（机械电子工程专业论文）挖掘机用新型电液比例多路阀的控制策略研究.pdf

中南人学硕十学位论文摘要 摘要 多路阀作为挖掘机上的关键部件，它的性能与功能直接决定了挖 掘机的性能与功能。目前国内市面上的中小型挖掘机用多路阀绝大多 数都具有两个特点：一是非电控形式，即对多路阀的操作都是手动直 接操纵阀芯动作；二是单阀芯控制方式，即执行机构的进油和回油都 是通过一根阀芯来控制。这些特点使得挖掘机难以实现大幅度节能、 远程遥控作业、机群协同作业等功能。本课题的研究对象是国内最新 引进的一款基于负载口独立控制的挖掘机用新型电液比例多路阀，由 于它采用了新颖的结构设计，融合了电子技术，为挖掘机的大幅度节 能和远程遥控作业等智能化操作提供了前提条件。本文在建立阀的数 学模型的基础上，对其控制策略展开研究，为该阀在国内的设计、生 产提供理论指导。 本文结合液压挖掘机分析研究了该阀的结构组成、工作原理以及 相关的硬件软件构成，并将该阀与传统换向阀对液压执行机构的控制 方式进行了比较，指出该阀在控制液压回路上比传统换向阀显示出更 大的灵活性。以流体力学和经典控制理论为基础，建立了该阀的数学 模型，指出了该阀在先导阀一主阀环节的传递函数与经典阀控对称缸 传递函数的差别，对该阀的动态特性进行了分析，讨论了影响该阀动 态特性的主要参数；在此基础上，提出使用常规p i d 控制策略对该阀 的主阀芯实施位置控制，仿真结果表明常规p i d 控制策略适应性不 好，难以满足控制要求。引入模糊控制策略，设计了模糊控制器，常 规模糊控制的仿真结果表明使用模糊控制策略对主阀芯位置进行控 制是可行的，且系统的动态响应品质较好，但是存在较大的稳态误差； 基于规则修改的模糊控制对系统的动态响应品质有所改善，但是仍不 能消除稳态误差；f u z z y p i d 双模模糊控制器结合了模糊控制和p i d 控制的优点，系统不仅具有较好的动态响应特性，而且彻底的消除了 稳态误差。以铲斗液压操纵回路为代表，建立了该阀及其相关挖掘机 液压系统的a m e s i m m a t l a b 联合仿真模型，通过实验检测铲斗油缸大 腔、小腔压力并与联合仿真模型的仿真结果对比分析，验证了联合仿 真模型的正确性，同时也间接证明了该阀采用f u z z y - p i d 双模模糊控 制策略是行之有效的。 中南人学硕十学位论文摘要 关键词挖掘机，电液比例多路阀，模糊控制，联合仿真 n 中南大学硕+ 学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t a st h e k e yp a r t o nt h e e x c a v a t o r , t h e m u l t i t a n d e mv a l v e s p e r f o r m a n c e a n df u n c t i o n d i r e c t l y d e t e r m i n et h ep e r f o r m a n c ea n d f u n c t i o no ft h ee x c a v a t o r m o s to ft h em u l t i t a n d e mv a l v e su s e do nt h e e x c a v a t o ri nd o m e s t i cm a r k e t h a v et w oc h a r a c t e r i s t i c s t h ef i r s t c h a r a c t e r i s t i ci sn o n e l e c t r o n i c c o n t r 0 1 t h a tm e a n st h eo p e r a t i o no f m u l t i t a n d e mv a l v ei sd o n ev i ad i r e c t l yc o n t r o l l i n gt h es p o o lb yh a n d t h e s e c o n dc h a r a c t e r i s t i ci ss i n g l es p o o lc o n t r o lm o d e ，t h a tm e a n st h eo i l w h i c hf l o wi na n do u tt h ea c t u a t o ri sc o n t r o l l e db yo n es i n g l es p 0 0 1 t h e s et w oc h a r a c t e r i s t i c sm a k et h ee x c a v a t o rh a r dt of u l f i l ll a r g e s c a l e e n e r g ys a v i n g ，a n do f l t e rp e r f o r m a n c el i k er e m o t ec o n t r o lt a s ka n d e x c a v a t o rg r o u pc o o p e r a t i o nt a s k t h ep a p e rh a sd o n es o m er e s e a r c ho na n e wt y p eo fe l e c t r o n i c h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lm u l t i t a n d e mv a l v eb a s e d o ni n d e p e n d e n tc o n t r o lo fa c t u a t o rp o r t s ，w h i c hi sal a t e s to v e r s e a s p r o d u c t i o nu s e do nt h ee x c a v a t o lf o ra d o p t i n gac r e a t i v es t r u c t u r ed e s i g n a n di n t e g r a t i n gt h ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , i tc a np r o v i dt h ee x c a v a t o r s l a r g e - s c a l ee n e r g ys a v i n ga n di n t e l l i g e n c eo p e r a t i o nl i k er e m o t ec o n t r o l w i t hp r e m i s ec o n d i t i o n b a s e do ne s t a b l i s h i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h ev a l v e ，t h ep a p e rd i dr e s e a r c ho ni t sc o n t r o ls t r a t e g y , w h i c hc o u l d p r o v i d ei n s t r u c t i o nf o rt h ev a l v e sd e s i g n i n ga n dp r o d u c t i o ni nh o m e c o m b i n e dt h ee x c a v a t o r a n a l y z e dt h es t r u c t u r ec o n s t r u c t i o n ，w o r k p r i n c i p l e o ft h ev a l v ea n dt h er e l e v a n th a r d w a r ea n ds o f t w a r e c o n s t r u c t i o n ，m a d eac o m p a r i s o nr e s e a r c ho nt h ec o n t r o lm o d eo ft h e h y d r a u l i ca c t u a t o rb e t w e e nt h ev a l v ea n dt h et r a d i t i o n a lc h a n g ev a l v e ， p o i n t e do u tt h a tt h ev a l v ei sm o r ef l e x i b l et h a nt h et r a d i t i o n a lc h a n g e v a l v eo nc o n t r o l l i n gt h eh y d r a u l i cl o o p b a s e do nh y d r o d y n a m i c sa n d c l a s s i c a lc o n t r o lt h e o r y , e s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ev a l v e p o i n t e do u t t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et r a n s f e rf u n c t i o no fp i l o tv a l v et o m a i nv a l v ea n dt h et r a n s f e rf u n c t i o no fc l a s s i c a lv a l v ec o n t r o ls y m m e t r y c y l i n d e r , a n a l y z e dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h ev a l v e ，d i s c u s s e dt h e m a i np a r a m e t e r st h a ti n f l u e n c et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h ev a l v e o nt h eb a s i so ft h i s ，p u tf o r w a r dt h eo p i n i o nt h a tu s en o r m a lp i d 1 1 1 中南人学硕十学位论文 a b s t r a c t c o n t r o l l e rt oc o n t r o lt h ed i s p l a c e m e n to ft h em a i ns p 0 0 1 t h es i m u l a t i o n r e s u l ts h o wt h a tt h ea d a p t a b i l i t yo fp i dc o n t r o li sn o tg o o da n dh a r dt o m e e tt h ec o n t r 0 1d e m a n d s i n t r o d u c e df u z z yc o n t r o l s t r a t e g y , d e s i g n e da f u z z yc o n t r o l l e r t h es i m u l a t i o nr e s u l to fn o r m a lf u z z yc o n t r o ls t r a t e g y s h o wt h a ti ti sf e a s i b l et ou s e f u z z yc o n t r o ls t r a t e g yt oc o n t r o lt h e d i s p l a c e m e n to ft h em a i ns p o o l ，a n dt h ed y n a m i cr e s p o n s eq u a l i t yo ft h e s y s t e m i sf a i r l yg o o d ，b u tt h e r ei sa b i gs t e a d ys t a t ee r r o r t h ef u z z yc o n t r o l s t r a t e g y b a s e do nm o d i f y i n gf u z z yr u l e sc a n i m p r o v et h ed y n a m i c r e s p o n s eq u a l i t yo ft h es y s t e m ，b u ta l s oc a nn o te l i m i n a t es t e a d ys t a t e e r r o r t h ef u z z y - p i dd u a l m o d e f u z z yc o n t r o ls t r a t e g yc o m b i n e dt h e v i r t u eo ff u z z yc o n t r o la n dp i dc o n t r o l ，t h es y s t e mn o to n l yh a sag o o d d y n a m i cr e s p o n s eq u a l i t y , b u ta l s oe l i m i n a t es t e a d ys t a t ee r r o rt h o r o u g h l y a st h eb u c k e t h y d r a u l i cl o o p f o r r e p r e s e n t a t i o n ，e s t a b l i s h e d a a m e s i m m a t l a bu n i o n s i m u l a t i o nm o d e lo f e l e c t r o n i c h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lv a l v ea n dt h er e l e v a n te x c a v a t o rh y d r a u l i cs y s t e m t h r o u g h t e s t i n gt h ep i s t o nc h a m b e rp r e s s u r ea n dt h er o dc h a m b e rp r e s s u r eo ft h e b u c k e ta c t u a t o ra n dc o m p a r i n gi tt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t ，t e s t if i e dt h e c o r r e c t n e s so ft h em o d e l ，m e a n w h i l e ，i ta l s oi n d i r e c t l yp r o v e dt h a t f u z z y p i dd u a lm o d ef u z z yc o n t r o ls t r a t e g yc a nb e u s e do nt h i sv a l v e k e yw o r d se x c a v a t o r , e l e c t r o n i c - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lm u l t i t a n d e m v a l v e ，f u z z yc o n t r o l ，u n i o ns i m u l a t i o n i v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：蜘日期：丑年阜月卫日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可以根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：撕导师签名： 中南入学硕十学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着国民经济的迅速发展，作为主要施工设备的挖掘机在国家经济建设中发 挥着越来越重要的作用。挖掘机以其应用广泛、保有量大、创造价值高等特点在 工程机械行业中占据着重要地位，是农田水利、建筑工程、能源交通以及现代化 军事工程等领域的重要施工机械。而挖掘机液压系统的操纵控制，也经历了一个 技术不断进步的发展过程，从机械式拉杆控制，先导液压油控制，到本系统的电 液比例先导控制。 传统的挖掘机液压多路阀多采用杠杆作用，通过直接相连或者钢丝软轴连接 到阀杆端来操纵换向。搬动换向阀的手柄需要克服换向阀的弹簧力、液动力、摩 擦力等等。随着挖掘机的功率增大和液压技术的发展，其液压系统也向着高压、 大流量方向发展。使用机械式杠杆手动操作多路换向阀的操纵力很大，时间一长 将会使操纵者疲劳。并且随着流量的增大，液压元件的尺寸也将会增大，对于液 压元件的布置也会带来不便。对于换向阀还有一种先导控制液动操纵方式，阀组 由先导阀和主换向阀组成，两阀用先导控制油路相连，操作者只需控制先导阀， 由先导阀实现对主阀芯的控制。这将极大的减小控制需要的力，减轻操作者的疲 劳。并且由于主阀和导阀之问可以由管路连接，因此这将给液压系统的布置提供 了便利。所以在工程机械中，多路换向阀已经比较普遍的采用了先导控制。 近年来，随着电子技术和控制理论的迅速发展，电子器件的可靠性大大提高， 传感器、计算机和检测仪表的应用，电液比例技术与多路阀的相结合而产生了电 液比例多路阀。作为电液集成控制技术的代表，电液比例多路阀结合了电子技术 和液压技术的优点，它使得多路阀的控制从手动控制进入了电控的阶段。它的出 现对于移动式液压机械整体技术水平的提升具有重要意义。特别是在电控先导操 作、无线遥控和有线遥控操作、机群协同作业等智能化操作方面展现了良好的应 用前景。 1 1 电液比例控制技术的国内外发展现状和发展趋势 现代电液控制技术的发展追溯n - 次大战时期。由于军事需要，对武器和飞 机的自动控制系统的研究取得了很大的进步。战争后期，喷气技术取得了突破性 进展。由于喷气式飞行器速度很高，因此对控制系统的快速性、动念精度和功率 重量比都提出了更高的要求。工程需要是现代电液控制技术发展的推动力。1 9 4 0 年底在飞机上首先出现了电液伺服系统，其滑阀由伺服电机拖动，惯量很大，限 制系统的动态特性。5 0 年代初出现了高速响应的永磁式力矩马达。5 0 年代后期 中南人学硕+ 学位论文第一章绪论 又出现了以喷嘴挡板阀作为先导级的电液伺服阀，使电液伺服系统成为当时响应 最快、控制精度最高的伺服系统。6 0 年代各种结构的伺服阀相继问世，电液伺 服阀技术已日臻成熟。6 0 年代后期由于人们对工艺过程控制提出了更高的要求。 现代电子技术特别是微电子集成技术和计算机技术的发展，为工程控制系统提供 了充分而且廉价的现代电子装置，各类民用工程对电液控制技术的需求更加迫切 和广泛。传统的电液伺服阀对流体介质的清洁度要求十分苛刻，制造成本和维修 费用较高，系统能耗也较大，难以为各工业用户所接受。而传统的开关控制又 不能满足高质量控制系统的要求。因此，人们希望开发出一种可靠、廉价、控制 精度和响应特性均能满足工业控制系统实际需要的电液控制技术。 从1 9 6 7 年瑞士布林格尔公司生产k l 比例复合阀起，到7 0 年代初日本油研 公司申请了压力和流量比例阀二项专利为止，是比例阀的诞生时期。这一阶段的 比例阀，仅是将比例型的电一机械转换器( 如比例电磁铁) 用于工业液压阀，以代 替开关电磁铁或调节手柄，阀的结构原理和设计准则几乎没有变化，大多不含受 控反馈闭环，其工作频宽仅在1 5 h z 之间，稳态滞环在4 - - 7 之间，多用于开 环控制。1 9 7 5 - - - 1 9 8 0 年间，比例技术的发展进入了第二阶段。采用各种内反馈 原理的比例元件大量问世，耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术上也日趋成 熟，比例元件的工作频宽已达5 1 5 h z ，稳态滞环亦减小到3 左右。其应用领 域同渐扩大，开环闭环均可适用。 8 0 年代以来，比例技术的发展进入了第三阶段。比例元件的设计原理进一 步完善，采用了压力、流量、位移内反馈及电校正等手段。在8 0 年代末、9 0 年 代初，随着电子技术的高速发展，比例技术出现了质的飞跃。除了因制造成本所 限，比例阀在中位仍保留死区以外，它的稳态和动态特性均已和工业伺服阀无异。 另一项重大进展是，比例技术开始和插装阀相结合，形成了8 0 年代电液比例插 装技术。同时，由于传感器和电子器件的小型化，还出现了电液一体化的比例元 件，电液比例技术逐步形成了8 0 年代的集成化趋势。同时电液比例容积元件， 各类比例控制泵和执行元件也相继出现。 因此，从电液比例技术的发展过程可以看出，电液比例技术发展到目自仃阶段， 己经能用伺服比例阀替代传统的伺服阀，用于大多数的工业控制中。由于伺服比 例阀在使用时对油液清洁度的要求只需n a s 7 - - 一9 级心1 ，而价格又远低于相同参数 的伺服阀，使其进入市场的竞争能力很强。从而采用新的伺服比例阀替代喷嘴挡 板阀在工业领域是理所当然的事情，在国内推广也只是时间的问题，这将给用户 带来明显的经济效益。 2 中南人学硕十学位论文第一章绪论 1 1 1 电液比例控制技术的国外发展现状 国外电液比例技术的研究始于本世纪四十年代，到七十年代投入了广泛的工 业应用，至今己形成完整的产品品种、规格系列，并对己成熟的产品，为进一步 扩大应用，在保持原基本性能与技术指标的前提下，向着简化结构、提高可靠性、 降低制造成本的方向发展。 国外电液比例技术己经成熟，并有了推广运用，比如波克兰叉车使用了电液 比例控制系统，又如德国博世公司开发的农业拖拉机液压提升器电子控制系统， 引入了比例阀等。 液压工业己成了全球性的工业，国际液压界一些著名公司如美国的派克汉尼 汾公司、德国的博世力士乐公司、日本的日立公司等居世界领先地位。电液比例 控制的理论研究和技术的发展是液压工业领域发展的大趋势，是液压工业又一个 新的技术热点和增长点。 1 1 2 电液比例控制技术的国内发展现状 对于电液比例控制技术国内也展开了研究，而且已经达到了一定程度的实际 应用，但目前国内的制造技术、液压技术、电子技术和控制技术等都还落后于国 际水平。我国电液比例技术到七十年代中期丌始发展，但在国内的应用，尤其在 工程机械上的开发应用才刚起步。总的来看，我国电液比例技术与国际水平相比 有较大差距，主要表现在：缺乏主导系列产品，现有产品型号规格杂乱，品种规 格不全，各类比例泵、比例阀等，国内设计生产的品种少，并缺乏足够的工业性 试验研究；在控制技术方面，自动化程度不高，性能水平较低，质量不稳定，可 靠性较差等，都有碍于该项技术进一步地扩大应用，急待尽快提高。 1 1 3 电液比例控制技术的国外发展趋势 国外近年来，电液比例技术的发展趋势： ( 1 ) 提高控制性能，适应机电液一体化主机的发展。提高电液比例阀及远控 多路阀的性能使之适应野外工作条件，并发展低成本比例阀。 ( 2 ) 比例技术与二通和三通插装技术相结合，形成了比例插装技术，此外出 现比例容积控制，为中、大功率控制系统节能提供新手段。 ( 3 ) 由于传感器和电子器件的小型化，出现了传感器、测量放大器、控制放 大器和阀复合一体化的元件，极大地提高了比例阀( 电反馈) 的工作频宽。其主 要表现有：高频响、低功耗比例放大器及高频响比例电磁铁的研制，1 9 8 6 年 西德b o s c h 公司提出高性能闭环控制比例阀，由于采用了高响应直流比例电磁铁 中南人学硕十学位论文第一章绪论 和相应的放大器，并含有位置反馈闭环，其流量输出稳态调节特性无中位死区， 滞坏仅0 3 ，工作频宽和性能已达高水平伺服阀，而成本仅为后者的1 3 。带 集成式放大器的位移传感器( 2 0 0 h z ) 的开发，为电反馈比例阀小型化，集成化 创造良好的条件。伺服比例阀( 闭环比例阀) 内装放大器，具有伺服阀的各种 特性：零遮盖、高精度、高频响，但其对油液的清洁度要求比伺服阀低，具有更 高的工作可靠性。 p i d 调节技术的应用，改善系统的稳态性，使之有较好的动 态响应指标，可利用计算机对p i d 参数进行最优化数字化或利用实验研究来获得 实际线路p i d 参数的优良匹配1 。 ( 4 ) 电子控制器向着专用集成电路方向发展，实现小型化、组合化，并达到 高可靠性目的。 ( 5 ) 电液比例阀向通用化、模块化、组合化、集成化方向发展，以实现规模 经济生产，降低制造成本，开发变量泵控制专用电液比例阀，以及阀与泵的结构 性能匹配设计。 ( 6 ) 电液比例技术的主要基础元件的相互衔接愈来愈密切，零部件通用化程 度不断提高。 1 2 电液比例系统的构成和特点 1 2 1 电液比例系统的构成 电液比例控制系统，尽管其结构各异，功能也不尽相同，但都可归纳为由功 能相同的基本单元组成的系统。如图卜l 所示，图中的虚线为可能实现的检测与 反馈。包含外反馈回路的控制系统才称为闭环控制系统，不包含外反馈的称为开 环系统，如果存在比例阀本身的内反馈，也可以构成实际的局部小闭环控制。 但一般也不会称为闭环系统。 组成电液比例控制的基本组件有： ( 1 ) 指令组件：它是给定控制信号的产生与输入的组件。可以是信号发生 装置或过程控制器。在有反馈信号的情况下，它给出与反馈信号有相同形式和量 级的控制信号。 ( 2 ) 比较组件：它的作用是把给定信号与反馈信号进行比较，得出偏差信 号作为电控器的输入。进行比较的信号必须是同类型的，比例控制器的输入量为 电学量，因此反馈量也应当转换为同类型的电学量。如遇不同类型的量作比较， 在比较前要进行信号类型转换，例如a d 、d a 转换、机一电转换等。 ( 3 ) 电控器：电控器通常被称为比例放大器。由于含在比例阀内的电磁铁 需要的控制电流较大( o ，一- - 8 0 m h ) ，而偏差控制( 信号) 电流较小，不足以推动电 4 中南人学硕十学位论文第一章绪论 磁铁工作；且偏差信号的类型或形状都不一定能满足高性能控制的要求，所以要 使用电控器对控制信号进行功率放大和对输入的信号进行加工、整形，使其达到 电一机械转换装置的控制要求。 l 一一一一一一一 测反馈卜一一一一一- j 图1 - 1 电液比例控制系统框图 ( 4 ) 比例阀：比例阀内部又分为两大部分，即电一机械转换器及液压放大组 件，还可能带有阀内的检测反馈组件。电一机械转换器，它是电液的接口组件。 它把经过放大后的电信号转换成与其电学量呈正比的力或位移。这个输出量改变 了液压放大级的控制液阻，经过液压放大作用，把不大的电气控制信号放大成足 以驱动系统负载液压能。这是整个系统的功率放大部分。 ( 5 ) 液压执行器：通常指液压缸或液压马达，它是系统的输出装置，用于 驱动负载。 ( 6 ) 检测反馈组件：对于闭环控制需要加入检测反馈组件。它检测被控量 或中间变量的实际值，得出系统的反馈信号。检测组件有位移传感器、测速发电 机等。检测组件往往又是信号转换器( 例如机电机液转换) ，用于满足比较的要 求。从图卜l 中可见，检测组件有内环、外环之分。内环检测组件通常包含在比 例阀内，用于改善阀的动、静特性。外环检测组件直接检测输出量，用于提高整 个系统的性能和控制精度。 1 2 2 电液比例系统的特点 电液比例控制是指用输入的电信号来调制液压参数，使之成比例的变化。可 用于开环或闭环系统中，以实现对各种运动进行快速、稳定和精确的控制旧3 。比 例控制技术是在开关技术和伺服控制技术之问的过渡技术。从控制特性看，更接 近伺服控制系统；从抗污染、可靠性和经济性看，更接近丌关控制系统。因此它 兼有二者的许多优点。由于电液比例阀控制原理简单、控制精度高、抗污染能力 强、价格适中、其静动态特性足以满足大多数工业应用的要求等特点，受到人们 的普遍重视。它是在普通液压阀基础上，用比例电磁铁取代阀的调节机构或普通 电磁铁，采用比例放大器控制比例电磁铁，实现对比例阀连续控制，从而实现对 中南人学硕十学位论文第一章绪论 液压系统压力、流量及方向的无级调节。 比例阀与其他各种液压阀的性能比较如表卜1 所示。它的最主要优点体现在 以下几个方面： 1 ) 可明显地简化液压系统，减少液压元件的使用，实现复杂程序控制； 2 ) 利用电信号便于远距离传输，实现自控、程控、遥控； 3 ) 工作平稳，利用反馈可以提高控制精度或实现特定的控制目标： 4 ) 能按输入电信号的j 下负和数值大小同时实现液流的流量、压力的比例控制， 从而对执行器件实现方向、速度和力的连续控制，并易实现无级调速； 5 ) 结构简单，元件少，维护和保养方便； 6 ) 便于机电一体化的实现； 表1 - 1 电液比例阀和其它液压阀性能比较 类别 伺服阀比例阀开关阀数字阀 劳雒 介质过滤精度( u m ) 32 52 52 5 阀内压降( m p a ) 70 5 20 2 5 0 5o 5 2 稳态滞环( ) 1 31 3 重复精度( ) 0 5 10 5 1 0 1 频宽( h z ) 2 0 2 0 07 0 1 05 中位夕e 区 无有有有 价格冈子 310 51 控制功率 o 0 5 51 0 2 51 5 4 05 1 0 1 3 挖掘机多路阀发展概述 包括工程机械在内的行走机械、矿上机械等装置进行作业时，需要多个机构 或多套液压系统共同完成。因此，液压执行机构的动作，需要多个液压阀来控制。 多路阀是一种能控制多个液压执行机构( 负载) 的换向阀组合，它是以两个以上 的换向阀为主体，集换向阀、单向阀、过载阀、补油阀和制动阀等于一体的多功 能集成阀7 1 。手动六通多路阀由于其流量微调特性和操作、替换简单从而在工 程上得到广泛应用。但易受负载变化影响，且中位回油能耗大。负流量控制技术 在六通多路阀旁路回油路上设置流量检测装置，控制泵的排量，从而减少旁路回 油功率损失，解决了六通多路阀的中路回油能耗大问题。 针对六通多路阀易受负载变化影响的缺点，用负载补偿技术保持四通多路阀 阀口压差近似不变，从而解决负载压力和油源压力波动的干扰问题。负载敏感技 术使四通多路阀的系统压力总是和最高负载压力相适应，最大限度地降低能耗。 但机液负载补偿只能保持换向阀心的压差近似不变，且易受液动力干扰和过渡时 间较长。多路阀的负载敏感系统在执行机构需求流量超过泵的最大流量时不能实 6 中南人学硕十学位论文第一章绪论 现多缸同时操作，抗流量饱和技术通过各联压力补偿器的压差同时变化实现各联 负载工作速度保持原设定比例不变。 从自动化程度和整机布局角度来讲，手动直接操纵多路阀使得整机设计布局 困难，且操作强度大。液控多路阀在一定程度上增加灵活性、简化管路、提高总 效率。电液比例先导技术使整机布局更加灵活、提高动态响应、降低噪声来源， 且用位置闭环提高了控制精度，为工程机械自动化提供了条件，从而使远控和无 线遥控在危险区域作业的工程机械成为可能。传统进出口联动多路阀在工程机械 实际应用中暴露出一些问题：附加液压元件多，机械结构、流道结构复杂，元 件寿命及可靠性差。进出口联动控制，系统柔性差，近似负载补偿从而降低控 制性能。随着负载口独立控制技术的日趋成熟和传感器与微处理器性价比的提 高，出现了负载口独立控制电液比例多路阀，用双阀心独立控制进出口压力和流 量，解决了机液负载补偿的不足，提高了系统柔性和节能效果，丰富了控制方式， 为工程机械的液压一机械系统智能化提供了条件。 1 ) 发展早期 多路阀的发展早期是手动六通多路阀，如图1 - 2 所示，其中：p 和p 1 表示进油 阀口，a 表示第一出油阀口，b 表示第二出油阀口，t 表示回油阀口，当两联换向 阀片串联时，前一联的t 口就表示为c 口。此阀的实质是：先为旁路节流，后油源 全流量通过多路阀主阀口进入系统。它最重要的特性是流量微调特性( 图卜3 ) ， 实际上是初级的手动比例控制特性，但有较大零位死区，微调范围一般不大于阀 心行程的3 0 ，而且比例控制范围随着系统压力升高而减小。 至 二 ￥ 毒 耀 开发，姗 图卜2 手动六通多路阀图卜3 流量微调特性( p a 或p - b ) 由于六通多路阀的结构特点，它具有以下优点：初级手动比例特性。中 路凹油道是逐渐减小最后被切断，执行元件启动平稳无冲击。操作、替换简单。 但也有下述缺点：容易受压差影响，负载变化时操作不稳定。很难实现负载 压力补偿或负载敏感功能。中立位置的压力损失较大，而且换向阀的联数越多， 压力损失越大。 7 中南人学硕十学位论文第一章绪论 2 ) 与负载补偿、负载敏感技术结合 针对上述六通多路阀容易受压差影响、负载变化时操作不稳定的缺点，研究 者根据二通调速阀原理发展了带压力补偿器的四通多路阀。 如图卜4 所示，压力补偿器8 即定差减压阀近似保持换向阀3 压差不变，压差 主要与液动力、压力补偿器8 的弹簧力和液压力作用面积有关。r e x r o t h 公司采用 测压点补偿法修正比例方向阀的定差减压阀，很好地补偿弹簧力、液动力的干扰， 但在多路阀上应用不多。单向阀4 是为了防止回流，有产品把单向阀4 的功能集成 到压力补偿器中旧1 。节流阀6 用来机械调节换向阀两端压差值，但现在很少用。 梭阀5 将高压负载口的压力反馈到压力补偿器，现今多采用桥路方式。 图卜4 的负载补偿在执行机构进油侧，也有在比例方向阀中应用锥阀式双向 出口压力补偿器的，但太昂贵，在多路阀中基本没有应用口3 。尽管负载补偿技术 使多路阀压差近似不变，提高了控制性能，但是存在先天性不足：负载补偿多 路阀的控制与负载变化无关，是通过消耗能量来换取阀口压差近似不变，节流发 1 溢流阀2 限压阀3 换向阀4 单向阀5 梭阀6 节流阀 7 液压缸8 二通压力补偿器9 定量泵1 0 定差溢流阀 图1 - 4 带压力补偿的开中心负载敏感原理图 热严重。在控制精度高的场合，由于压力补偿器在初始状念是全丌的，补偿特 性较差，且它是一个低阻尼环节，因此不能用于负载速度闭环。 2 0 世纪8 0 年代，节能成为研究者关注的焦点。工程机械由于移动式作业， 8 中南人学硕十学位论文第一章绪论 因此能量更显宝贵。研究人员在四通多路阀上用负载敏感技术提高效率，减少系 统发热。 负载敏感技术真正发展在2 0 世纪8 0 年代的欧洲阳1 。多路阀的负载敏感是指 系统压力总是和压力最高联负载相适应。图1 - 4 所示的开中心负载敏感系统在多 路阀中集成了定差溢流阀。零位时，定量泵输出流量经定差溢流阀流回油箱。工 作时，通过多层次高压优先梭阀网络的选择，将各执行机构的最高压力引回定差 溢流阀敏感腔，泵出口压力与最高压力适应，即在任意时刻泵出口压力比最高负 载压力高出一个定值。这种系统的优点是：零位压差非常低，与执行器数目无关； 执行器起动恒定，与负载压力无关；不同工作压力的阀可同时动作，控制灵敏度 高。也有多路阀无需多层次高压优先梭阀网络阳1 。 四通多路阀还有闭中心负载敏感形式( 图卜5 ) ，用负载敏感泵实现负载适应。 零位时，没有阀动作，泵的倾角几乎为零，仅补偿内部系统损失。旁通压力取决 于泵压差调节器所需的压力。任何一联离开中位工作时，泵的压力始终比最高负 载压力高出一定值。 图卜5 四通多路阀的闭中心负载敏感系统 3 ) 与电液比例技术结合 2 0 世纪8 0 年代，电液比例技术的成熟及广泛应用导致了电液比例多路阀的应 用。电液比例技术对多路阀的发展体现在两方面：用电液比例先导阀驱动多路 阀的换向阀心，实现比例调速。用比例溢流阀或电液比例泵实现电液负载敏感， 用比例溢流阀实现电液负载敏感时，将比例溢流阀集成在多路阀中，而用电液比 9 中南人学硕十学位论文第一章绪论 例泵实现电液负载敏感时，用压力传感器检测出最高压力传给比例泵。 手动直接操纵多路阀，整机布局困难，系统结构柔性差，操作强度大，且不 能精确控制阀心位移。液控多路阀在一定程度上增加灵活性、简化管路、提高总 效率。但由于先导阀与主阀用油路连接，增加了油路容腔，降低动态响应，增加 了噪声来源。电液比例先导技术使整机布局更加灵活、提高动态响应。用电液比 例先导阀驱动主阀心，并用位置传感器闭坏反馈，有效克服了滑阀死区、减小摩 擦滞环，大大提高控制精度和操作重复性，为工程机械自动化提供了条件，使远 控和无线遥控在危险区域的工程机械成为可能。 机液负载敏感系统中压力是由梭阀网络和液压管道传递而得到，当管道较长 时，将产生负载压力的信号延迟。即管道液压时间常数对系统动特性有负影响的 相移，导致系统动态响应振荡，甚至不稳定n 引。电液负载敏感系统压力用传感器 检测和电信号传递，控制比例溢流阀或电液比例泵输出压力。由于电信号处理和 传递的快速性，动态特性提高，从而拓宽了负载敏感系统的应用领域。 4 ) 抗流量饱和技术和负流量控制技术出现 在沿用了近3 0 年的各联内部用二通压力补偿器实现负载压力补偿，用定差 溢流阀或负载敏感泵实现负载敏感控制系统中，当泵的流量出现饱和，即执行机 构需求流量超过泵的最大流量时，泵的输出压力下降，使进入最高压力联负载的 流量减少，速度降低，而进入其他负载的流量不变。这就不能实现工程上多缸同 时操作的要求1 。 负载敏感补偿系统解决了四通多路阀抗流量饱和的问题( 图1 - 6 ) 1 。该系统 主要特点是：压力补偿器置于多路阀出口，类似于二通调速阀中先节流后减压 方案，各联控制节流器进口均为泵的出口压力p 1 。将当时负载最高联的负载 压力引入各联压力补偿器的弹簧腔。在正常情况下异一只a 一只。= 触，此值虽 是时变的，但对所有负载却是相同的，都比最高负载压力高出一个定值，上式a 是压力补偿器阀心的液压力作用面积。也就是说，各联压力补偿器的压差都是一 样的。流量饱和时，压力补偿器压差降低，但各负载之间工作速度比例关系仍保 持原设定值不变。 为减小六通多路阀中旁路回油损失和节流损失，在六通阀最后一联的旁路回 油路上设置流量检测装置，控制泵的排量与旁路回油流量成负线性关系，从而减 小旁路回油功率损失( 图卜7 ) 。它分别牵涉到多路阀与液压泵两个方面：在多路 阀中解决旁路回油流量检测，在变量泵变量机构中实现负流量控制。浙江大学高 峰n 纠等人对负流量控制系统进行了详细研究，得出负流量控制本质上是一种恒流 量控制，通过在多路阀旁路回油通道上设置流量检测元件，最终是要达到控制旁 路回油流量为一个较小的恒定值，从而减小旁路损失的目的。这种恒流量控制， l o 中南人学硕士学位论文第一章绪论 最终可转化为旁路回油节流口处的恒压控制。 图卜6 负载敏感补偿系统原理图 图1 - 7 负流量控制原理图 5 ) 与负载口独立控制技术结合 1 9 8 7 年德国b a c k 6 教授在插装阀控制理论中引入了独立控制概念后n 3 ，h 1 ，各 国研究者都丌始对独立调节原理和控制策略进行研究。瑞典l i n k s p i n g 大学用四 个锥阀独立控制一个执行机构，并且获得良好的控制性能和节能效果n 引q 美国的 p u r d u e 大学在c a t e r p i l i a r 的资助下用五个锥阀深入研究鲁棒自适应控制策略 实现节能n 瓦博i 。i l l i n o i s 大学用五个双向滑阀进行研究，用独立控制方法实现普 通比例方向阀的功能n7 1 。丹麦的a a l b o r g 大学在d a n f o s s 资助下研究独立控制策 略以及阀的结构参数对负载口独立控制性能的影响刖。英国u l t r o n i c s 应用独立 控制技术设计出新的多路阀结构形式和控制形式n 引。浙江大学应用负载口独立控 制技术解决大惯性负载加速和工作过程中执行器出油侧的压力过高、节流损失导 致发热严重、且在大惯性负载减速及制动过程中执行器出油侧容易产生压力冲击 等问题，取得了阶段性研究成果啦引。在2 0 0 7 年1 2 月份c o n e x p o 亚洲工程机械博 览会上，美国h u s c o 公司展示了其最新研制成功的一种液压挖掘机，其液压系统 也是基于负载口独立控制技术，据他们提供的资料表明：与传统的液压挖掘机相 比，该挖掘机能降低2 5 的燃油消耗，提高1 0 生产率。 图卜8 是带电液负载敏感的负载口独立控制电液比例多路阀原理图，液压执 行机构的进出口各有一个阀心控制，各负载进出口、进油管路和回油管路都有压 力传感器检测压力，用电液比例溢流阀取代传统的定差溢流阀实现电液负载敏 感。 负载口独立控制电液比例多路阀针对传统多路阀的单阀心进出口联动调节、 中南人学硕十学位论文第一章绪论 出油口靠平衡阀或单向节流阀形成背压而带来的灵活性差的缺点，采用双阀心结 构实现进油侧调流量、出油侧调压力。在负载加速过程中，通过加大出口阀心开 度以保证其快速性，在减速和制动过程中，通过独立调节出口的压力，从而避免 6 ， p i p p 1 定量泵2 电液比例溢流阀3 三通减压阀4 第一工作油口阀芯 5 压力传感器6 液压缸7 压力传感器8 第二工作油口阀芯 9 泵油口压力传感器10 油箱压力传感器1 1 油箱 图1 - 8 负载口独立控制多路阀原理图 出油侧压力冲击，提高负载减速和制动过程的平稳性，实现软停。在超负载 工况下也能保证执行器速度的稳态控制精度和抗干扰能力，省去传统的平衡阀， 简化了机械结构。 负载口独立控制电液比例多路阀改变了用压力补偿器实现机液负载补偿的 方式，而采用电液负载补偿，通过测量出主阀心前后压力来调整主阀心的开度， 这种补偿方式解决了机液负载补偿中压力补偿器初始状态全开，补偿特性较差的 问题4 | 。 微处理器集成到每一联阀体，可以根据实际负载通过编程的方式改变控制策 略达到优良的控制性能和效率。而且通过编