電液比例控制技術(shù)在伸縮臂叉車中的應(yīng)用研究

洪啟升 何承元

摘 要：電液比例控制技術(shù)是介于普通液壓閥的開關(guān)控制技術(shù)和電液伺服控制技術(shù)之間的一種控制技術(shù)，它可實(shí)現(xiàn)液體壓力和流量連續(xù)按比例地跟隨控制信號(hào)而變化，可簡化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制、復(fù)雜程序控制，可提高液壓系統(tǒng)動(dòng)作的穩(wěn)定性和可靠性，可利用反饋提高控制精度，因此，電液比例控制技術(shù)是一種可靠、價(jià)廉的控制方式，已成為現(xiàn)代控制工程的基本技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。傳統(tǒng)伸縮臂叉車液壓系統(tǒng)主要采用液控多路換向閥、先導(dǎo)控制閥和液壓泵實(shí)現(xiàn)工作裝置的作業(yè)控制，其速度控制精度、系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性及自動(dòng)化程度受液控多路換向閥及先導(dǎo)控制閥的影響較大，系統(tǒng)較復(fù)雜。采用電液比例控制技術(shù)的伸縮臂叉車液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)簡單，可實(shí)現(xiàn)叉車工作裝置運(yùn)動(dòng)速度的連續(xù)、比例控制，控制性能好，可實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能和叉車的智能化作業(yè)。基于此，本文主要對(duì)電液比例控制技術(shù)在伸縮臂叉車中的應(yīng)用進(jìn)行分析探討。

關(guān)鍵詞：電液比例控制技術(shù)；伸縮臂叉車；應(yīng)用研究

1、電液比例控制技術(shù)概述

電液比例控制技術(shù)是二十世紀(jì)后期興起的一門科學(xué)技術(shù)，它是控制領(lǐng)域及液壓領(lǐng)域的重要構(gòu)成部分。在比例技術(shù)興起之前，主要以開關(guān)控制和伺服控制為主。開關(guān)控制控制精度低，不適合控制質(zhì)量要求高的場合，而伺服控制控制精度高、響應(yīng)速度快，但其對(duì)工作介質(zhì)有很高的清潔度要求，同時(shí)耗能大、制造成本高及維護(hù)技術(shù)要求高。電液比例控制技術(shù)在控制精度、響應(yīng)速度、工作介質(zhì)清潔度、系統(tǒng)能耗、制造成本及后期維護(hù)等都較為符合工程實(shí)際的要求，在這種情況下，為滿足工程技術(shù)實(shí)際需要，由于電液比例控制技術(shù)具有上述優(yōu)勢，其逐步成為裝備制造業(yè)的一個(gè)重要構(gòu)成部分。電液比例控制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的被控制量與控制量之間保持線性關(guān)系，從而保證輸入量變化時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出量按比例變化

1.1 比例技術(shù)與伺服技術(shù)的比較

電液比例控制技術(shù)的主要部分就是電液比例閥，而電液比例閥的由來主要有兩大類：一類是在傳統(tǒng)液壓閥的基礎(chǔ)上，采用比例電磁鐵代替手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置而形成的；另一類是在電液伺服閥的基礎(chǔ)上對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，降低其精度而得來的。比例閥通過比例電磁鐵控制閥芯的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，電磁鐵產(chǎn)生的電流與閥輸出的流量或壓力成正比，因此當(dāng)輸入電信號(hào)發(fā)生改變時(shí)可以連續(xù)的控制流量及壓力。比例技術(shù)可以降低液壓元件的數(shù)量，從而使液壓系統(tǒng)得以簡化，同時(shí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，也使其控制自動(dòng)化程度得以較大提高。

比例技術(shù)與伺服技術(shù)都是線性系統(tǒng)，它們的基本要求都是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出量與系統(tǒng)輸入量的線性關(guān)系。二者的不同有發(fā)明的歷史背景不同、采用的技術(shù)手段不同和使用范圍不同等，但最主要的還是它們涉及的控制單元不同，電液比例控制系統(tǒng)的控制單元主要為比例閥與比例泵，而伺服控制系統(tǒng)的控制元件主要為伺服閥。

1.2 電液比例控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

上世紀(jì)六十年代后期，出現(xiàn)了早期的比例閥，它的獨(dú)特之處是在控制閥中通過比例電磁鐵來控制閥芯的運(yùn)動(dòng)，以瑞士Beringer公司開發(fā)的比例復(fù)合閥為典型代表產(chǎn)品。七十年代末期，比例控制技術(shù)得到快速發(fā)展，各種類型的比例閥陸續(xù)研制成功；八十年代，隨著電控器件特性的增強(qiáng)和比例元件設(shè)計(jì)原理的完善，比例閥的動(dòng)態(tài)特性以及穩(wěn)態(tài)精度都有了很大的提高；九十年代后，伺服比例閥研制成功，其主要應(yīng)用與閉環(huán)控制要求死區(qū)小的場合。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與比例元件的結(jié)合，數(shù)字式比例元件和系統(tǒng)得以發(fā)展，其逐步成為比例控制技術(shù)發(fā)展的新方向。

1.3 比例控制技術(shù)的構(gòu)成分類及特點(diǎn)

電液比例控制系統(tǒng)具體來說包括動(dòng)力源、動(dòng)力執(zhí)行單元、電液比例控制單元、電子放大及校正單元、負(fù)載及信號(hào)檢測反饋處理單元。應(yīng)用電子設(shè)備作為系統(tǒng)的指令及放大元件，比例電磁鐵作為電一機(jī)械轉(zhuǎn)換元件，它的功能是將放大器輸出的控制電壓或電流信號(hào)，轉(zhuǎn)化成機(jī)械量的控制信號(hào)。液壓缸或液壓馬達(dá)作為液壓執(zhí)行元件，其輸出的參數(shù)一般為力和位移，或轉(zhuǎn)矩和角速度。信號(hào)處理單元廣泛采用數(shù)字式集成電路，其具有高精度、高可靠性和高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。

比例控制系統(tǒng)主要分為節(jié)流控制系統(tǒng)和容積控制系統(tǒng)兩大類。其中，節(jié)流控制具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，通過對(duì)定量泵的控制來控制各類執(zhí)行元件，其缺點(diǎn)就是功率利用率低；容積控制采用變量泵，在功率發(fā)生改變時(shí)泵的排量隨時(shí)發(fā)生改變，從而幾乎沒有溢流及節(jié)流損失，功率利用率高，但這種變量泵的成本較高。

2、基于電液比例控制的伸縮臂叉車液壓系統(tǒng)分析

2.1 基于電液比例控制的伸縮臂叉車液壓系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)伸縮臂叉車的功能要求，某型伸縮臂叉車工作裝置液壓系統(tǒng)由變幅回路、伸縮回路、貨叉回路、貨叉折臂回路等組成。圖1是該型伸縮臂叉車工作裝置的局部液壓系統(tǒng)圖。液壓系統(tǒng)的換向閥為具有流量調(diào)節(jié)和壓力補(bǔ)償功能的電液比例并聯(lián)多路換向閥，該換向閥在實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件換向的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)和節(jié)流口壓差的補(bǔ)償。動(dòng)力元件采用A10VSO型負(fù)載敏感變量泵，該泵的變量控制系統(tǒng)由變量油缸、恒壓閥、負(fù)載敏感閥組成。系統(tǒng)工作時(shí)，電液比例多路閥根據(jù)輸入的電流信號(hào)大小對(duì)液體的流量或壓力按比例地、連續(xù)地控制。負(fù)載敏感變量泵通過負(fù)載敏感閥的負(fù)載敏感反饋油路感應(yīng)負(fù)載需求，使泵的輸出流量始終與負(fù)載需求相匹配。

2.2 伸縮臂叉車液壓系統(tǒng)的負(fù)載敏感分析

負(fù)載敏感技術(shù)是一種利用液壓泵出口壓力與負(fù)載壓力之間的壓力差值來控制和調(diào)節(jié)液壓泵的輸出流量的技術(shù)。在圖1中，負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)由電液比例多路閥、負(fù)載敏感反饋油路LS、梭閥網(wǎng)絡(luò)油路、變量泵、負(fù)載敏感閥、恒壓閥、變量油缸等組成。設(shè)泵出口壓力為sp，負(fù)載敏感閥的調(diào)定壓力為pk，負(fù)載壓力為pL，pL即為負(fù)載敏感反饋壓力。變幅回路、伸縮臂回路、貨叉回路的負(fù)載壓力分別為pLv、pLe、pLh。根據(jù)梭閥的工作原理，利用梭閥網(wǎng)絡(luò)油路，使負(fù)載敏感反饋油路LS的壓力始終為系統(tǒng)的最高負(fù)載壓力，即負(fù)載敏感反饋壓力pL=max{pLv、pLe、pLk}。由于油液流經(jīng)定差減壓閥和電液比例閥時(shí)存在壓降，使得pL

叉車工作裝置作業(yè)時(shí)，電液比例多路閥根據(jù)負(fù)載需求調(diào)節(jié)流量，泵排出的流量自動(dòng)與負(fù)載所需流量相匹配。當(dāng)電液比例多路閥閥口開度減小時(shí)，表明負(fù)載所需流量減小，泵輸出流量大于負(fù)載所需流量，使泵的排油壓力增大，其壓差?p=ps?pL增大，并大于負(fù)載敏感閥的調(diào)定壓力pk，負(fù)載敏感閥右移左位工作，控制油進(jìn)入變量油缸的大腔，推動(dòng)泵的斜盤角度減小，泵輸出流量降低，直到達(dá)到負(fù)載所需的流量為止。同理，電液比例多路閥閥口開度增大時(shí)，表明負(fù)載所需流量增加、泵輸出流量小于負(fù)載所需流量，使泵的排油壓力減小，其壓差?p=ps?pL減小，負(fù)載敏感閥左移右位工作，變量油缸的大腔通油箱，泵的斜盤角度增大，流量增大，直到達(dá)到負(fù)載的所需流量。通過泵的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使泵的輸出流量與負(fù)載需求流量相匹配，沒有溢流損失，系統(tǒng)效率得到提高。

當(dāng)負(fù)載保壓時(shí)，ps=pL，負(fù)載敏感閥無法開啟，sp推動(dòng)恒壓閥閥芯右移，控制油通過恒壓閥進(jìn)入變量活塞右腔，泵斜盤傾角接近零，泵的輸出流量僅維持系統(tǒng)壓力，泵處保壓工作狀態(tài)，泵的能耗最小，實(shí)現(xiàn)節(jié)能保壓。當(dāng)負(fù)載停止工作時(shí)，泵的排油壓力為負(fù)載敏感閥的調(diào)定壓力pk，負(fù)載敏感閥左位工作，泵斜盤傾角最小、流量接近零，泵在低壓、近似零流量下運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3 電液比例多路閥的壓力補(bǔ)償分析

壓力補(bǔ)償是為了提高電液比例閥的流量控制性能而采取的一種保證措施。本系統(tǒng)采用定差減壓閥作為壓力補(bǔ)償元件，用于補(bǔ)償負(fù)載變化時(shí)引起的電液比例多路閥進(jìn)出口壓差的變化。為方便討論，取圖2系統(tǒng)兩個(gè)回路進(jìn)行簡化，由于電液比例多路閥閥口具有節(jié)流特性，可簡化為可調(diào)節(jié)流閥，引入定差減壓閥進(jìn)行壓力補(bǔ)償后，當(dāng)負(fù)載壓力pL變化時(shí)，通過定差減壓閥的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，對(duì)可調(diào)節(jié)流閥的進(jìn)口壓mp進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，使可調(diào)節(jié)流閥的進(jìn)出口壓差?p為常值，從而使流經(jīng)可調(diào)節(jié)流閥閥口的流量q只與可調(diào)節(jié)流閥的閥口開度有關(guān)，而不受負(fù)載壓力的影響，提高了流量調(diào)節(jié)控制精度。

3、小結(jié)

將電液比例技術(shù)應(yīng)用于伸縮臂叉車，采用電液比例多路閥取代傳統(tǒng)的液控多路換向閥和先導(dǎo)控制閥，不僅可以簡化液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)伸縮臂叉車工作裝置運(yùn)動(dòng)速度的連續(xù)地、按比例地控制，而且可提高系統(tǒng)控制的快速性和控制精度，降低壓力或速度變換時(shí)的液壓沖擊，更好地滿足工作的平穩(wěn)性與可靠性要求。同時(shí)，將電液比例多路閥與負(fù)載敏感變量泵相結(jié)合，使變量泵可根據(jù)負(fù)載需求提供相應(yīng)的流量或壓力，沒有溢流損失，使系統(tǒng)效率得到提高，達(dá)到節(jié)能的要求。而壓力補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用，使電液比例多路閥的進(jìn)、出口壓差不受負(fù)載壓力的影響，保證了電液比例多路閥的輸出流量只與該閥的閥口開度有關(guān)，不受負(fù)載壓力的影響，提高了閥的流量控制精度。電液比例控制技術(shù)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)伸縮臂叉車的智能化作業(yè)。

參考文獻(xiàn)

[1]楊征瑞，花克勤，徐軟.電液比例與伺服控制（第一版）.北京：冶金工業(yè)出版社，2009

[2]許益民.電液比例控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)（第一版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005

[3]王春行.液壓控制系統(tǒng)[J].北荒機(jī)械工業(yè)出版社，2006