tǒng)為一回轉(zhuǎn)系統(tǒng)。二次元件DS1是一個伺服變量泵，在系統(tǒng)中被用作加載泵，由馬達驅(qū)動。DS1可實現(xiàn)正反兩個方向旋轉(zhuǎn)。選擇DS1作為加載泵的一個重要原因九是它可以為液壓馬達提供雙向加載。P1為供油泵，為二次元件單元DS1供油。BYA1為比例溢流閥，其進油口與DS1出油口相通。

圖1　比例溢流閥加載原理圖

電信號輸入到比例溢流閥的比例放大器中，通過控制電信號來實現(xiàn)控制比例溢流閥中彈簧的預壓縮量，進而控制閥口的開啟壓力。BYA1進油口與DS1出油口接通，BYA1閥口開啟壓力和DS1出油口壓力保持一致，因而BYA1閥口開啟壓力升高或降低到某一值，DS1出油口壓力也會升高或降低到某一值。而DS1出油口的壓力值又決定了回轉(zhuǎn)系統(tǒng)執(zhí)行元件馬達輸出軸上模擬載荷的大小，這樣，就由DS1出油口的壓力值控制了馬達輸出軸上的模擬載荷，完成了對系統(tǒng)的加載。

在加載時，增大輸入BYA1的電信號值，BYA1閥口開啟壓力變大到與電信號值相對應的量，馬達輸出軸上的模擬載荷跟著增大，馬達轉(zhuǎn)速便會降低。馬達帶動DS1旋轉(zhuǎn)，DS1轉(zhuǎn)速必然也會下降，在DS1排量保持不變的情況下，其輸出流量必然會減小。效果好的加載過程要求DS1出口的流量基本恒定，因而要求DS1能夠根據(jù)轉(zhuǎn)速的升高或降低自動減小或增大其排量。這是DS1選用變量泵的一個關鍵因素。因為較大流量通過比例溢流閥時會引起大的壓力波動與溫升，所以比例溢流閥加載多用于DS1小流量輸出的場合。

2.2比例節(jié)流閥加載系統(tǒng)的組成、原理及適用場合

比例節(jié)流閥加載系統(tǒng)如圖2示，比例節(jié)流閥BYA2與二次元件DS1構(gòu)成加載系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)為回轉(zhuǎn)系統(tǒng)加載，BYA2的出油口與油箱接通，它的進油口與DS1出油口接通。

圖2　比例節(jié)流閥加載原理圖

比例節(jié)流閥加載依據(jù)的是節(jié)流方程：Q=KA（xv）系統(tǒng)加載采用恒流加載，通過BYA2的流量Q為恒定值，控制閥芯的位置來控制閥口的通流面積A（xv）.流量Q恒定，通流面積增大或減小使得BYA2閥口壓差Δp隨之減小或增大。因為BYA2的出油口壓力為零，所以閥口壓差值就是BYA2進油口的壓力值。BYA2進油口壓力與DS1出油口壓力保持一致，而BYA2進油口壓力升高或降低到某一值，DS1出油口壓力也會升高或降低到某一值。而DS1出油口的壓力值又決定了回轉(zhuǎn)系統(tǒng)執(zhí)行元件馬達輸出軸上模擬載荷的大小，這樣，就由DS1出油口的壓力值控制了馬達輸出軸上的模擬載荷，完成了對系統(tǒng)的加載。

BYA2閥口全開時，輸入的電信號最大。在進行比例閥加載前要求BYA2閥口全開，因此需要先輸入最大電信號，在加載開始后再逐步調(diào)節(jié)電信號，控制BYA2閥口開度，使之在全開與全閉間變化。加載時，BYA2閥口開度控制的越小，馬達輸出軸上的模擬載荷就越大，但是閥口開度過小時BYA2兩端壓差變化的非線性較明顯，這將導致加載的幅度產(chǎn)生大的波動。

節(jié)流方程是比例節(jié)流閥加載的依據(jù)，當通過節(jié)流閥的流量過小時，通流面積的變化所能引起的閥口壓差的變化很有限，而當通過節(jié)流閥的流量較大時，通流面積的變化所能引起的閥口壓差的變化很大，加載效果好，因此比例節(jié)流閥加載多用于DS1大流量輸出的場合。

3　結(jié)束語

加載裝置能夠模擬系統(tǒng)負載，是實驗室必不可少的一個環(huán)節(jié)，同時也廣泛應用與工業(yè)控制領域。文對加載方式進行了分析介紹，并對應用頻率最高的電液比例閥加載系統(tǒng)進行了設計，對其組成、原理作了詳盡的闡述。更進一步地，對兩種比例閥加載方式應用場合的不同作了本質(zhì)上的揭示，為今后工程設計人員選擇加載方式和搭建加載系統(tǒng)起到一定的指導作用。比例閥加載系統(tǒng)現(xiàn)已應用在國內(nèi)某些高校的液壓試驗臺上，實踐證明，加載效果良好。

［1］高翔.電液比例閥加載系統(tǒng)參數(shù)辨識與模糊PID控制策略研究［D］.西安：長安大學，2014.

［2］路甬祥，胡大宏.電液比例控制技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1988.

［3］許益民.電液比例控制系統(tǒng)分析與設計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［4］吳根茂，邱敏秀.新編實用電液比例技術(shù)［M］.杭州：浙江大學出版社，2006.

Study on Loading Method of Rotary System

GAO Xiang，WANG Di，SUN Li-qiang，ZHAOMing-min，LIFan
（Karamay Vocational and Technical College，Karamay Xinjiang 834000，China）

This paper analyze on loadingmethod of rotary system such as pump controlled motor or valve controlled motor.In this basis，the paper makes detailed analysis and elaboration on composition，working principle and applicable occasions of electro-hydraulic proportional relief valve and electro-hydraulic proportional throttle valve loading system which are most frequently applied in the loading method.So that it can play a positive role when engineers select and design a loading device.

loadingmethod；proportional relief valve；proportional throttle valve；applicable occasions

TH137

A

1672-545X（2016）06-0244-02

2016-03-20

高翔（1990-），男，江蘇徐州人，碩士研究生，助教，研究方向：液壓傳動與控制。