比例閥在混勻取料機料耙液壓系統中的運用

劉昌吉， 李遠慧， 陳新元， 付連東， 鄧江洪

（1.武漢鋼鐵公司 港務公司，武漢430082；2.武漢科技大學 機械自動化學院，武漢430081）

1 引 言

混勻取料機料耙驅動機構由曲柄連桿驅動改為液壓系統驅動后，消除了減速機損壞、軸銷斷裂，減少了料耙開裂、耙齒磨損、脫落、牛腿變形等故障。但由于料耙自重大、負載也大，所以慣性大，而料耙成往復運動，運行速度較大、運行周期短，加速度也大，導致換向沖擊大。這加快了液壓管道、液壓元件的損壞，針對上述問題，對原有液壓系統進行了改進。采用了壓力補償器加比例換向閥控制方案，PLC 輸出梯形指令信號，控制通過閥口的流量，從而調節換向時料耙的速度，減少沖擊。

2 改進后的液壓系統原理

改進后的液壓系統原理如圖1 所示。該液壓系統分為循環冷卻系統和主泵系統。

圖1 液壓系統原理圖

循環冷卻系統保證油液的清潔度和溫度在允許范圍內。該系統采用三螺桿泵將油箱中的油吸出，經10μm 的管路過濾器過濾、獨立式強制冷油冷卻裝置降溫后，送回油箱中。

主泵系統采用恒壓變量泵，高壓油經板式過濾器過濾后，經比例閥、壓力補償器進入油缸一腔，另一腔液壓油經壓力補償器、比例閥回油箱，液壓油在回油箱之前經箱上回油過濾器過濾。過濾器的過濾精度為10μm。在主泵出口裝有電磁溢流閥，控制系統壓力。

為了監測油箱中液壓油量，在油箱上安裝了翻板式液位計，并設置高、低、極低三個液位點；為了保證系統的油液清潔度，在各過濾器上安裝了壓差發訊器，壓差值設定在0.25MPa；為了便于檢修，在主泵和三螺桿泵吸油口安裝了蝶閥，該蝶閥帶有限位開關，避免蝶閥未開而啟動泵，導致泵故障。

該系統的主要特點是采用了比例換向閥，閥的開口隨給定信號變化。但是比例換向閥只能起到節流作用，通過閥的流量隨壓差改變。在恒壓系統中，為了準確控制通過比例閥的流量，必須保證負載壓力波動在很小的范圍內。所以該系統中采用了雙出口壓力補償器，對負載壓力進行補償，保證比例閥的壓油口與回油口的壓差為恒定值。

3 改進后比例閥的電氣控制

圖2 比例換向閥控制信號曲線

改進后的系統電氣控制的關鍵在于比例換向閥的控制信號給定。它需要保證在料耙換向時，通過閥口的流量減少，換向后，通過閥口的流量迅速增加。綜合考慮料耙的運行速度、運行周期、現有泵的排量、電機功率、液壓元件性能，最終采用了梯形信號，見圖2。

該系統設置了4 個感應式限位開關A、B、C、D，沿料耙運動方向，從左往右依次安裝，以監測料耙的位置。將比例閥的控制信號曲線分成8 段，分別為a、b、c、d、e、f、g、h。當料耙向右運動，經過感應開關A，料耙速度開始增加，比例閥給定信號按曲線a 增加；當料耙向右運動，經過感應開關B，比例閥給定信號為b 段，是定值，料耙向右按設定最大速度勻速運行；當料耙向右運動，經過感應開關C，比例閥給定信號為c 段，料耙向右減速運動；當料耙經過感應開關D，比例閥信號發生跳躍，為d 段，然后信號為曲線e段，料耙反向加速；料耙向左運動經過感應開關C 后，比例閥信號保持在f 段，料耙向左勻速；料耙向左運行經過感應開關B 后，比例閥信號為曲線g 段，料耙向左減速；料耙向左經過感應開關A，比例閥信號按h 跳變后，料耙立刻反向，然后進入a 段，開始下一循環過程。

各加速、減速段信號，按時間的增加遞增或遞減，如a段，設定斜率k=10，時間間隔為Δt=100ms，信號初始值為i0。自A 被感應開始計時，歷時為t，則x=t/Δt，比例閥給定信號為i=i0+kx，由于比例閥有死區，因此初始值i0應在該值附近設定。

由于料耙運動的方向與比例方向閥的工位對應，因此可以根據上一短時間段比例閥的控制信號所在范圍來判斷料耙的運動方向。

該系統采用控制器為施耐德Quantum 系列PLC，編程語言LL984，比例閥控制曲線a 段的程序如圖3 所示。

圖3

4 改進后的比例系統

改進后的比例系統在使用過程中，沖擊明顯減小。通過利用NI USB-6009，對A 腔、B 腔、泵出口壓力進行測量，將測量值和給出閥信號值在同一坐標圖中顯示，如圖4，橫坐標為時間，縱坐標為測量值。

由圖4 可知，（1）料耙的運動周期約為8.2s，符合工藝需要；（2）由于壓力補償器的作用，料耙接近換向時，兩腔壓差波動小，油缸平穩減速；換向時，工作腔、回油腔壓力同時升高，這是壓力補償器對回油口形成背壓達到的，沖擊減小；(3)料耙運動時，負載變化造成油缸工作腔壓力連續較大的變化，而回油腔壓力在1MPa 左右輕微波動，但機構小車在比例閥的驅動下做平穩的運動。（4）換向時，泵出口壓力過高，可以通過適當降低溢流閥設定值降低泵出口壓力。

圖4 改進后壓力測試曲線

圖5 改進后壓差測試曲線

比例閥信號控制通過現場調試，利用程序進行了優化。調試前的系統工作曲線如圖5 所示，波動曲線為油缸兩腔的壓差曲線。4 處與3 處壓差比較，4 處壓差也應平滑下降，但實際4 處壓差先快速上升后才下降，且最大壓差明顯高于3 處，對應分析比例閥信號曲線，2 處信號值比1 處信號值略大，即換向時，在信號2 處系統流量略大于信號1 處流量，對機構運動的速度影響不大，但增加了沖擊。因此，程序調試，減低比例閥在換向點2 處的信號，降低系統流量，消除沖擊，改善了機構運動。

5 結 語

換向沖擊是運動速度快、換向頻繁、負載大的設備存在的主要問題之一，換向沖擊大大減少元件的壽命，加速密封失效，導致泄漏等，同時影響設備鋼結構的穩定性。系統采用比例換向閥與壓力補償器代替電液換向閥后，系統沖擊顯著減小，設備故障率進一步降低。該方式可以作為其它重載、高速、換向頻繁的設備液壓系統設計的借鑒。

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