电液比例技术在工程机械上的应用综述

2013-01-26

装备制造技术 2013年1期

(聊城大学汽车与交通工程学院，山东聊城 2 52059)

电液比例控制技术是近几年发展起来的机电传动控制的一门新技术，其使用方便，试用面广，抗干扰能力强，性价比高。同时，在液压传动及控制技术的发展过程中，电液比例控制也是继电液伺服控制之后电液控制的又一大重要进展。电液伺服技术首先用于航空，继而用于一些重要工业设备的自动控制，迄今己臻成熟，在国内的各行业得到广泛应用。自60年代末期开始，电液比例技术得到了迅速发展。本文针对电液比例控制应用中电液比例阀的工作原理，对比例阀的负载感应和压力补偿原理进行了分析，特别是在工程机械的先导控制和遥控方面的应用进行了分析。

1 电液比例控制系统概述

1.1 电液比例控制系统的构成

一般来说，电液比例控制系统是由电子放大及校正单元、电液比例控制单元(比例阀，电液比例变量泵及液动机)、动力执行单元及动力源、工程负载及信号检测处理单元所构成。系统可通过设置液压和机械参数中间变量检测反馈闭环，或者通过动力执行单元输出参数检测反馈闭环，改善其静态控制精度和动态品质。信号处理可以采用模拟电子电路或数字式集成电路。数字式集成电路在精读、可靠性、稳定性等项均占有优势，其成本也越来越低廉，故应用日趋广泛。

1.2 电液比例控制系统的分类

（1）开环系统和闭环系统

如按系统的控制方式分类，可将系统分为开环控制与闭环控制系统。开环系统和闭环系统是控制系统的两种最基本的形式。

开环系统就是系统的整个输出对整个系统的输入没有影响的系统。其控制信号与输出信号仅有前向通道，而没有反馈通道。其输入是事先设定的，与输出无关，系统的精度由事先校准精度来控制。

闭环控制系统和开环控制系统之间的区别是多了一条从输出端到输入端的反馈通道。系统的输出信号通过反馈系统反馈到输入端，和输入信号相比较后得到偏差信号作为控制系统的输入，反馈系统的作用便是减少系统的输出偏差，这样就可以得到比较好的控制效果。

（2）恒值系统和随动系统

按输入信号的形式可将系统分为恒值系统和随动系统。

恒值系统是指参考输入量保持常值的系统。其任务是消除或减少扰动信号对系统输出的影响，使被控量保持在给定或希望的数值上。如工业控制中的电机调速系统、温度控制系统和位置控制系统等。

随动系统是指参考输入量随时间任意变化的系统。其任务是要求输出量以一定的精度和速度跟踪和速度跟踪参考输入量，跟踪的速度和精度是随动系统的两项主要性能指标。

（3）节流系统和容积控制系统

按功率调节元件的不同可分为节流控制系统和容积控制系统。

节流控制系统也称为阀控系统，它是利用节流原理控制流入执行元件的流量或压力的系统。这种系统中必有流量控制阀，同时也配有溢流阀。显然，节流控制系统是通过能量损失来实现控制目的，所以必然效率较低。但是，这种系统结构简单，调节控制阀很容易，系统的快速响应能力很强。

容积控制系统又可称为泵控系统，它是利用比例变量泵改变结构参数的办法控制流入执行元件的流量或压力的系统。这种系统的特点是效率较高，发热量小，系统刚度较好，一般用于功率较大的场合。但是，它的结构较复杂，调节惯量较大，快速性不如节流控制系统。

1.3 电液比例控制系统的特点

与其它的液压控制系统相比，电液比例控制系统主要具有以下特点:能简单地实现自控、遥控和程控；工作平稳，灵敏度和控制精度较高，成效快；可简化液压系统，减少元件使用，因此结构简单，同时抗污染能力强；系统的节能效果好；可连续地、按比例地控制液压机构的力、速度，并能防止压力、速度变化或换向时的冲击；能把电的快速性、灵活性及精确性等优点同液压动力传动等特点有机地结合起来，智能化、集成化、自动化程度高。

2 工程机械上常用电液比例阀

电液比例阀包括：比例流量阀、比例压力阀、比例换向阀。根据工程机械液压操作的特点，以结构形式划分电液比例阀主要有两类：一类是螺旋插装式比例阀，另一类是滑阀式比例阀。

螺旋插装式比例阀是通过螺纹将电磁比例插装件固定在油路集成块上的元件，螺旋插装阀具有应用灵活、节省管路和成本低廉等特点，近年来在工程机械上的应用越来越广泛。常用的螺旋插装式比例阀有二通、三通、四通和多通等形式。二通式比例阀主要是比例节流阀，它常与其它元件一起构成复合阀，对流量、压力进行控制；三通式比例阀主要是比例减压阀，也是移动式机械液压系统中应用较多的比例阀，其主要是对液动操作多路阀的先导油路进行操作。利用三通式比例减压阀可以代替传统的手动减压式先导阀，其比手动的先导阀具有更多的灵活性和更高的控制精度。可以制成比例伺服控制手动多路阀，根据不同的输入信号，减压阀使输出活塞具有不同的压力或流量进而实现对多路阀阀芯的位移进行比例控制。四通或多通的螺旋插装式比例阀可以对工作装置实现单独的控制。

滑阀式比例阀又称分配阀，是移动式机械液压系统最基本的元件之一，是能实现方向与流量调节的复合阀。电液滑阀式比例多路阀是比较理想的电液转换控制元件，它不仅保留了手动多路阀的基本功能，还增加了位置电反馈的比例伺服操作和负载传感等先进的控制手段。所以它是工程机械分配阀的更新换代产品。

3 工程机械最新电液比例技术

3.1 电液比例多路阀的负载传感与压力补偿技术

为了节约能量、降低油温和提高控制精度，同时也使同步动作的几个执行元件在运动时互不干扰，现在较先进的工程机械都采用了负载传感与压力补偿技术。负载传感与压力补偿是一个很相似的概念，都是利用负载变化引起的压力变化去调节泵或阀的压力与流量以适应系统的工作需求。负载传感对定量泵系统来讲是将负载压力通过负载感应油路引至远程调压的溢流阀上，当负载较小时，溢流阀调定压力也较小；负载较大时，调定压力也较大，但也始终存在一定的溢流损失。对于变量泵系统是将负载传感油路引入到泵的变量机构，使泵的输出压力随负载压力的升高而升高，使泵的输出流量与系统的实际需要流量相等，无溢流损失，实现了节能。

压力补偿是为了提高阀的控制性能而采取的一种保证措施。将阀口后的负载压力引入压力补偿阀，压力补偿阀对阀口前的压力进行调整使阀口前后的压差为常值，这样根据节流口的流量调节特性流经阀口的流量大小就只与该阀口的开度有关，而不受负载压力的影响。

3.2 工程机械电液比例阀的先导控制与遥控

电液比例阀和其它专用器件的技术进步使工程车辆挡位、转向、制动和工作装置等各种系统的电气控制成为现实。对于一般需要位移输出的机构可采用比例伺服控制手动多路阀驱动器完成。电气操作具有响应快，布线灵活，可实现集成控制和与计算机接口容易等优点，所以现代工程机械液压阀已越来越多地采用电控先导控制的电液比例阀代替手动直接操作或液压先导控制的多路阀。采用电液比例阀的另一个显著优点是在工程车辆上可以大大减少操作手柄的个数，这不但使驾驶室布置简洁，而且能够有效降低操作复杂性，对提高作业质量和效率都具有重要的实际意义。

随着数字式无线通讯技术的迅速发展，出现了性能稳定、工作可靠、适用于工程机械的无线遥控系统，布置在移动机械上的遥控接收装置可以将接收到的无线电信号转换为控制电液比例阀的比例信号和控制电液开关阀的开关信号，以及控制其它装置的相应信号，使得原来手动操作的各个元件都能接受遥控电信号的指令并进行相应动作，此时的工程机械实际上已成为遥控型的工程机械。

无线遥控发射与接收系统已成功地应用于多种工程机械的遥控改造。从安全角度考虑，它发射的每条数字数据指令都具有一组特别的系统地址码，这种地址码厂家只使用一次。每个接收机只对有相同地址码的发射信号有反应，其它无线信号即使是同频率信号也不会对接收装置产生影响，其它安全措施的采用使系统的可靠性得到了充分的保障。在装载机、凿岩机、混凝土泵车、高空作业车和桥梁检修车等多种移动式机械的遥控改造中获得成功。工业遥控装置与电液比例阀相得益彰，电液比例阀为工程机械的遥控化提供了可行的接口，遥控装置又使电液比例阀得以发挥更大的作用。