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簡析雙閥芯控制在液壓多路換向閥中的應用   發(fā)布時間:12-09-10

傳統(tǒng)換向閥的進出油口控制通過多路換向閥一根閥芯來進行,兩油口聽開口對應關(guān)系早在閥芯設(shè)計加工時已確定,在使用過程中不可能修改,多路換向閥從而使得通過兩油口的流量或壓力不能進行獨立控制,互不影響。
     隨著微處理控制器、多路換向閥傳感器元件成本的下降,控制技術(shù)的不斷完善,使得雙閥芯控制技術(shù)在工程機械領(lǐng)域得以應用。英國Utronics公司利用自己的技術(shù)及專利優(yōu)勢研制出雙閥芯多路換向閥,已廣泛應用于JCB、Deere、DAWOO、CASE等公司的挖掘機、*車、裝載機及挖掘裝載機等產(chǎn)品上。多路換向閥為適應中國工程機械產(chǎn)品對液壓系統(tǒng)功能要求。穩(wěn)定性以及自動化控制程度的不斷提高,Utronics公司產(chǎn)品適時進入中國市場,多路換向閥現(xiàn)已初步完成廈工(5t)裝載機、詹陽(8t)挖掘機樣機調(diào)試并進入試驗階段。
     1、傳統(tǒng)單閥芯換向閥的缺陷
     傳統(tǒng)的單閥芯換向閥所組成多路換向閥的液壓系統(tǒng)難以合理解決好以下功能和控制之間存在的矛盾:
     (1)液壓系統(tǒng)設(shè)計時為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,多路換向閥減少負載變化對速度的影響,要么犧牲部分我們想實現(xiàn)的功能,要么增加額外的液壓元件,多路換向閥如調(diào)速閥、壓力控制閥等,通過增加阻尼,提高系統(tǒng)速度剛度來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。多路換向閥但是這樣元件的增加又會降低效率,浪費能源;還會使得整個系統(tǒng)的可*性降低、增加成本。
     (2)由于換向結(jié)構(gòu)的特殊性,使得用戶在實現(xiàn)某一功能時必須購買相應的液壓元件,多路換向閥再加上工程機械廠家會根據(jù)不同最終用戶要求設(shè)計出相應的功能,這樣會造成生產(chǎn)廠家采購同類、多規(guī)格的液壓控制元件來滿足不同功能要求的需要,多路換向閥不利于產(chǎn)品通用化及產(chǎn)品管理,同時會大大提高產(chǎn)品成本。
     (3)由于執(zhí)行機構(gòu)進出液壓油通過一根閥芯進行控制,單獨控制執(zhí)行機構(gòu)兩側(cè)壓力是不可能的。多路換向閥因此,出油側(cè)背壓作用于執(zhí)行機構(gòu)運動的反方向,隨著出油側(cè)背壓升高,為保質(zhì)執(zhí)行機構(gòu)的運動,必須提高進油側(cè)壓力。多路換向閥這樣會使得液壓系統(tǒng)消耗的功能增加,效率低,發(fā)熱增加。
     采用雙閥芯技術(shù)的液壓系統(tǒng),多路換向閥由于執(zhí)行機構(gòu)進出油側(cè)閥口閥芯位置及控制方式各自獨立,互不影響,這樣通過對兩閥芯控制方式的不同組合,利用軟件編程能很好解決傳統(tǒng)單閥系統(tǒng)不能解決的問題,多路換向閥同時還可以輕易實現(xiàn)傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)中難以實現(xiàn)的功能。
     2、雙閥芯換向閥的兩種基本控制策略
     由于雙閥芯換向兩油口控制的靈活性,兩油口可分別采取流量控制、壓力控制或流量壓力控制。正面介紹兩種簡單的控制策略。
     (1)負載方向在整個工作過程多路換向閥中保持不變
     我們知道,對于汽車起重機、挖掘機、裝載機等而言,其液壓缸在整個工作過程中負載方向始終維持不變。多路換向閥下面以起重機變幅液壓缸為例來探討雙閥芯的控制策略。
     起重機變幅缸在工作過程中其受力,多路換向閥負載方向始終保持不變,多路換向閥因此我們可以采取液壓缸有桿控用壓力控制、無桿腔用流量控制的控制策略。
     無桿腔流量控制是通過檢測連接到無桿腔側(cè)閥前后兩側(cè)的壓差,再根據(jù)所需流入或流出流量的多少,多路換向閥計算出閥芯開口大??;有桿腔側(cè)采用壓力控制,使該側(cè)維持一個低值的壓力,使得更加節(jié)能、高效。
     由于我們在無桿腔采用了流量控制多路換向閥,因此原控制系統(tǒng)中所用的平衡閥可用一個液控單向閥來代替。多路換向閥這樣可消除因平衡閥所帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定,從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
     (2)負載方向在工作過程中發(fā)生改變
     在這種情況下,多路換向閥采取“進油側(cè)壓力控制,出油側(cè)流量控制”,在液壓缸有桿腔側(cè)用壓力控制,多路換向閥無桿腔側(cè)有流量控制。
     如負載方向不變,多路換向閥由于出油側(cè)采取了流量控制,我們可將雙向平衡閥用液控單向閥來替換,從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。進油側(cè)用壓力控制器來維持一個較低的參考壓力,多路換向閥一方面提高系統(tǒng)效率,另一方面使系統(tǒng)不發(fā)生氣穴。
     為了使負載方向變化的工作機構(gòu)能得到很好控制,多路換向閥另外一個PI控制器將被運用到有桿腔的壓力控制器中,當負載方向改變后,無桿腔的壓力將減??;如果仍將有桿腔維持一個很低的壓力,當負載很大時,多路換向閥液壓缸將向反方向運動。此時我們可用所增加的PI控制器監(jiān)視無桿腔壓力的變化,當PI控制器檢測到無桿腔壓力低于所設(shè)定的參考值時,多路換向閥將提高有桿腔壓力控制器所設(shè)定的壓力,從而保證系統(tǒng)的正常工作。
     3、Ultronics液壓控制系統(tǒng)
     Ultronics公司是一家集設(shè)計、多路換向閥研究和制造的電子液壓技術(shù)公司。其液壓控制系統(tǒng)采用了CAN總線通信,雙閥芯控制技術(shù),通過兩個閥芯的組合控制,可實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)多種控制,以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,降低能源損耗,多路換向閥同時還可使得系統(tǒng)更加簡單,降低成本,加快產(chǎn)品開發(fā)速度,這些都是傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)所不能做到的。
     Ultronics控制系統(tǒng)的硬件一般由操縱手柄、多路換向閥電控單元ECU、調(diào)節(jié)閥、雙閥芯液壓閥組和外接傳感器或開關(guān)等組成,其間通過CAN總線通信,多路換向閥液壓閥組為電控系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的交匯點,系統(tǒng)的另一個重要組成部分就是軟件。
     手柄為光電非接觸形式,多路換向閥最多可帶4個比例輸出或2個比例輸出和最多5個開關(guān)。開關(guān)有比例式和自鎖式供選擇。其防護等級達到了IP67。手柄的延時特性多路換向閥、輸出曲線和死區(qū)等可通過專用軟件JoyVal進行修改。
     電控單元ECU其供電壓有12V和24V兩種,多路換向閥25路和50路兩種接口,提供模擬與數(shù)字輸入、輸出接口,同時該電控單元還提供了CAN信接口,使得系統(tǒng)可以接收傳感器或控制信號或與其它系統(tǒng)進行連接。ECU中存儲了系統(tǒng)控制所需的所有應用程序,該應用程序可將來自于手柄或連接于ECU上的其它器件和信號(如傳感器檢測信號、發(fā)動機控制系統(tǒng)信息等),多路換向閥經(jīng)處理后轉(zhuǎn)換成各個閥芯動作的指令。
     Ultronics控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在多路換向閥于其獨特的雙閥芯控制技術(shù),每片閥有兩個閥芯,相當于將一個三位四通閥變成兩個三位三通閥的組合,兩個閥芯既可單獨控制,也可根據(jù)控制邏輯進行成對控制,并且兩個工作油口都有壓力傳感器,每一個閥芯都有位置傳感器,通過對傳感信號的閉環(huán)控制可以分別對兩路液壓油的壓力或流量進行控制,具有很高的控制精度,多路換向閥通過不同的組合可以得到許許多多的控制方案,以滿足系統(tǒng)的需要。
     每片閥都有兩個完整的設(shè)置好的混合信號ASIC(模擬型專用集成電路)和一個RISC(精簡指令處理器)。多路換向閥這些控制器給傳感器提供激勵和補償、給控制傳動裝置提供動力、提供閥芯控制軟件以及CAN總線通信。閥芯動作控制策略以及具體的參數(shù)可由用戶根據(jù)被控執(zhí)行元件的要求進行設(shè)置或修改。控制閥接收到指令后,其內(nèi)嵌式處理器就運行閥芯動作控制軟件實現(xiàn)設(shè)定的機能,多個閥間的功能協(xié)調(diào)是由ECU完成的,多路換向閥從而實現(xiàn)復雜的系統(tǒng)功能。這種分級控制方式使系統(tǒng)的應用具有非常好的靈活性,多路換向閥同時易于構(gòu)建復雜的控制系統(tǒng)
     Ultronics控制系統(tǒng)功能的多樣性是通過應用軟件實現(xiàn)的,通過有針對性的編制控制軟件。Ultronics控制系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能是極其廣泛的。履帶挖掘機、多路換向閥輪式挖掘機、裝載機等先進機型在操作舒適性、作業(yè)效率、作業(yè)成本消耗、故障診斷、環(huán)境保護等方面所做的努力,比如發(fā)動機狀態(tài)與液壓系統(tǒng)的適應控制、特定作業(yè)功能等,采用Ultronics系統(tǒng)都可實現(xiàn)。
     總之,通過CAN總線通訊、多路換向閥獨特的雙閥芯結(jié)構(gòu)和壓力、位移傳感器的應用以及壓力或流量的閉環(huán)控制技術(shù)、Ultronics公司的電子液壓控制系統(tǒng)使工程機械控制系統(tǒng)在功能的多樣性、實現(xiàn)的靈活性、較低的性價比以及控制理念、維修模式等諸多方面都將引發(fā)一次革命性的變化。


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