芯的液压控制系统在挖掘机上的应用.pdf

液压液力 H Y D R O D Y N A MI C S及 H Y D R O S T A T I C S 基于双阀芯的液压控制系统 在挖掘机上的应用 熊翔， 朱建新， 杨翔， 梅勇兵， 刘昌盛 中南大学 机电工程学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 8 3 [ 摘要〕 介绍了传统阀芯和双阀芯两种控制方式以及基于双阀芯的负载口独立控制液压系统，结合液 压挖掘机讨论了负载在执行机构运动过程中 保持不变和改变时两种工况下执行机构的控制策略，建立了负 载口 独立控制液压系统的A m e s i m简化模型， 并设计了P I D控制器， 对主阀芯的位置控制进行了仿真研究， 结果表明主阀芯具有良 好的响应速度和稳态精度。 〔 关键词〕 挖掘机; 液压系统;多路阀; 双阀芯 [ 中图分类号〕T H 1 3 7 . 5 2[ 文献标识码]B[ 文章编号11 0 0 1 - 5 5 4 X 2 0 0 8 0 1 - 0 1 0 2 - 0 4 A p p l i c a t i o n o f h y d r a u l i c c o n t r o l o n e x c a v a t o r b a s e d o n t wi n s s y s t e m X I O N G X i a n g , Z H U J i a n - x i n , Y A N G X i a n g , ME I Y o n g - b i n g , L I U C h a n g - s h e n g 近年来，随着液压技术与电子控制技术的结 合， 液压控制系统不断地向高效率、小型化及高 精度化方面发展。电液控制系统具有控制精度高、 响应速度快、输出功率大等许多优点，广泛应用 于国民经济和军事工业各技术领域，而其核心控 制元件是电液伺服阀和电液比例阀。本文将英国 U l t r o n i c s 公司推出的基于双阀芯控制的电液比例 阀应用在某液压挖掘机上，并对其进行研究。由 于液压挖掘机系统的复杂性和快速性，影响液压 挖掘机的动态性能参数多，因此需对液压挖掘机 进行建模和仿真研究，为设备的调试和技术改进 提供技术指导。 压力油P S 经节流窗口1 流人执行机构的工作油腔， 图1 传统阀芯的控制方式 阀芯1 P s P o 1 两种阀芯控制方式 1 . 1 传统阀芯的控制方式 传统阀芯控制执行机构的方式如图1 所示， 系 统压力油尸 5 经节流窗口1 流人执行机构的工作油 腔，然后执行机构回油腔中的油液经节流窗口3 流 回油箱，通过给阀芯加工不同形状的节流槽，以 满足液压系统工作时的性能要求。 1 . 2 双阀芯的控制方式 双阀芯控制执行机构的方式如图2 所示，系统 阀芯2 图2 双阀芯的控制方式 [ 收稿日 期〕2 0 0 7 - 0 6 一 2 0 [ 通讯地址〕熊翔，湖南省长沙市井湾路7 8 4 号湖南科技职 业技术学院机电系 建筑 表 。 械 2 0 0 8 . 0 1 上半月刊 万方数据 然后执行机构回油腔中的油液经节流窗口3 流回油 箱。 相比于传统的多路阀中每片阀只有 1 个阀芯， 双阀芯控制的电液比例阀每片阀内有2 个阀芯， 分 别对应执行机构的进油口和出油口。2 个阀芯既可 单独控制，也可根据控制逻辑进行成对控制，并 且2 个工作油口 都有压力传感器， 每个阀芯都有位 置传感器，通过对传感信号的闭环控制可以分别 对2 路液压油的压力或流量进行控制，具有很高的 控制精度，通过不同的组合可以得到不同的控制 方 案， 以 满 足 液 压 系 统的 需 要 川 。 2 基于双阀芯控制的液压控制系统 图3 是基于双阀芯控制的液压控制系统原理 图，也称带电液负载敏感的负载口独立控制液压 系统，液压执行机构的进出口各由1 个阀芯控制， 各负载进出口、进油管路和回油管路都有压力传 感器检测压力，用电液比例溢流阀取代传统的定 差溢流阀实现电液负载敏感。负载口独立控制电 液比例多路阀针对传统多路阀的单阀芯进出口联 动调节、出油口靠平衡阀或单向节流阀形成背压 而带来的灵活性差的缺点，采用双阀芯结构实现 进油侧调流量、出油侧调压力。在负载加速过程 中， 通过加大出口阀芯开度以保证其快速性，在 减速和制动过程中，通过独立调节出口的压力， 从而避免出油侧压力冲击，提高负载减速和制动 过程的平稳性， 实现软停曰。 在超负载工况下也能 保证执行器速度的稳态控制精度和抗干扰能力， 省去传统的平衡阀，简化了机械结构。 1 ， 恒功率变量泵2 . 减压阀3 . 溢流阀4 . 电磁节流阀5 . 油泵调节阀 6 . 主阀芯1 7主阀芯II 8 . 先导阀芯1 99 . 先导阀芯II 1 0 . 铲斗油缸 1 1 . 铲斗活塞杆1 2 . 滤油器1 3 . 背压阀1 4 . 油箱 图3 液压控制系统原理图 负载口独立控制电液比例多路阀改变了用压 力补偿器实现机液负载补偿的方式，而采用电液 负载补偿，通过测量主阀芯前后压力来调整主阀 芯的开度，这种补偿方式解决了机液负载补偿中 压力补偿器初始状态全开、补偿特性较差的问题。 3 执行机构控制策略 由于双阀芯换向阀两油口控制的灵活性，两 油口 可以分别采取流量控制、压力控制或者流量 一压力组合控制。下面结合液压挖掘机的实际工 况探讨动臂、斗杆及铲斗3 个液压缸的控制策略。 3 . 1 负载方向保持不变时的控制策略 液压挖掘机动臂上升、斗杆挖掘、铲斗挖掘 时的受力情况如图4 a 所示，动臂下降时的受力情 况如图4 b 所示，其负载方向在整个工作过程中始 终保持不变，因此可以采取 “ 液压缸有杆腔采用 压力控制、无杆腔采用流量控制”的控制策略。 无杆腔侧采用流量控制，通过检测连接无杆腔的 阀前后两侧的压差，再根据所需流人或流出流量 的多少， 计算出阀芯开口大小;有杆腔侧采用压 力控制， 使该侧维持一个较低的压力，不至于因 压力过低而引起空穴现象和因负载变化而引起液 压冲击，同时因该侧压力较低，所以系统更加 节能。 3 . 2 负载方向 发生改变时的控制策略 液压挖掘机斗杆液压缸、铲斗液压缸在整个 建筑 机械 2 0 0 8 . 0 1 上半月刊 万方数据 液压液力 H Y D R O D Y N A MI C S忘 H Y D R O S T A T I C S 工作过程中负载方向会发生改变，例如当斗杆液 压缸缩回、斗杆运动到垂直位置前后，负载方向 与运动方向由相同变为相反，负载方向的变化可 能会导致压力突变，影响斗杆运动时的稳定性。 负载 速度 参考压力 参考压力 参考流量 参考流量 a 速度方向与负载方向相反b 速度方向与负载方向相同 图4 负载方向保持不变时的控制策略图 在这种情况下，采取 “ 进油侧压力控制、出 油侧流量控制”的控制策略，如图5 所示。液压缸 有杆腔侧采用压力控制、无杆腔侧采用流量控制， 通过检测无杆腔侧的压力来实现有杆腔侧的压力 控制。进油侧用压力控制器维持一个较低的参考 压力， 一方面提高了系统的效率，另一方面保证 了该侧不至于因压力过低而发生空穴现象。 负载 速度 参考压力 压力反馈 图5 负载方向发生改变时的控制策略图 为了使负载方向变化的执行机构能够得到很 好的控制，在有杆腔侧的压力控制器中使用了另 外一个压力控制器。当负载方向改变时，无杆腔 的压力将减小;如果有杆腔仍维持一个很低的压 力，当负载很大时，液压缸活塞杆将向相反的方 向运动。此时可以用压力控制器监视无杆腔压力 的变化，当压力控制器检测到无杆腔压力低于所 设定的参考值时，则提高有杆腔压力控制器所设 定的压力，从而保证系统的正常工作。 4 液压控制系统的A m e s i m模型 A m e s i m 系统工程高级建模和仿真是 工 MA G I N E 公司于1 9 9 5 年推出的专门用于液压/ 机 械系统的建模、仿真及动力学分析的软件，包含 了I MA G I N E的专门技术并为工程设计提供交互 能力。A m e s i m为流体动力、机械、热流体和控制 系统提供一个完善的仿真环境及灵活的解决方案， 使用户能够借助其友好的面向实际应用的方案， 研究任何元件或回路的动力学特性。这可通过模 型库的概念来实现，而模型库可通过客户化不断 升级和改进川。 A m e s i m提供了一个基本元件库设计 H C D H y d r a u l i c C o m p o n e n t D e s i g n ， 利用 H C D用户 可以建立标准库中没有的液压模型[ 4 [ 。 本文提出的 液压控制系统的A m e s i m简化模型如图6 所示， 其 中主阀芯是用基本元件库设计 H C D中建立起 来的。 在该阀的控制器中，所有的压力控制和流量 控制最后都是转换成主阀芯的位置控制来实现的， 所以研究主阀芯的位置控制精度和动态响应特性 有着重要意义。 在建立液压控制系统的A m e s i m简 化模型的基础上，设计了 P I D控制器，在给定主 阀芯3 m m的阶跃信号后， 其响应过程如图7 所示， 主阀芯具有良好的响应速度和稳态精度。由于液 压系统的流量控制和压力控制最终都通过位置控 制来实现，而位置控制的响应速度和精度保证了 建筑 书 。 械 2 0 0 8 . 0 1 上半月刊 万方数据 水 易亘 亘 一 卧拭 尽 已 Jl 日 日 厂 钧一-骂 羚一、- }-一 十 但 〕 卫 卜头 国 一式 遗 乡 图6 液压控制系统简化A n l e s i m模型 流量控制和压力控制的响应速度和精度。 { _ 尸一 厅 - - - - - 一 口 - - - - - - 一 1 - - - - - - - - 一} - - - - - - 一 { r一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一一 一一 1------一一一一一 .一 __一 翻 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 . . __ 使用方便、容易掌握，它提供了效果良好且方法 简洁的仿真途径，应用A m esi m图形化的建模方法 可避免烦琐的公式推导，从而提高工作效率又不 失准确性。 3建立了负载口独立控制液压系统的 A m e s i m简化模型， 并对主阀芯的位置控制进行了 仿真研究，结果表明主阀芯有良好的响应速度和 稳态精度。 时间/S 「 参 考 文 献〕 图7 主阀芯阶跃响应 5 结论 1 基于双阀芯的负载口独立控制液压系统 融合了 先进的电子技术、控制技术和传感器技术， 在不同的工况下可采取灵活的控制策略，较传统 的液压控制系统有更好的稳态控制精度和抗干扰 能力。 2 A n l e si m的图 形化建模仿真界面直观易懂、 仁 1 〕李安良. 液压多路换向阀双阀芯控制技术的应用 [ J ] 工程机械， 2 5 ， 3 6 2 弓 4 一 5 6 ‘ 巨 2 口杨华勇，曹剑， 徐兵， 吴根茂. 多路换向阀的发展 历程和研究展望 [ J 口. 机械工程学报，2 0 05，41 1 1 一5 . [ 3 〕苏东海，于江华. 液压仿真新技术A ME Si m及应用 [ J ]. 机械， 2 0 0 6 ， 1 1 3 5 一 3 7 . 仁 4 ]余佑官， 龚国芳， 胡国良. A ME S M仿真技术及其 在液压系统中的应用 巨 J 口.液压气动与密封， 2 0 ‘，5 ， 3 2 8 一 3 ‘ 佗习、 上接第1 0 1 页 端的6 个节流孔造成的压力损失工作的，因此造成 方向盘转速与车辆的转向速度呈非线性关系，并 且存在左右转向过程不对称，转向过程还会受到 温度影响，解决措施是把流量控制放大主阀芯的 位移改为用压力直接控制。 〔 参 考 文 献〕 厂 1 习景军清 . 流量放大转向系统原理特点及故障诊断 [ J ]. 工程机械与维修， 1 9 9 8 ， 1 0 ， [ 2 ]伶理 介绍两种流量放大转向系统 [ J ]. 起重运输 机械，1 9 8 9 ， 8 . 〕]丁建民. 全液压流量放大转向系统探讨 巨 J ]. 工程 机械，2 0 0 2 ， 9 3 5 一3 6 [ 4 ]马永辉编. 工程机械液压系统设计计算 [ M]. 北 京 机械工业出版社，1 9 8 5 . 霄 建筑 机械 2 0 0 8 . 01 上半月刊 万方数据