工程機械液壓系統的控制方式

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引言

工程機械在連續作業中，其作業負荷的變化比較大。例如，推土機在作業時，作業負荷會從0變到無窮大，在這種情況下，發動機為了滿足大負荷下的動力要求以及小負荷下的經濟要求，就必須對其所輸出的功率進行調整。同時，工程機械在操作過程中，一般需要協同作業。例如，在挖掘機進行裝車作業時，動臂、斗桿、鏟斗和回轉需要協同作業，因而需要對工程機械的傳動和控制系統做出調節，使其驅動部件的位置，滿足速度需求。此外，在工程機械工作中，機械被要求既能夠進行大功率輸出，也能夠進行精細化動作。比如，起重機在進行吊重時，要做到大功率輸出，在吊裝時，又要實現微動作。綜上所述，工程機械的傳動和控制系統需要具有良好的動力性、經濟性、和調速性。

1工程機械的液壓傳動與控制系統分析

液壓系統在獲得能源時，需要將發動機輸出的機械能在液壓泵的作用下轉化為液壓能。液壓泵輸出的能量，會受到液壓閥的調節和分配。系統的壓力、流量和方向也會受到液壓閥的調節和控制。此外，液壓閥還可以對功率支流的絕對值和相對值進行控制。在機械能轉化為液壓能后，液壓馬達和液壓缸又會把液壓能轉化為機械能，以達到操作機械工作的目的。如果要實現對工程機械的動力、節能、和作業效率的控制，就需要通過調節液壓泵的排量和發動機的轉速以及控制閥的開度來實現。

2液壓系統的功率控制方式分析

壓力和流量是液壓系統的功率形式，液壓功率用公示可以表示為:P0=pq/60，在式中，P0為液壓功率;p為液壓系統壓力;q為液壓系統流量。液壓系統工作時，負載的大小決定了其壓力的大小，因此壓力不是其液壓系統固有的參數，壓力是載荷的一種反應，而真正能夠對液壓系統功率起到控制的是液壓系統的流量。因此，下面分別從液壓泵和液壓閥的流量控制來進行分析。液壓泵流量公式:q0=V．n，式中q0為液壓泵流量;n為液壓泵輸入轉速;V為液壓泵排量。

要改變機械的速度，就要改變其流量，而從公式中可以得知，流量的改變可以由改變液壓泵的排量和轉速來控制。如果采用液壓泵轉速進行調節，稱之為變頻調速，如果采用液壓泵排量進行變速，稱之為容積速調。在工程機械的工作過程中，由于外在負荷變化會使發動機的轉速不穩，而柴油機的轉速一般要求相對穩定，如果轉速不穩，也要通過一定方式對其進行控制。因而，在控制液壓泵的流量時，在假設其轉速穩定的情況下，對液壓泵流量進行控制。液壓泵輸出的流量由液壓閥進行二次調節。在工程機械中，比例控制閥實際上屬于可變液阻，并聯液壓回路的泵側的壓力是相等的，各支路的流量是由并聯液阻的絕對值和相對值決定的，而這里的并聯液阻是由液壓閥構成的。液壓閥的流量公式為式中，Q為液壓閥的流量;Cq為流量系數;A為液壓閥的開度;Δp為液壓閥的壓降;ρ為液壓油的密度。

從公式中知道，液壓閥的開度和閥的壓降決定了液壓閥的流量，而液壓閥的壓降的決定因素是外部的負載，這種外在的負載是難以控制的，因此只有對液壓閥的開度進行控制才能實現對液壓閥流量的控制。但是，因為外在負荷因素的不穩定，液壓閥壓降的變化也比較大，造成的誤差也難以控制，這種誤差不僅大，而且，因為液壓閥壓降還跟機械裝置的姿態和工作環境有關，其壓降的變化難以通過其他手段來控制。所以如果是通過開度對液壓閥的流量進行控制，從而控制執行機構的速度和位置是不理想的。

3液壓系統的流量控制方式

通過以上分析可以得知，要實現對液壓系統的流量控制，就需要對液壓泵的排量和液壓閥的開度進行調節，即泵控調速和閥控調速。泵控調速的過程中，液壓系統不存在流量和功率的損失，泵控調速是以改變液壓泵排量實現的，在調節液壓泵的斜盤傾角時，推動斜盤、柱塞等原件和摩擦副需要一定的響應時間。閥控調速要實現對流量的控制，就要改變并聯回路間的相對液阻，其中的大部分流量對外做功，多余的流量則回到油箱，多余的這部分流量就屬于被浪費的流量。可見泵控調速比閥控調速的經濟性能好。但是，在改變液壓閥的開度時，通過將電磁鐵推動閥芯就能實現，而且，液壓閥的運動質量比閥芯的質量要大很多，其響應的速度會比較快。

在工程機械中，液壓閥電磁鐵的響應頻率為10Hz左右，高速電磁鐵的響應頻率能超過20Hz，可見，這兩種控制方式是優勢互補。將二者的優勢進行結合，就會成為一種不錯的流量控制方式。而目前，先進的工程機械液壓系統的流量控制就采用液壓泵和比例閥結合的方式，形成優勢互補，在液壓系統作業時，首先是變量泵根據工作需求來確定首次排量，首次排量比需求的流量會多上20L/min以上，然后，比例閥會對流量進行二次修正，實現速度控制。采用泵控和閥控的方式目前有負流量控制，正流量控制，負載敏感控制。負流量控制見圖1。從圖1可以看出，采用負流量控制，主閥中位的流量控制著變量泵的排量，而且這兩者的變化方向相反。正流量控制方式見圖2。

從圖2中可以看出，采用正流量控制方式，同一個信號在控制著液壓泵的排量和液壓閥的開度，而這能夠有效提高液壓系統響應速度。從圖3中可以看出，采用負載敏感方式，主閥的壓降控制著液壓泵的排量，而壓降與操作信號和最大的外在負載有關系，這種控制方式將操作者的預期速度和外負載速度限制結合在一起。在現實中，工程機械根據用途和要求的不同而采用不同的流量控制方式，如果是對響應速度要求不高的，就可以采用單純的泵控系統，如起重機。如果對機械性能要求不高，但是要求快速反應，就采用閥控系統，如小型挖掘機。除此外，某些工程電子泵具有較高的響應特性、線性度和重復精度，可以實現對液壓泵的精確流量的控制。某些工程用的伺服液壓缸，可以實現速度和位移的精確控制。

4結束語

通過分析可知，要實現對工程機械液壓系統的功率控制，主要是對液壓系統流量進行控制，通過控制液壓泵的排量和液壓閥的開度，從而實現對流量的控制。而目前比較好的液壓控制方式是結合了泵控和閥控的優點，實現操作的經濟性和快速性。但是，工程機械中液壓泵的排量因為是開環控制，排量的精度不高，而比例閥的流量控制精度受壓力的影響比較大，可見泵控和閥控結合的控制方式在速度和經濟上有不錯的效果，但是在經濟性上還存在缺陷，這也是以后工程機械液壓系統發展的方向。