工程機械負載敏感比例多路閥抗流量飽和方法

陳奕澤，葛于杰，張燕軍，賈鵬飛，全慶宇

(1.江蘇科邁液壓控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 揚州 225000；2.揚州大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 揚州 225000)

0 引言

負載敏感比例多路閥是將兩片以上工作模塊組合在一起，用于控制多個執(zhí)行缸動作的閥組。閥組中的每片工作模塊均可單獨設(shè)置流量、壓力、中位機能、控制方式，以滿足不同液壓系統(tǒng)的需要，該閥在煤礦機械、工程機械、農(nóng)業(yè)機械、船舶等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。該閥主閥芯的換向動作采用電磁鐵比例控制和遠程液壓先導(dǎo)比例控制，具有良好的流量比例控制特性[4-6]。目前多數(shù)負載敏感多路閥采用前置壓力補償閥，即壓力補償閥的位置設(shè)置在主閥桿前，每個回路的流量與主閥的開度和主閥口兩端的壓差成比例，但前置式的壓力補償閥無法實現(xiàn)流量抗飽和功能，隨著動作次數(shù)增加，壓力補償閥的調(diào)壓彈簧會磨損，主閥口的補償壓力值會變化，從而影響了主閥的流量準(zhǔn)確性。

針對上述問題，本文提出一種工程機械負載敏感比例多路閥抗流量飽和方法：首先通過壓力傳感器檢測各執(zhí)行缸的實時油壓值，并對其進行比較得到油壓最大值；然后控制器獲取系統(tǒng)輸出壓力值并計算其流量差值，與設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)工作油壓比較；最后在低于標(biāo)準(zhǔn)工作油壓時，啟動抗流量飽和功能，通過修正各執(zhí)行缸需求流量，控制比例電磁鐵的電流值調(diào)整閥塊的閥芯位移量，改變到達各執(zhí)行油缸的流量，最終實現(xiàn)抗流量飽和功能。

1 控制系統(tǒng)控制流程

如圖1所示，本文提出的負載敏感比例多路閥主要由三片閥塊、控制器和回路控制器組成，每個閥塊都設(shè)有壓力傳感器，用于采集對應(yīng)執(zhí)行缸的實時工作油壓，回路控制器用于控制各閥塊中比例電磁鐵的電流值，從而控制閥塊中閥芯位移量，同時回路控制器還與控制器電連接。

圖1 負載敏感比例多路閥抗流量飽和方法的控制系統(tǒng)

圖2為負載敏感比例多路閥抗流量飽和工作流程圖，其主要過程為：首先通過壓力傳感器采集各執(zhí)行缸的實時工作油壓值P1，P2，…，Pn，將其傳輸給控制器進行比較，確定最大油壓值Pmax；然后設(shè)定一個標(biāo)準(zhǔn)壓力差值ΔP0，獲取系統(tǒng)輸出壓力值P，得到P與Pmax的差值ΔP，如式1所示，并將ΔP與設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)壓力差值ΔP0進行比較，當(dāng)ΔP<ΔP0時，提示到達各執(zhí)行缸的流量不夠，啟動抗流量飽和功能，利用Pmax與ΔP0計算油量衰減幅度系數(shù)C(如式2所示)，修正各執(zhí)行缸需求流量Q1，Q2，…，Qn，獲得各執(zhí)行缸的調(diào)整后流量Q1′，Q2′，…，Qn′，其計算公式如式3所示；最后控制器將調(diào)整后流量Q1′，Q2′，…，Qn′信號分別輸送至控制各執(zhí)行缸的閥塊中的回路控制器，再由各回路控制器調(diào)整所述對應(yīng)閥塊的比例電磁鐵的電流大小I1，I2，…，In，進而控制對應(yīng)閥塊的主閥芯位移量，改變達到各執(zhí)行油缸的流量，最終實現(xiàn)抗流量飽和功能。相關(guān)計算公式如下：

ΔP=|P-Pmax|.

(1)

C=0.25×ΔP0Pmax.

(2)

Qn′=CQn.

(3)

其中：ΔP為壓力差值；P為系統(tǒng)輸出壓力值；Pmax為最大油壓值；n為各執(zhí)行缸的編號。

圖2 負載敏感比例多路閥抗流量飽和工作流程圖

2 閥體結(jié)構(gòu)與工作流程

2.1 閥體結(jié)構(gòu)

負載敏感比例多路閥的單個閥塊結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括閥體1、連接塊2、連接塊3和保護罩6。其中閥體1上開設(shè)有閥芯腔、進油口13和出油口14，進油口13和閥體內(nèi)的進油腔連通，出油口14和閥體內(nèi)的出油腔連通，主閥芯10設(shè)置在閥芯腔內(nèi)。閥體一端固定連接連接塊2，另一端固定連接連接塊3。

如圖3所示，在連接塊2內(nèi)設(shè)有彈簧復(fù)位腔21和雙頭比例電磁鐵20，雙頭比例電磁鐵20設(shè)在彈簧復(fù)位腔21內(nèi)，彈簧復(fù)位腔21內(nèi)設(shè)有連接螺釘210，連接螺釘210的一端螺紋連接主閥芯10伸入彈簧復(fù)位腔21的一端，另一端與位移傳感器4連接，連接螺釘210外套設(shè)有復(fù)位彈簧211，用于主閥芯10的復(fù)位。

位移傳感器4的外側(cè)設(shè)有內(nèi)置放大器5并電連接，內(nèi)置放大器5和位移傳感器4固定密封在保護罩6內(nèi)構(gòu)成一模塊，保護罩6與連接塊2集成為一體。

內(nèi)置放大器5通過導(dǎo)線與雙頭比例電磁鐵20進行電連接，雙頭比例電磁鐵20還連接有控制信號插座(圖中未示出)，用于電信號輸入。位移傳感器4、內(nèi)置放大器5和雙頭比例電磁鐵20構(gòu)成了反饋閉環(huán)，用于檢測糾正主閥芯10的位移量，進一步提高主閥芯10的位移精度。

連接塊2內(nèi)還設(shè)有壓力傳感器22，壓力傳感器22用于采集閥體1出油口14的油壓，壓力傳感器22還電連接有控制器(圖中未示出)。

連接塊3內(nèi)設(shè)有移動腔30，主閥芯10的一端伸入彈簧復(fù)位腔21內(nèi)，主閥芯10的另一端伸入移動腔30內(nèi)。

閥體1靠近雙頭比例電磁鐵20的一端內(nèi)設(shè)置第一減壓閥11和第二減壓閥(圖中未示出)，第一減壓閥11通過第一油路12連接彈簧復(fù)位腔21，第二減壓閥通過第二油路(圖中未示出)連接移動腔30，雙頭比例電磁鐵20的兩個頂桿201分別與第一減壓閥11和第二減壓閥一一對應(yīng)、頂壓，即雙頭比例電磁鐵20的一個頂桿201與第一減壓閥11的閥芯帽頂壓(或另一個頂桿與第二減壓閥的閥芯帽頂壓)，閥芯帽帶動第一減壓閥11(或第二減壓閥)的閥芯移動，實現(xiàn)先導(dǎo)油輸入或輸出第一油路12(或第二油路)。

保護罩6內(nèi)還設(shè)有回路控制器(圖中未示出)，回路控制器與雙頭比例電磁鐵20電連接，回路控制器還與控制器電連接。

1-閥體；10-主閥芯；11-第一減壓閥；12-第一油路；13-進油口；14-出油口；2-連接塊；20-雙頭比例電磁鐵；201-頂桿；21-彈簧復(fù)位腔；210-連接螺釘；211-復(fù)位彈簧；22-壓力傳感器；3-連接塊；30-移動腔；4-位移傳感器；5-放大器；6-保護罩圖3 負載敏感比例多路閥的單片閥塊各剖面圖

2.2 工作過程

控制器反饋信號給予各回路控制器，由回路控制器控制雙頭比例電磁鐵的電流值，雙頭比例電磁鐵的工作過程同上，控制主閥芯的位移量，進而實現(xiàn)抗流量飽和功能。

主閥芯向上極限位狀態(tài)示意圖如圖4所示。當(dāng)給雙頭比例電磁鐵中控制第一油路的比例電磁鐵施加電流控制信號時，鐵芯與磁極之間產(chǎn)生吸力，吸力推動頂桿向下運動，頂桿向下產(chǎn)生推力，頂壓第一減壓閥的閥芯帽進而使得第一減壓閥的閥芯向下移動，使得先導(dǎo)油經(jīng)第一油路輸入彈簧復(fù)位腔內(nèi)，當(dāng)彈簧復(fù)位腔內(nèi)的壓力大于移動腔內(nèi)的壓力時，使得主閥芯向下移動，主閥芯的位移量與雙頭比例電磁鐵輸入的電信號大小呈正比。

主閥芯向下極限位狀態(tài)示意圖如圖5所示。當(dāng)給雙頭比例電磁鐵中控制第二油路的比例電磁鐵施加電流控制信號時，同理，移動腔輸入先導(dǎo)油，當(dāng)移動腔內(nèi)壓力大于彈簧復(fù)位腔內(nèi)的壓力時，主閥芯向上移動，主閥芯的位移量與雙頭比例電磁鐵輸入的電信號大小呈正比。當(dāng)電流控制信號中斷，主閥芯在復(fù)位彈簧的作用下在閥體的閥芯腔內(nèi)保持中位。

1-閥體；10-主閥芯；11-第一減壓閥；2-連接塊；20-雙頭比例電磁鐵；201-頂桿；21-彈簧復(fù)位腔；210-連接螺釘；211-復(fù)位彈簧；4-位移傳感器；5-放大器；6-保護罩圖4 主閥芯向上極限位狀態(tài)示意圖

3 結(jié)論

本文所設(shè)計的負載敏感比例多路閥的閥塊包括依次集成為一體的連接塊3(內(nèi)設(shè)移動腔)、閥體1(閥芯腔內(nèi)設(shè)有主閥芯)、連接塊2(內(nèi)設(shè)雙頭比例電磁鐵、壓力傳感器和彈簧復(fù)位腔)以及保護罩(內(nèi)設(shè)位移傳感器和內(nèi)置放大器)，其分模塊依次疊加集成為一體，有效減小了體積，結(jié)構(gòu)緊湊，易安裝拆卸。

利用雙頭比例電磁鐵、減壓閥及油路配合實現(xiàn)對主閥芯的雙向移動，并通過雙頭比例電磁鐵、位移傳感器和內(nèi)置放大器電連接形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對主閥芯的位置檢測糾正，具有優(yōu)越的操作性能，進一步提高了閥芯位移精度。

閥塊內(nèi)的壓力傳感器、雙頭比例電磁鐵和回路控制器與控制器的配合，能夠?qū)崿F(xiàn)抗流量飽和功能。

1-閥體；10-主閥芯；11-第一減壓閥；2-連接塊；20-雙頭比例電磁鐵；201-頂桿；21-彈簧復(fù)位腔；210-連接螺釘；211-復(fù)位彈簧；4-位移傳感器；5-放大器；6-保護罩圖5 主閥芯向下極限位狀態(tài)示意圖