压缩式垃圾车填塞器数字电液比例液压系统的研究.pdf

2 0 1 1年 1 2月 第 3 9卷 第 2 4期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS De e ． 2 01 1 V0 l _ 3 9 No ． 2 4 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 2 4 ． 0 2 9 压缩式垃圾车填塞器数字 电液 比例液压 系统的研究 曾文武 宜春学院理工学院，江西宜春 3 3 6 0 0 0 摘要 采用高速开关阀设计后装式压缩垃圾车填塞器液压系统，构造出填塞器液压系统原理图。通过调控 P WM信号 的占空比，能够实现对多路阀阀芯位移的控制，从而实现对垃圾车工作装置的控制。 关键词 填塞器 ；液压系统；高速开关阀 中图分类号U 4 6 9 ． 6 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 2 4 0 8 0 3 S t u d y o n Di g i t a l El e c t r o h y d r a u l i c P r o p o r t i o n a l Hy d r a uli c S y s t e m o f Fi l l i n g De v i c e o f Co mp r e s s e d Ga r b a g e Tr u c ks ZENG W e n wu C o l l e g e o f T e c h n o l o g y ，Y i c h u n U n i v e r s i t y ，Y i c h u n J i a n g x i 3 3 6 0 0 0，C h i n a Ab s t r a c t Hi g h - s p e e d o n - o ff v a l v e wa s a d o p t e d t o d e s i g n t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f fi l l i n g d e v i c e o f b a c k - l o a d i n g c o mp r e s s e d g a r - b a g e t r u c k ． T h e e l e me n t a r y d i a ga m o f fi l l i n g d e v i c e h y d r a u l i c s y s t e m Wa s b u i l t ． Th r o u g h c o n t r o l l i n g d u t y c y c l e o f P W M s i g n a l ， t h e c o r e d i s p l a c e me n t o f t h e mu h i p t e v alv e c o u l d b e c o n t r o l l e d ． S o t h e c o n t r o l t o the g a r b a g e t r u c k ’ S wo r k d e v i c e i s r e ali z e d ． Ke y wo r d sF i l l i n g d e v i c e ；Hy d r a u l i c s y s t e m；Hi g h s p e e d o n o ff v alv e s 垃圾处理工作是城市管理和建设的重要 内容 ， 与人 民生活密切相关 。随着垃圾中塑料、纸张等低 比重物含 量 的增 加，垃圾 比重降低 ，可压缩性增 加 ，垃圾分类收集及袋装化是必然趋势。一些城市 开 始使 用 后 装 式 压 缩 垃 圾 车 ，而 且 呈 不 断 上 升 趋 势 ，有关主管部 门也将压缩效率高 、大吨位、 自动 化程度高的后装式压缩垃圾车列为今后城市垃圾车 发 展 的方 向。 后装压缩式垃圾车已在许多城市使用，而 目前垃 圾车的吨位增大，工人的劳动强度也随之增大，考虑 到高速开关阀的特点，提出了利用以高速开关阀为先 导 阀的开环电液 比例控制系统实现对后装压缩式 垃圾 车的控制。后装式压缩垃圾车工作装置由翻斗、刮 板 、升降板、推板及填塞器组成。各组成部分的工作 原理都相同，均由两完全相反的动作来实现。文中采 用高速开关阀来设计填塞器的数字电液 比例控制系 统，通过调节高速开关阀能够实现对垃圾车的工作装 置的控制 。 1 电液比例控制系统 在液压传动与控制系统中，能够接受模拟式或数 字式信号，使输出的流量或压力连续地受到控制 ，都 可以被称作电液比例控制系统 ，如数字控制系统、脉 宽调节 P WM控制系统以及一般意义上的电液 比 例控制系统。 比例控制与伺服控制都可 以用于开环和闭环系 统，区别在于目前在实用中比例控制主要用在开环控 制，而伺服控制主要用于闭环控制。伺服控制装置有 内反馈，任何检测到的误差都会引起 系统状态的改 变，通过调节输出使这个误差为零。伺服系统只有在 误差为零时才能处于平衡状态 ，一旦有误差 ，这个平 衡状态就要改变。比例控制装置是增益确定的能量转 换器。例如比例阀可以把一个线性运动转换成成比例 的油液流量或压力，转换常数取决于阀的几何尺寸以 及其制造精度等。 电液 比例控制系统 的优点是充分利用液 压控制与 电气控制的长处，即在功率传递方面利用液压传动的 功率大、响应快速的优点，在信号处理方面利用电气 信号的处理运算方便的优点，并且可以对被控液压参 数的大小进行电气遥控和无级转换。这样使液压阀自 动地参与各种 自动控制过程 ，无需像常规控制那样经 常需要人工控制的参与 ，从而使整个液压系统的控制 水平得 以较大 的提高 ，使 电液 比例 系统得 到广泛 的应 用 。 ， 2 填塞器电液 比例控制系统的构成 后装压缩式垃圾车填塞器液压系统采用的是电液 比例控制系统 ，是一开环控制系统 ，系统由微机控制 系统、比例先导阀 高速开关阀 、多路换 向阀及液 压缸构成。系统构成框图如图 1 所示。 收稿 日期 2 0 1 0一l 1一l 9 作者简介曾文武 1 9 7 7 一 ，男，硕士，讲师，主要研究方向为工程机械和液压。E ma i l q u i c k q u i t 1 6 3 c o m。 第 2 4期 曾文武 压缩式垃圾车填塞器数字电液比例液压系统的研究 8 1 微机控制系统 ． 叫比例先导阀 高速开关阀 多路换向阀卜叫液压缸 图 l 系统构成框图 操作时，按键产生中断信号向控制系统提出申请， 控制系统响应中断后根据要求输出一定占空比的P WM 信号 ，P WM信号经过功率放大器后 ，送给 比例先导 阀 高速开关阀 ，先导阀控制腔产生与其占空比成 比例 的压力推动多路换 向阀的阀芯移动 ，多路换 向阀随之 输出与阀芯位移成比例的流量，通过改变 P WM信号的 占空比控制多路换向阀的输 出流量，从而实现工作装 置运动速度的控制。每个主阀配备两个 高速开关阀， 通过控制两个高速开关阀的得电来改变主阀油路液流 的方向 ，实现执行机构的两种相反动作 。 3 液压 系统原理图设计 垃圾车液压动力源的压力要求属于中等压力等级 ， 一 般压力范围 7～ 2 1 M P a ，本系统压力为 1 6 M P a 。 后装压缩式垃圾车填塞器电液比例控制系统为一 数字电液比例控制系统。该系统用 1 对高速开关阀和 4个节流阀做先导阀，推动多路阀阀芯的移动 ，以驱 动液压缸 的换 向和运 动。为了避免填塞器被举升后油 管压力过大 而发生意外爆破的隐患 ，在举升油缸前设 置了防爆阀 V P N1 ，该阀隔断了举升油缸与液压胶管 的直接连接 ，即使油管爆裂，填装器也不会突然落下 造成恶性事故 ，提高了使用的安全性。同时，为了避 免填塞器在下降时速度过快冲击车厢，在油路中增加 了液控单 向节 流阀。由于液压缸的负载较大 ，同时考 虑到平衡的问题 ，选用两液压缸并联对称配合使用。 其液压原理 图如 图 2所示 。 图 2 填塞 器液压原理 图 速 开关 阀 由图 2 可知 当高速开 关 阀 1 得 电时 ，压力油 经 过高速阀进入左控制腔产生压力，克服多路阀弹簧的 弹力作用 ，使多路 阀阀芯右 移 ，油液 经过主 阀进入 举 升油缸的无杆腔，驱动填塞器上行；当高速开关阀2 得 电时 ，压 力油 经过高 速 阀进 入 右控制 腔产生 压力 ， 克服多路阀弹簧的弹力作用，使多路阀阀芯左移，油 液经过主阀进入举升油缸的有杆腔 ，驱动填塞器下行 。 4 高速开关 阀 高速开关阀，即脉宽调制式数字阀，是近年来发 展起来 的液压元 件 ，由于具有 结构简单 、价 格低 、工 作可靠 、寿命长 、易于维修 、抗污染能力强 、可在恶 劣环境下 工作等特点 ，开始逐渐被人们所认 识 。特别 是 高速开关阀具 有较高的响应速度 ，重复误 差小 ，可 直接采用计算机控制，省去了模拟量控制要求各环节 间的线性和连续性，控制简单 。这样就可以应用低价 格的计算机系统 单片机和高速开关 阀，构成高 可靠性、适用性强的数字电液比例控制系统，这是计 算机应用于液压系统的最佳组成形式之一，其价格只 是传统的电液比例控制系统的 1 ／ 1 0～1 ／ 5 ，只相当普 通 开关 阀的价格 。 因为高速开关阀有着明显的优点，同时针对高速 开 关阀流量小的缺点 ，为了扬 长避短 ，在后 装压缩式 垃圾车填塞器电液比例控制系统中使用高速开关阀作 为先导阀。通过 电控模块程序 控制 ，能够方便地按 照 一 定的规律产生需要 占空 比的 P WM 信号 ，通过控 制 高 速开关 阀控制 多路阀的控制腔压力 。 与伺服阀和比例阀的连续控制方式不同，数字高 速开关阀采用脉宽调制信号 P WM控制 ，电控单 元输入系列脉冲电压 ，阀在工作过程 中总是不停地开 关动作 ，输出系列脉冲流量。若调节脉宽占空比，输 出的脉冲流量的大小可以控制，即占空比越大，脉冲 流量就越 大 ，反之亦然 。故可得 到与 占空比成 比例 的 脉 冲流量 ，该脉 冲流量作 为主阀的控制量 ，输入 主阀 芯的左右控制容腔，经过控制容腔的积分过程，使主 阀芯产生 成 比例的位移 ，主阀 口就获得与导阀输入 占 空 比成 比例的流量。 4 。 1 高速开关阀的控制原理 文中使用的高速开关阀是两位三通阀，其结构示 意如 图 3所示 。它 由电磁铁 、顶杆 、回油阀钢球 、回 油 口、分离杆 、进油阀钢球、进油 口和控制 口组成。 当高速开关阀的线圈通电时，在磁场的作用下， 衔铁要受到向右的吸引力 ，通过顶杆推动回油阀钢球 向右关断回油 V I ；同时回油阀钢球也要推动分离杆向 右推动进油 阀钢球 向右移动而 打开进油 口，此时进油 口和控制口接通，控制I3 为高压。在线圈断电时，电 磁力消失，在进油口相对于控制口高压力作用下，进 8 2 机床与液压 第 3 9卷 油口钢球要向左边移动，将进油 口关 闭，同样会通 过分离杆推动回油阀钢球左移打开回油口，这样控制 口就和 回油 口相通 ，此时 ，控制 口为低 压。 l 一电磁铁线圈 2 衔铁 3 一顶杆 4 一回油 阀 钢球 s 一回油 口 6 _ 控制口 7 分离杆 8 进油 口 9 进油 阀 钢球 图3 二位三通高速开关阀的结构简图 其显著特点是 1 结构简单紧凑。球 阀中的钢球为普通钢球， 阀芯质量小 。 2 响应速度快。小质量球阀为提高其响应速度 创造 了条件。 在电磁性能方面，采用软磁材料 ，提高其磁饱和 密度 ；增加线圈的匝数 ，高速开关 阀采用小 阻抗线 圈，通过增加线圈电流来提高其安匝数。 4 ． 2 H S V系列二位三通高速开关阀基本参数和性能 采用 H S V系列二位三通高速开关阀，其基本参 数 和性能如表 1 示 。 表 l 基本参数和性能 最高切换频 g ／ H z 5 0 最大电流／ A 1 ． 2 最大流量／ L m i n 8 阀芯直径／ m m 6 最高压力／ MP a 1 7 阀芯行程／ m m 0 ． 3 控制电压／ V 2 4 滞后时间／ m s 41 5 5结 语 主要完成 了填塞器液压 回路 的设计 。通过对液压 系统的研究 ，根据设计指标 的要求 ，设计 出一套电液 比例系统控制填塞器的摆动。通过分析填塞器的运动 及受力，确定了液压系统工作压力 ，并通过计算选定 了液压马达、高速开关阀等相关液压元件。利用高速 开关阀响应快、流量小的特点 ，将高速开关阀用作先 导阀，用于驱动主阀的阀芯 ，而高速开关阀可用由计 算机软件产生的 P WM 脉宽调制信号控制，这样 环卫工人只需操纵按钮 即可操 纵垃圾车 ，避免 了以前 杠杆式操纵方式需要 较大操 纵力 的缺点。随着垃圾车 的吨位逐渐增大 ，其优势将会越来越明显 ，相信其应 用会越来越广泛。 参考文献 ， 【 1 】陈卫． 压缩式垃圾车操纵系统设计分析[ J ] ． 专用汽车， 2 0 0 2 2 91 1 ． 【 2 】李光达． 后装压缩垃圾车翻料机构液压原理分析[ J ] ． 专用汽车， 2 0 0 3 2 3 3 3 4 ． 【 3 】陈忠强， 李庆． 后装式垃圾压实车液压系统[ J ] ． 液压气 动与密封， 1 9 9 9 2 2 4 2 5 ． 【 4 】杜巧连， 陈旭辉， 吴文山， 等． P W M高速开关阀的特性分 析与应用研究[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 2 6 1 01 1 ． 【 5 】施光林 ， 钟廷修． 高速电磁开关阀的研究与应用[ J ] ． 机 床与液压， 2 0 0 1 2 7 9 ． 上接 第 7 6页 能通过减少比例阀通流面积来实现减速运动，即是简 单的节流调速 。 因而 ，在掘进 机的行走 驱动 、截割臂油缸等 系统 中，建议在比例换向阀3和执行机构之间加装平衡阀 1 ，如 图 6所示 。 5 通过调节负载敏感阀阀芯位移 ，可以实现 换向阀 A ／ B口输 出不同的最大流量，从而补偿油缸 的活塞和活塞杆两腔受力面积的不同，实现油缸可以 以相 同的速 度伸出与缩 回。因而 ，通过流量调节 ，很 容易实现煤 矿巷道掘进 机 的截 割部 以相 同 的速 度上 、 下截割。 6 典型 的负 载敏感 阀有 H A WE公 司生产 的 P S V、P S L型 ，R e x r o t h公 司 生 产 的 M 4 1 5 、M 4 - 1 2型 等。一般在多路换 向阀的首联均可选装减压阀，它可 为系统提供一个稳定的先导控制油源，简化液压系统。 7 另外，前面所论述的负载敏感阀均为 “ 阀前 补偿” 。所谓 “ 阀前补偿”指的是压力补偿器串接与 控制阀口的前端。当执行元件所需的总流量超出变量 柱塞泵最大排量的供给能力时，油泵的流量优先流向 负载较小的执行元件 ，而高负载压力的执行元件将降 低工作速度直至停止运动 ，各执行机构不再协调运行 ， 即不具备流量抗饱和性 。因而必须 选择合适排 量的变 量泵以确保它能够输 出任何时刻系统所需的流量总和。 8 “ 阀后补偿”解决了流量饱和的问题。但是 由于 “ 阀后补偿”相对 “ 阀前补偿”技术更为复杂 ， 而调速刚性不是很好且价格昂贵，在煤矿巷道掘进机 中尚无应用 ，不再详述。 3结语 在煤矿巷道掘进机中采用负荷敏感技术将使液压 控制系统变得非常紧凑、节能，同时较好地实现掘进 机在较少液压泵源下流量的合理分配和多负载的协调 动作。 作者分析了几种流量控制技术的特点，提出可在 煤矿巷道掘进机中应用泵控负荷敏感控制技术，并给 出几点看法，为该产品将来的研发提供了参考。 参考文献 【 1 】 R e x r o t h 公司有关样本资料． 【 2 】 张军． 几种掘进机械液压系统的分析[ J ] ． 煤矿机电， 2 0 0 6 6 4 95 1 ．