中位关闭的电液控制阀系统的可靠

液压式钢筋钢管多功能加工机液压部分设计（外文翻译）02级机制3班潘正华16号1中位关闭的电液控制阀系统的可靠的流量控制在行走设备中的应用S.Cetinkunt,U.Pinsopon,C.Chen,A.Egelja,S.AnwarDepartmentofMechanicalandIndustrialEngineerin,UniversityofIllinoisatChicago,842WestTaylorSt,Chicago,IL60607,USA摘要：在行走设备中，例如推土机和建筑机械（如轮式装载机，挖掘机，收割机），数字控制的电液中位关闭阀和负载传感的液压泵系统正在很快的取代老一代的靠液—机控制（先导驱动，机械方式控制）的中立连通阀和定量泵系统。随着精心设计和调整的运动控制系统，运用中立关闭阀电液控制的液压系统的能量利用率可以提高到能被实现的显著的燃料节约点。还有，对于不同的操作经由快速控制软件可以优化机器的动作，有些能力在液—机控制系统中是没有办法实现的。对于行走设备来说，能量利用率、高的运行特性、基于可重组性和可靠性的软件都是其电液控制系统设计的主要对象。关键词：电液控制系统，可靠的流量控制，电液系统，二级比例控制阀，变量泵，轮式装载机，建筑设备1·简介据估计自2000年起，在电气—液压系统方面的市场份额大约是每年300—350亿美元，其中大约有80—100亿美元的市场份额是属于建筑设备行业的。其他的份额分别属于航空业，冲压机行业，钢板展平行业。电动—液压市场产品主要的元件有液压阀阀，液压泵，液压马达，液压缸，管件，管接头和过滤器等。在过去的二十年间，低成本，计算能力的提高，数字处理信号的可靠性已经改变了控制系统的工程实践。行走设备行业也不例外，建筑设备行业像汽车行业一样也正在跟随着这样的技术潮流—更多的数字控制系统和电气控制系统，而非传统的机—液控制方法。例如，汽车行业已经在发展的用于转向、制动和发动机油门控制的电气控制系统，并且期望这种款式的车在2007年见诸市场。其中的一些原理正在被应用于建筑设备的一些器件，转向和动力系统控制。在过去二十年间，电气—液压系统的发展应主要归功于数字信号控制和它在液压式钢筋钢管多功能加工机液压部分设计（外文翻译）02级机制3班潘正华16号2液压元件设计方面的应用。液压元件（如阀、泵、马达、和液压缸）的机械设计已经有好多年没有改变了。主要的不同是机—液传感和控制功能正在被电气传感和控制功能所替代。在1950年设计并申请专利的电气—液压伺服阀在今天的许多行业仍在主要的被应用。液压系统方面的教科书仍然是35年多前编写的书。液压控制系统敏感性分析也是现成的内容。关于液压系统方面的PID控制、消极的被动式控制、适应性控制的应用，自动调协适应性控制，线性化的动态特性和网络控制的应用也已经被讨论过了。本篇文章展示了应用于轮式装载机的铲斗液压系统的电气—液压控制系统（如图1所示）。这种已发展起来的控制系统是用具有实时操作系统的工业Pc机来操作的，这个实时操作系统具有一个用与进出口交接的基于Motorola68000微信息处理器的嵌入式控制器。这种控制系统正在市场上被改进后的轮式装载机上被测试。2·用欲于行走设备的电—液控制系统轮式装载机铲斗动作两个自由度：举升动作和俯仰动作（如图2所示）。每个动作都有一个直线型液压缸所驱动，由一个二级电液比例阀控制。对轮式装载机的铲斗动作主要有两个类型的电液控制系统：中立连通系统和中立关闭系统（如图3、4所示）。力求简单，在泵和液压缸管道上的溢流阀和每个液压缸两端的减压阀都没在图中有所表示。中立连通系统包含有一个定量泵和两个中立连通阀，其中一个阀用于连接举升和俯仰回路。中立关闭系统包含一个变量泵，一个用于俯仰回路的中立连通阀和一个用于举升回路的中立关闭阀。值得注意的是两个阀以串联方式连通液压泵，而非是并联方式。俯仰阀在举升阀之前连入液压泵，这种安排方式被称作俯仰优先液压回路，在建筑机械里面这是一种标准的设计。泵的型号不能够同时提供来自两个液压缸的最大流量要求。泵的型号受到经济性和发动机分配到其他子系统回路能量的限制。如果两个液压缸同时要求最大的流量，那么俯仰缸能够达到所要求的流量，而举升缸则达到剩余的流量。用于铲斗控制的液压系统的操作在图示3中有所说明。液压泵将从发动机得到的机械能转化成受压液体的压力能。液流将流向俯仰缸和举升缸。流向每个液压缸的流量受到俯仰阀和举升阀的控制。这些阀是在初始位置具有重叠结构的四通二级比例方向阀。受到电磁阀的控制，并且控制型号被先导阀所放大。滑阀的重叠几何结构液压式钢筋钢管多功能加工机液压部分设计（外文翻译）02级机制3班潘正华16号3导致了滑阀位置和流量之间的机械迟缓率。来自阀的准确的迟缓率主要是由于在机械制造过程中的制造偏差的变动所引起的。可观察的迟缓率受到滑阀表面摩擦的影响由于摩擦的不可重复性，正常滑阀迟缓率的准确值也是不可重复的。存在的有限的磁滞现象是由电磁铁的磁性引起的。中立连通和中立关闭电液系统的主要不同是能量利用率上。中立连通电液系统有一个定量泵，这个泵所提供到系统的流量于需求和流量无关，但和流量的输入速度是成比例的，Ｑp=Dp(Qo)．WengＱp——泵的流量Dp(Qo)——泵的排量Qo——旋转斜盘的倾斜角度Weng——发动机的转速在一个定量泵中由于旋转斜盘的角度（Qo）一定所以排量Dp(Qo)也是一定的。因此即使当铲斗不运动（需求流量为零）时，在循环回路中泵仍然以全功率（全流量）循环，显然，这存在着能量的浪费。在中立关闭电液控制系统中，举升阀的中间位置上没有连通泵和油箱的通口，这样的阀门被称作是中立关闭阀。当两个阀都在零位时，泵的流量没有流通空间，因此，泵不得不是变量型泵，能够提供所需求的流量。当需求的流量是零时泵的控制器调整泵的排量Dp(Qo)以至使Ｑp为零。泵的排量通过旋转斜盘的角度控制在几乎为零的值和最大值之间调整。结果是，中立关闭电液系统按要求提供流量，并且不浪费比实际需求更多的能量。铲斗电液控制系统消耗的能量占发动机所提供能量的1/3。在建筑设备铲斗控制系统中任何一种能量的节省方式都能显著的燃料节约。在中立关闭控制系统中，举升阀和俯仰阀除图7所示的一处不同外两者是十分相似的：俯仰阀在初始位置上有一个连通泵和油箱的小孔，当小孔打开时将致使阀内的液体流向举升阀。举升阀则没有这样的通流口，APT(Xlift)=0.0APT(Xlift)≠0.0就现壮看，对每一个阀来说，滑阀的换向力和其排量是相互成比例的，液压式钢筋钢管多功能加工机液压部分设计（外文翻译）02级机制3班潘正华16号4Flift=Kfil．iliftFtilt=Kfit．itiltXlift=Flift/KslXtilt=Ftilt/KstAPT——举升阀底部连通泵和油箱的通流口面积APT——俯仰阀底部连通泵和油箱的通流口面积Xlift——举升阀的排量Xtilt——俯仰阀的排量ilift,itilt——电磁铁的电流Kfil,Kfit——电流的放大系数Flift，Ftilt——滑阀的换向力Ksl，Kst——弹簧的劲度系数忽略电流和滑阀位置的瞬时动态响应特性在建筑设备液压控制操作系统中是一个很好的近似。因为，液压缸的频带宽度要比液压阀流体—排量关系之间的频带宽度慢得多。对于一个液压缸的伸出动作的每一个滑阀来说，流量，滑阀排量和压力之间的不同关系可以表示如下：ＱP=ＱPT+ＱPA+ＱBTＱPT=CdAPT(cs)[(2/r)．(PP-PT)]1/2ＱPA=CdAPA(cs)[(2/r)．(PP-PA)]1/2ＱBT=CdABT(cs)[(2/r)．(PB-PT)]1/2对每一个缸的缩回动作有如下表示：ＱP=ＱPT+ＱPB+ＱATＱPT=CdAPT(cs)[(2/r)．(PP-PT)]1/2ＱPB=CdAPA(cs)[(2/r)．(PP-PB)]1/2ＱAT=CdABT(cs)[(2/r)．(PA-PT)]1/2如果将液压缸和液压软管里液体的可压缩性计算在内，在缸伸出动作时缸两液压式钢筋钢管多功能加工机液压部分设计（外文翻译）02级机制3班潘正华16号5端的瞬时工作压力有如下模式表示：PA=[b/(y.Ahe)](QPA-n.Ahe)PB=[b/(Lcy1-y).Are]](-QBT+n.Are)PP=(b/Vhosel)(QP-QPB-QPT)当缸缩回动作时有：PA=[b/(y.Ahe)](-QPA-n.Ahe)PB=[b/(Lcy1-y).Are]](QBT+n.Are)PP=(b/Vhosel)(QP-QPB-QPT)QPT,QPA,QPB,QAT,QBT——端口P,T,A,B之间的流量PP，PT，PA，PB——端口P,T,A,B之间的压力b——液压油的体积模量Lcy1——液压缸的最大行程Vhosel——泵和阀之间油液的体积y,n——液压缸的排量和速度Ahe，Are——活塞无杆腔和有杆腔的面积每一个液压缸的动作都可以有如下模式：meff.y=PA.Ahe-PB.Are-Fext;0yLcy1meff——Fext——外部力（如挖掘力）上式所表示的是电液控制系统的非线性动态模型，它可以被应用于中立连通系统和中立关闭系统。中立连通系统：中立连通系统有一个定量泵和一个中立连同阀，在阀上有一个连通泵和油箱的通孔，且泵的流量是一定的。APT(Xs)≠0QP=DP(Qo).Weng泵不是实时控制的，它的排量是一定不变的，泵的流量随发动机的转速的变化而改变。液压式钢筋钢管多功能加工机液压部分设计（外文翻译）02级机制3班潘正华16号6中立关闭系统：中立关闭系统有一个变量泵和一个中立关闭阀，在阀的中位上没有那个连通泵和油箱的通孔，且泵的流量是可以改变的。APT(Xs)=0QP=DP(Q).Weng泵通过改变旋转斜盘的倾角（Q）来调整其排量DP(Q)的，泵排量的调整是基于压力调整，流量控制和其他相关因素来完成的。（ⅰ）压力补偿式泵控制：控制泵的排量使泵的实际输出压力被调整为理论压力Ppcmd(ⅱ)负载补偿式泵控制：控制泵的排量使实际的泵的压力和负载压力之差被调整为理想的压力之差Qcmd=Qoffset+K.(△Ppcmd-（Pp-PL）)D(ⅲ)流量补偿式泵控制：控制泵的排量使泵的实际输出流量被调整为理想的输出流量QpcmdQcmd=Qoffset+K.(Qpcmd-Qp)(ⅳ)泵的精确流量控制：控制泵的排量使它和所要求的流量相匹配QP=DP(Q).WengQ=(1/Dp)(QP/Weng)Qpcmd=QP(Xs,lift,Xs,tilt)Xs,lift,Xs,tilt——举升阀和俯仰阀的排量，泵的容积可由下式决定Qcmd=Qoffset+K。（1/Dp）(Qpcmd/Weng)，这种泵的控制方式被认为是PFC,PFC控制方式被应用于这种工作是由于和其他控制方式相比它有较为可观的能量利用率.值得注意的是为了应用PFC控制方法,对被应用的特殊的阀,我们需要泵的变换功能(1/DP).(QP,Weng).泵变换的准确度是通过要求流量和输出流量的不匹配来操作的饿,而这种流量的不匹配则会造成严重的性能降低现象.为达到提高得益于PFC中立关闭电液系统能量的利用率而付出的代价是增加了复杂的控制系统.泵排量的动态响应的连带滞后也应计算在内.用以上结论来代替泵的实际排液压式钢筋钢管多功能加工机液压部分设计（外文翻译）02级机制3班潘正华16号7量和所要求的泵的排量相当的假设,那么一级或二极顺序阀的动态特性就应该包括在泵的饿模型中.Q=[1/((tP1S+1)(tP2S+1))]Qcmd(s)tP1,tP2----泵的理想排量动态特性响应和泵的实际排量动态响应.实际上,在中立关闭电液系统中泵的饿动态特性响应时间的影响是非常关键的.因为流量控制阀的频带宽度要远远大于泵的频带宽度.任何一种阀在关闭过程中,如果阀到达零位的时间要比泵早的多,那么泵的流量将无处可去,就会产生较的压力脉冲,这就可能造成通过溢流阀卸荷而低压运行.3.实时控制系统实时控制器硬件包括一个工业PC机和一个基于