回转系统的加载系统设计

高　翔，王　迪，孙立强，赵明敏，李　凡

（克拉玛依职业技术学院，新疆克拉玛依834000）

回转系统的加载系统设计

高翔，王迪，孙立强，赵明敏，李凡

（克拉玛依职业技术学院，新疆克拉玛依834000）

对泵控马达或阀控马达这一回转系统的加载方式进行分析对比。在此基础上，对加载方式中应用频率最高的电液比例溢流阀和节流阀加载系统的组成、工作原理和适用场合进行详尽的分析阐述，以期在工程技术人员对加载装置的选择和搭建方面起到积极作用。

加载方式；比例溢流阀；比例节流阀；适用场合

现场试验搬到室内试验台上模拟已成为试验技术重要的发展方向，而要完成这一工作就需要模拟现场工况［1］。搭建出合理的加载装置，在室内试验台上模拟被加载系统实际工作中遇到的各种工况，使负载或能随机呈现或能按某一规律呈现，这非常有助于提高试验的可控性和准确性，从而通过加载试验完成对被加载系统各种性能的准确测评。本文对回转系统泵控马达或阀控马达系统的加载方式进行了分析讨论。在此基础上，对加载方式中加载效果好、应用频次高的电液比例溢流阀和节流阀加载系统进行了设计，并对它们的组成、工作原理及适用场合做了详细的分析阐述。

1　加载系统的分类

对回转系统进行加载即对系统执行元件马达加载，实质上就是利用加载系统改变马达输出轴上的扭矩。机械加载与液压加载方法在工程实际中应用较多。但机械加载效果不好，加载过程不具备可控制性，并且只能使负载呈现简单规律，应用局限性很大。

相比于机械加载，液压加载凭借其结构简单、可实现长距离操控、能连续加载等优势而在工业控制领域被广泛应用［2］。液压加载依靠液压阀、液压泵、加载油缸和加载泵等元件搭建成一系统，将其输出力作用到马达上，从而增大马达输出轴上的扭矩，实现加载。普通的节流阀或溢流阀加载、电液比例阀加载和伺服阀加载是目前应用较广的方式。

（1）伺服阀加载：实验人员可利用输入伺服阀电信号的变化实现自动控制加载的全过程。伺服阀加载效果好，控制精度高、响应快，加载力灵活多变，优势明显［3］。但伺服阀加载系统也有其明显劣势。表1罗列了伺服阀与比例阀的特性。从表1可知，伺服阀非常精密，对制造精度的要求都相当高，因此，抗污染能力很差，对油液的清洁度要求很高，并且伺服阀结构较为复杂，性价比不高，保养和维护难度大。

表1　电液控制阀特性对比

（2）比例阀加载：相比于伺服阀，比例阀精密度降低，对制造精度的要求降低，并且系统结构更为简化，因此，比例阀加载系统对油液的洁净程度要求相对较低，维护与保养也相对简单、成本低［4］。

（3）普通的节流阀或溢流阀加载：系统结构最简单并且对阀的加工制造精度要求最低，因而系统成本最低，也最便于维护，存在的不足是无法利用电信号控制，因而无法实现自动控制加载过程。

在对回转系统进行加载装置的设计时，设计人员可以根据用户不同的需求条件，选择能满足加载要求且经济性又好的液压加载方式。

2　比例阀加载系统的设计

在上述三种液压加载方式中，电液比例阀加载凭借其能够实现加载过程的自动控制，抗污染能力强等优势而应用最为广泛。比例阀加载，因其核心元件比例阀的不同，可分为比例溢流阀和比例节流阀加载。下面针对回转系统，设计出两种比例阀加载系统并对它们的组成、工作原理及适用场合进行详尽的分析阐述。

2.1比例溢流阀加载系统的组成、原理及适用场合

电液比例溢流阀加载系统如图1示，被加载系统为一回转系统。二次元件DS1是一个伺服变量泵，在系统中被用作加载泵，由马达驱动。DS1可实现正反两个方向旋转。选择DS1作为加载泵的一个重要原因九是它可以为液压马达提供双向加载。P1为供油泵，为二次元件单元DS1供油。BYA1为比例溢流阀，其进油口与DS1出油口相通。

图1　比例溢流阀加载原理图

电信号输入到比例溢流阀的比例放大器中，通过控制电信号来实现控制比例溢流阀中弹簧的预压缩量，进而控制阀口的开启压力。BYA1进油口与DS1出油口接通，BYA1阀口开启压力和DS1出油口压力保持一致，因而BYA1阀口开启压力升高或降低到某一值，DS1出油口压力也会升高或降低到某一值。而DS1出油口的压力值又决定了回转系统执行元件马达输出轴上模拟载荷的大小，这样，就由DS1出油口的压力值控制了马达输出轴上的模拟载荷，完成了对系统的加载。

在加载时，增大输入BYA1的电信号值，BYA1阀口开启压力变大到与电信号值相对应的量，马达输出轴上的模拟载荷跟着增大，马达转速便会降低。马达带动DS1旋转，DS1转速必然也会下降，在DS1排量保持不变的情况下，其输出流量必然会减小。效果好的加载过程要求DS1出口的流量基本恒定，因而要求DS1能够根据转速的升高或降低自动减小或增大其排量。这是DS1选用变量泵的一个关键因素。因为较大流量通过比例溢流阀时会引起大的压力波动与温升，所以比例溢流阀加载多用于DS1小流量输出的场合。

2.2比例节流阀加载系统的组成、原理及适用场合

比例节流阀加载系统如图2示，比例节流阀BYA2与二次元件DS1构成加载系统主体结构为回转系统加载，BYA2的出油口与油箱接通，它的进油口与DS1出油口接通。

图2　比例节流阀加载原理图

比例节流阀加载依据的是节流方程：Q=KA（xv）系统加载采用恒流加载，通过BYA2的流量Q为恒定值，控制阀芯的位置来控制阀口的通流面积A（xv）.流量Q恒定，通流面积增大或减小使得BYA2阀口压差Δp随之减小或增大。因为BYA2的出油口压力为零，所以阀口压差值就是BYA2进油口的压力值。BYA2进油口压力与DS1出油口压力保持一致，而BYA2进油口压力升高或降低到某一值，DS1出油口压力也会升高或降低到某一值。而DS1出油口的压力值又决定了回转系统执行元件马达输出轴上模拟载荷的大小，这样，就由DS1出油口的压力值控制了马达输出轴上的模拟载荷，完成了对系统的加载。

BYA2阀口全开时，输入的电信号最大。在进行比例阀加载前要求BYA2阀口全开，因此需要先输入最大电信号，在加载开始后再逐步调节电信号，控制BYA2阀口开度，使之在全开与全闭间变化。加载时，BYA2阀口开度控制的越小，马达输出轴上的模拟载荷就越大，但是阀口开度过小时BYA2两端压差变化的非线性较明显，这将导致加载的幅度产生大的波动。

节流方程是比例节流阀加载的依据，当通过节流阀的流量过小时，通流面积的变化所能引起的阀口压差的变化很有限，而当通过节流阀的流量较大时，通流面积的变化所能引起的阀口压差的变化很大，加载效果好，因此比例节流阀加载多用于DS1大流量输出的场合。

3　结束语

加载装置能够模拟系统负载，是实验室必不可少的一个环节，同时也广泛应用与工业控制领域。文对加载方式进行了分析介绍，并对应用频率最高的电液比例阀加载系统进行了设计，对其组成、原理作了详尽的阐述。更进一步地，对两种比例阀加载方式应用场合的不同作了本质上的揭示，为今后工程设计人员选择加载方式和搭建加载系统起到一定的指导作用。比例阀加载系统现已应用在国内某些高校的液压试验台上，实践证明，加载效果良好。

［1］高翔.电液比例阀加载系统参数辨识与模糊PID控制策略研究［D］.西安：长安大学，2014.

［2］路甬祥，胡大宏.电液比例控制技术［M］.北京：机械工业出版社，1988.

［3］许益民.电液比例控制系统分析与设计［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［4］吴根茂，邱敏秀.新编实用电液比例技术［M］.杭州：浙江大学出版社，2006.

Study on Loading Method of Rotary System

GAO Xiang，WANG Di，SUN Li-qiang，ZHAOMing-min，LIFan
（Karamay Vocational and Technical College，Karamay Xinjiang 834000，China）

This paper analyze on loadingmethod of rotary system such as pump controlled motor or valve controlled motor.In this basis，the paper makes detailed analysis and elaboration on composition，working principle and applicable occasions of electro-hydraulic proportional relief valve and electro-hydraulic proportional throttle valve loading system which are most frequently applied in the loading method.So that it can play a positive role when engineers select and design a loading device.

loadingmethod；proportional relief valve；proportional throttle valve；applicable occasions

TH137

A

1672-545X（2016）06-0244-02

2016-03-20

高翔（1990-），男，江苏徐州人，硕士研究生，助教，研究方向：液压传动与控制。