機(jī)構(gòu)雙柔性換向的控制策略分析與應(yīng)用

李偉濤

深圳東風(fēng)汽車有限公司 廣東深圳 518000

1 前言

液壓油缸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)某一功能，是實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化的一種方式。機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)終端進(jìn)行換向時(shí)，往往會(huì)有較大沖擊，從而引起沖擊噪聲并造成機(jī)構(gòu)部件的損壞，導(dǎo)致設(shè)備故障率高。國內(nèi)有各種各樣技術(shù)途徑降低機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)終端換向沖擊，但有的實(shí)施成本高（如提高工裝精度），有的系統(tǒng)復(fù)雜（如運(yùn)用液壓伺服控制系統(tǒng)），而且還達(dá)不到理想的效果，都存在各種弊端。

本文將從機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)終端換向的控制策略上進(jìn)行分析，通過液壓控制原理、控制流程兩方面相輔相成的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)終端先柔性停止后再柔性啟動(dòng)的雙柔性換向效果，降低了換向沖擊，解決了技術(shù)難題。

2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)終端換向的傳統(tǒng)控制策略

2.1 傳統(tǒng)控制策略簡述

為了更好地闡述機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)終端換向的控制策略，筆者以車廂可卸式垃圾車配套的連體式垃圾壓縮箱為例進(jìn)行分析。

連體箱垃圾壓縮箱分為推板壓縮、翻轉(zhuǎn)進(jìn)料、后門鎖緊三個(gè)作業(yè)動(dòng)作，其中推板壓縮作業(yè)為典型的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，推出和回程均需進(jìn)行推板運(yùn)動(dòng)終端的換向控制，連體壓縮箱的液壓控制原理如圖1所示，推板往復(fù)運(yùn)動(dòng)一個(gè)循環(huán)的控制流程如圖2所示。

圖1 液壓控制原理圖

圖2 控制流程圖

從圖1液壓控制原理圖可以看出，推板的液壓控制油路上，由a電機(jī)泵組輸出動(dòng)力及高壓油，經(jīng)過a電磁式溢流閥進(jìn)行壓力的建壓或卸荷、穩(wěn)壓、限壓后，通過中位為“O”型的a電磁換向閥進(jìn)行液流的方向控制，液流進(jìn)入壓縮油缸，壓縮油缸驅(qū)動(dòng)推板進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)終端的信號由推板上的碰塊觸發(fā)前后端行程開關(guān)S、K而發(fā)出指令。

從圖2推板控制流程圖可以看出，推板一個(gè)完整的往復(fù)運(yùn)動(dòng)終端控制過程（推板前進(jìn)過程和推板回程過程為非終端狀態(tài)）分為L1原點(diǎn)啟動(dòng)推出過程、L2前端終點(diǎn)停止過程、G1推板停止?fàn)顟B(tài)、L3前端啟動(dòng)回程過程、L4原點(diǎn)停止過程、G2推板停止?fàn)顟B(tài)。

2.2 存在的技術(shù)短板分析

結(jié)合圖1、2的控制策略分析，G2推板原點(diǎn)停止?fàn)顟B(tài)時(shí)壓縮油缸有桿腔處于高壓狀態(tài)，此時(shí)有桿腔液壓剛度較大，類似于高壓彈簧反向加載，當(dāng)推板開始進(jìn)行L1原點(diǎn)啟動(dòng)推出過程，DT1、DT4同時(shí)通電，油泵流量Q以全流量Q=Q1進(jìn)入壓縮油缸無桿腔，推板由靜到瞬間高速運(yùn)動(dòng)，加速度較大，此時(shí)推板以瞬間高速撞擊反向高壓彈簧的方式啟動(dòng)推出，產(chǎn)生了嚴(yán)重的液壓沖擊，同理，當(dāng)推板L3前端啟動(dòng)回程過程也由于較大加速度瞬間產(chǎn)生高速，撞擊反向高壓彈簧（液壓剛度）產(chǎn)生同樣嚴(yán)重的液壓沖擊。

當(dāng)推板進(jìn)入前端終點(diǎn)時(shí)，開始L2前端終點(diǎn)停止過程，推板的碰塊觸發(fā)前端行程開關(guān)S，發(fā)出指令，DT1、DT4同時(shí)斷電，油泵流量Q瞬間卸荷，推板運(yùn)動(dòng)由高速突然停止，反向加速度較大，產(chǎn)生了嚴(yán)重的液壓沖擊；同理，當(dāng)推板進(jìn)入L4原點(diǎn)停止過程，由于反向加速度較大，推板由高速突然停止，產(chǎn)生了同樣嚴(yán)重的液壓沖擊。

從以上分析可知，此控制策略存在如下技術(shù)短板：

a. L1原點(diǎn)啟動(dòng)推出過程和L3前端啟動(dòng)回程過程：G1/G2推板停止?fàn)顟B(tài)時(shí)壓縮油缸腔內(nèi)存有高壓油，液壓剛度大，此時(shí)以全流量瞬間高速撞擊反向高壓彈簧啟動(dòng)推板，這兩個(gè)過程均是一種剛性啟動(dòng)方式，形成液壓沖擊。

b. L2前端終點(diǎn)停止過程和L4原點(diǎn)停止過程：這兩個(gè)過程時(shí)全流量瞬間卸荷，推板由高速突然停止，反向加速度大，這兩個(gè)過程均是一種剛性停止方式，形成液壓沖擊。

剛性停止到剛性啟動(dòng)的換向方式，造成嚴(yán)重的換向沖擊，將產(chǎn)生較大的沖擊噪聲并導(dǎo)致機(jī)構(gòu)部件壽命降低。

3 機(jī)構(gòu)雙柔性換向的控制策略

3.1 液壓控制原理分析與優(yōu)化

針對往復(fù)運(yùn)動(dòng)的剛性換向及產(chǎn)生的原因，首先從液壓控制原理上進(jìn)行優(yōu)化，以避免形成換向沖擊，優(yōu)化后的液壓控制原理如圖3所示。

相比原液壓控制原理，優(yōu)化了三個(gè)方面：a電磁換向閥中位由“O”型改成為“Y”型，用于對G1/G2推板停止?fàn)顟B(tài)時(shí)壓縮油缸無桿腔和有桿腔進(jìn)行卸荷；在油泵出口設(shè)置了電磁式旁路節(jié)流閥，用于調(diào)節(jié)推板啟動(dòng)和停止的速度，降低換向時(shí)的加速度；在推板前后端增加了行程開關(guān)S2和 K2,用于推板換向的停止和啟動(dòng)階段時(shí)，由高速分解成高速和慢速兩個(gè)過程，避免加速度過大帶來的液壓沖擊。

圖3 優(yōu)化的液壓控制原理圖

當(dāng)電磁鐵均不通電時(shí)，a電磁換向閥中位為“Y”型，壓縮油缸的無腔桿和有桿腔均與油箱直接相通，腔內(nèi)處于卸壓狀態(tài)，使得換向時(shí)反向高壓彈簧作用不復(fù)存在。

3）方案設(shè)計(jì)。封堵設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容應(yīng)當(dāng)包含：設(shè)計(jì)說明書、水井巖性柱狀圖、封堵設(shè)計(jì)柱狀圖、封堵施工方案、封堵技術(shù)及質(zhì)量要求等。

當(dāng)推板啟動(dòng)或停止時(shí)，電磁式旁路節(jié)流閥可以控制其啟動(dòng)或停止的速度，根據(jù)閥口流量公式：

式中，P為工作壓力；Y為閥口面積（旁路節(jié)流口）；C為閥口系數(shù)（與設(shè)計(jì)的閥口型式有關(guān)）；ρ為液壓油的密度。

式中，Q為油泵系統(tǒng)流量； Q1為工作流量（決定推板的速度）；Q2為分流流量。

當(dāng)DT3不通電時(shí)，電磁式旁路節(jié)流閥處失效狀態(tài)，此時(shí)Q2=0，Q1=Q，推板以全流量作高速運(yùn)動(dòng)；當(dāng)DT3通電時(shí)，電磁式旁路節(jié)流閥工作，Q2處于分流狀態(tài)（Q2流量可通過調(diào)節(jié)旁路節(jié)流口Y來改變），工作流量Q1=Q-Q2，推板以半流量作慢速運(yùn)動(dòng)。

在推板前后端除了原來的行程開關(guān)S1、K1,增加了行程開關(guān)S2、K2,S1和S2在前端,兩者距離可調(diào),一般距離為50 mm即可；同樣,K1和K2在后端,兩者距離可調(diào),一般距離為50 mm即可。這是用于行程終端的分段調(diào)速區(qū)分點(diǎn)，S1與 S2之 間、K1與K2之間為推板慢速段，S2與 K2之間為推板高速快速段。

3.2 控制流程的分析與優(yōu)化

結(jié)合優(yōu)化后的液壓控制原理，推板的控制流程優(yōu)化如圖4所示。

圖4 優(yōu)化的控制流程圖

結(jié)合圖3、4的控制策略分析，G1/G2推板原點(diǎn)停止?fàn)顟B(tài)時(shí)壓縮油缸有桿腔和無桿腔處于卸壓狀態(tài)，消除了類似于高壓彈簧反向加載，當(dāng)推板開始進(jìn)行L1原點(diǎn)啟動(dòng)推出過程，DT3、DT4通電，預(yù)加壓0.1 s后，DT1、DT3、DT4同時(shí)通電，工作流量Q1=Q-Q2以半流量狀態(tài)進(jìn)入壓縮油缸無桿腔，推板由靜止到慢速啟動(dòng)，加速度小，延時(shí)2 s后，DT1、DT4通電，DT3斷電，工作流量Q1=Q以全流量狀態(tài)進(jìn)入壓縮油缸無桿腔，推板高速前進(jìn)；同理，當(dāng)推板L3前端啟動(dòng)回程過程，也通過控制DT3實(shí)現(xiàn)慢速啟動(dòng)、高速回程兩個(gè)階段。無反向高壓彈簧作用，且降低了啟動(dòng)的加速度，大大降低了液壓沖擊。

當(dāng)推板進(jìn)入前端終點(diǎn)時(shí)，進(jìn)入L2前端終點(diǎn)停止過程，推板碰塊觸發(fā)前端行程開關(guān)S2,發(fā)出指令，DT1、DT3、DT4同時(shí)通電, 壓縮油缸切換成以工作流量Q1=QQ2以半流量狀態(tài)工作，推板由高速前進(jìn)切換成慢速前進(jìn)，當(dāng)推板碰塊觸發(fā)前端行程開關(guān)S1時(shí)，DT1斷電，降為低壓，延時(shí)0.1 s后，DT1、DT3、DT4均斷電，這樣就把L2前端終點(diǎn)停止過程分為高速降慢速、慢速停止兩個(gè)階段；同理，L4原點(diǎn)停止過程也通過控制電磁式旁路節(jié)流閥DT3,把原點(diǎn)停止過程分成高速降慢速、慢速停止兩個(gè)階段。這樣進(jìn)行停止過程的控制，降低了停止的反向加速度，大大降低了液壓沖擊。

3.3 技術(shù)優(yōu)勢

液壓控制原理與控制流程相輔相成優(yōu)化后，從以上分析可知，此控制策略存在如下技術(shù)優(yōu)勢：

a. 當(dāng)電磁鐵均不通電時(shí)，a電磁換向閥中位為“Y”型，壓縮油缸的無腔桿和有桿腔均與油箱直接相通，腔內(nèi)處于卸壓狀態(tài)，且優(yōu)化后的控制流程中，增加了啟動(dòng)預(yù)加壓、停止降壓環(huán)節(jié)，使得換向時(shí)反向高壓彈簧作用不復(fù)存在；

b. L1原點(diǎn)啟動(dòng)推出過程和L3前端啟動(dòng)回程過程：控制電磁式旁路節(jié)流閥DT3實(shí)現(xiàn)慢速啟動(dòng)、高速作業(yè)兩個(gè)階段，降低了啟動(dòng)的加速度；L2前端終點(diǎn)停止過程和L4原點(diǎn)停止過程：控制電磁式旁路節(jié)流閥DT3分成高速降慢速、慢速停止兩個(gè)階段，降低了停止的反向加速度；

c. 通過以上a和b兩點(diǎn)，推板在運(yùn)動(dòng)終端換向時(shí)，實(shí)現(xiàn)了無反向高壓彈簧作用下的慢速停止和慢速啟動(dòng)，但又不會(huì)影響正常作業(yè)的高速運(yùn)動(dòng)，是一種先柔性停止后再柔性啟動(dòng)的雙柔性換向模式，這種雙柔性換向模式將大大降低換向沖擊，從而降低了沖擊噪聲并減少了沖擊引起的機(jī)構(gòu)部件損壞。

d. 這種控制策略的優(yōu)化（液壓控制原理與控制流程兩方面相輔相成的優(yōu)化），增加部件較少，實(shí)施途徑簡單，成本低。

3.4 新型控制策略的應(yīng)用

車廂可卸式垃圾車配套的連體式垃圾壓縮箱，在裝載壓縮垃圾時(shí)，推板是典型的以往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行作業(yè)的模式，其終端換向的沖擊大小，將直接影響作業(yè)噪音和產(chǎn)品的壽命。優(yōu)化后控制策略應(yīng)用于車廂可卸式垃圾車及連體垃圾壓縮箱如圖5所示，其在液壓控制原理和控制流程上均作了上述優(yōu)化，提高了車廂可卸式垃圾車及連體垃圾壓縮箱的性能和技術(shù)水平。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證優(yōu)化后雙柔性換向控制策略的實(shí)際效果，采用同一臺(tái)車廂可卸式垃圾車，在其配套的連體式垃圾壓縮箱上，首先運(yùn)用傳統(tǒng)的液壓控制原理和控制流程進(jìn)行實(shí)際作業(yè)，再更改成優(yōu)化的液壓控制原理和控制流程進(jìn)行實(shí)際作業(yè)。圖6為用于比較效果的試驗(yàn)樣車，圖7為連體式垃圾壓縮箱進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)作業(yè)。

圖5 雙柔性換向的車廂可卸式垃圾車

圖6 試驗(yàn)樣車

圖7 試驗(yàn)作業(yè)

表1 檢測記錄表

從試驗(yàn)檢測記錄表1可以看出，推板推出和回程噪聲優(yōu)化后降低約11 dB(A)，表明優(yōu)化后的控制策略實(shí)現(xiàn)了顯著的雙柔性換向效果，沖擊噪聲大幅度下降，作業(yè)沖擊大大減少；推板推出和回程的換向壓力下降約10 MPa，推出和回程的耳軸在換向瞬間的變形量下降約6 μm，可以推斷出，機(jī)構(gòu)在雙柔性換向作業(yè)模式下，沖擊小，機(jī)構(gòu)和液壓部件的壽命將相應(yīng)提高。從試驗(yàn)檢測的數(shù)據(jù)可以看出，優(yōu)化的機(jī)構(gòu)雙柔性換向控制策略達(dá)到了較好的效果，理論得到了有效的驗(yàn)證。

5 結(jié)語

優(yōu)化后的控制策略，使機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了先柔性停止后再柔性啟動(dòng)的雙柔性換向效果，應(yīng)用于車廂可卸式垃圾車的連體式垃圾壓縮箱后，車輛作業(yè)噪聲低，可靠性高，成本低，性能上得到了較大的提升。

a.換向沖擊小，作業(yè)時(shí)由沖擊帶來的作業(yè)噪聲低，減少了對周圍環(huán)境的“噪聲污染”；

b.減少了對機(jī)構(gòu)、液壓部件的沖擊損壞，提高了可靠性，延長了設(shè)備的壽命；

c.設(shè)備性能（作業(yè)噪聲降低，可靠性提高）提高的關(guān)鍵技術(shù)核心，主要是控制策略的優(yōu)化（控制流程與液壓控制原理相結(jié)合的優(yōu)化），實(shí)施途徑簡單,成本低。