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(yáng)州 225000；2.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000)

0 引言

負(fù)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(gè)執(zhí)行缸動(dòng)作的閥組。閥組中的每片工作模塊均可單獨(dú)設(shè)置流量、壓力、中位機(jī)能、控制方式，以滿足不同液壓系統(tǒng)的需要，該閥在煤礦機(jī)械、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)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(dòng)作采用電磁鐵比例控制和遠(yuǎn)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(fù)載敏感多路閥采用前置壓力補(bǔ)償閥，即壓力補(bǔ)償閥的位置設(shè)置在主閥桿前，每個(gè)回路的流量與主閥的開(kāi)度和主閥口兩端的壓差成比例，但前置式的壓力補(bǔ)償閥無(wú)法實(shí)現(xiàn)流量抗飽和功能，隨著動(dòng)作次數(shù)增加，壓力補(bǔ)償閥的調(diào)壓彈簧會(huì)磨損，主閥口的補(bǔ)償壓力值會(huì)變化，從而影響了主閥的流量準(zhǔn)確性。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種工程機(jī)械負(fù)載敏感比例多路閥抗流量飽和方法：首先通過(guò)壓力傳感器檢測(cè)各執(zhí)行缸的實(shí)時(shí)油壓值，并對(duì)其進(jìn)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(jì)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(shí)，啟動(dòng)抗流量飽和功能，通過(guò)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(dá)各執(zhí)行油缸的流量，最終實(shí)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(fù)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(gè)閥塊都設(shè)有壓力傳感器，用于采集對(duì)應(yīng)執(zhí)行缸的實(shí)時(shí)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(shí)回路控制器還與控制器電連接。

圖1 負(fù)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(fù)載敏感比例多路閥抗流量飽和工作流程圖，其主要過(guò)程為：首先通過(guò)壓力傳感器采集各執(zhí)行缸的實(shí)時(shí)工作油壓值P1，P2，…，Pn，將其傳輸給控制器進(jìn)行比較，確定最大油壓值Pmax；然后設(shè)定一個(gè)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(jìn)行比較，當(dāng)ΔP<ΔP0時(shí)，提示到達(dá)各執(zhí)行缸的流量不夠，啟動(dòng)抗流量飽和功能，利用Pmax與ΔP0計(jì)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(jì)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(hào)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(duì)應(yīng)閥塊的比例電磁鐵的電流大小I1，I2，…，In，進(jìn)而控制對(duì)應(yīng)閥塊的主閥芯位移量，改變達(dá)到各執(zhí)行油缸的流量，最終實(shí)現(xiàn)抗流量飽和功能。相關(guān)計(jì)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(hào)。

圖2 負(fù)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(fù)載敏感比例多路閥的單個(gè)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(hù)罩6。其中閥體1上開(kāi)設(shè)有閥芯腔、進(jìn)油口13和出油口14，進(jìn)油口13和閥體內(nèi)的進(jìn)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(hù)罩6內(nèi)構(gòu)成一模塊，保護(hù)罩6與連接塊2集成為一體。

內(nèi)置放大器5通過(guò)導(dǎo)線與雙頭比例電磁鐵20進(jìn)行電連接，雙頭比例電磁鐵20還連接有控制信號(hào)插座(圖中未示出)，用于電信號(hào)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(cè)糾正主閥芯10的位移量，進(jìn)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(dòng)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(dòng)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(guò)第一油路12連接彈簧復(fù)位腔21，第二減壓閥通過(guò)第二油路(圖中未示出)連接移動(dòng)腔30，雙頭比例電磁鐵20的兩個(gè)頂桿201分別與第一減壓閥11和第二減壓閥一一對(duì)應(yīng)、頂壓，即雙頭比例電磁鐵20的一個(gè)頂桿201與第一減壓閥11的閥芯帽頂壓(或另一個(gè)頂桿與第二減壓閥的閥芯帽頂壓)，閥芯帽帶動(dòng)第一減壓閥11(或第二減壓閥)的閥芯移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)先導(dǎo)油輸入或輸出第一油路12(或第二油路)。

保護(hù)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(jìn)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(dòng)腔；4-位移傳感器；5-放大器；6-保護(hù)罩圖3 負(fù)載敏感比例多路閥的單片閥塊各剖面圖

2.2 工作過(guò)程

控制器反饋信號(hào)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(guò)程同上，控制主閥芯的位移量，進(jìn)而實(shí)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(hào)時(shí)，鐵芯與磁極之間產(chǎn)生吸力，吸力推動(dòng)頂桿向下運(yùn)動(dòng)，頂桿向下產(chǎn)生推力，頂壓第一減壓閥的閥芯帽進(jìn)而使得第一減壓閥的閥芯向下移動(dòng)，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(dòng)腔內(nèi)的壓力時(shí)，使得主閥芯向下移動(dòng)，主閥芯的位移量與雙頭比例電磁鐵輸入的電信號(hào)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(hào)時(shí)，同理，移動(dòng)腔輸入先導(dǎo)油，當(dāng)移動(dòng)腔內(nèi)壓力大于彈簧復(fù)位腔內(nèi)的壓力時(shí)，主閥芯向上移動(dòng)，主閥芯的位移量與雙頭比例電磁鐵輸入的電信號(hào)大小呈正比。當(dāng)電流控制信號(hào)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(hù)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(jì)的負(fù)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(dòng)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(hù)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(shí)現(xiàn)對(duì)主閥芯的雙向移動(dòng)，并通過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)主閥芯的位置檢測(cè)糾正，具有優(yōu)越的操作性能，進(jìn)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(hù)罩圖5 主閥芯向下極限位狀態(tài)示意圖