工程机械液压系统的控制方式

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引言

工程机械在连续作业中，其作业负荷的变化比较大。例如，推土机在作业时，作业负荷会从0变到无穷大，在这种情况下，发动机为了满足大负荷下的动力要求以及小负荷下的经济要求，就必须对其所输出的功率进行调整。同时，工程机械在操作过程中，一般需要协同作业。例如，在挖掘机进行装车作业时，动臂、斗杆、铲斗和回转需要协同作业，因而需要对工程机械的传动和控制系统做出调节，使其驱动部件的位置，满足速度需求。此外，在工程机械工作中，机械被要求既能够进行大功率输出，也能够进行精细化动作。比如，起重机在进行吊重时，要做到大功率输出，在吊装时，又要实现微动作。综上所述，工程机械的传动和控制系统需要具有良好的动力性、经济性、和调速性。

1工程机械的液压传动与控制系统分析

液压系统在获得能源时，需要将发动机输出的机械能在液压泵的作用下转化为液压能。液压泵输出的能量，会受到液压阀的调节和分配。系统的压力、流量和方向也会受到液压阀的调节和控制。此外，液压阀还可以对功率支流的绝对值和相对值进行控制。在机械能转化为液压能后，液压马达和液压缸又会把液压能转化为机械能，以达到操作机械工作的目的。如果要实现对工程机械的动力、节能、和作业效率的控制，就需要通过调节液压泵的排量和发动机的转速以及控制阀的开度来实现。

2液压系统的功率控制方式分析

压力和流量是液压系统的功率形式，液压功率用公示可以表示为:P0=pq/60，在式中，P0为液压功率;p为液压系统压力;q为液压系统流量。液压系统工作时，负载的大小决定了其压力的大小，因此压力不是其液压系统固有的参数，压力是载荷的一种反应，而真正能够对液压系统功率起到控制的是液压系统的流量。因此，下面分别从液压泵和液压阀的流量控制来进行分析。液压泵流量公式:q0=V．n，式中q0为液压泵流量;n为液压泵输入转速;V为液压泵排量。

要改变机械的速度，就要改变其流量，而从公式中可以得知，流量的改变可以由改变液压泵的排量和转速来控制。如果采用液压泵转速进行调节，称之为变频调速，如果采用液压泵排量进行变速，称之为容积速调。在工程机械的工作过程中，由于外在负荷变化会使发动机的转速不稳，而柴油机的转速一般要求相对稳定，如果转速不稳，也要通过一定方式对其进行控制。因而，在控制液压泵的流量时，在假设其转速稳定的情况下，对液压泵流量进行控制。液压泵输出的流量由液压阀进行二次调节。在工程机械中，比例控制阀实际上属于可变液阻，并联液压回路的泵侧的压力是相等的，各支路的流量是由并联液阻的绝对值和相对值决定的，而这里的并联液阻是由液压阀构成的。液压阀的流量公式为式中，Q为液压阀的流量;Cq为流量系数;A为液压阀的开度;Δp为液压阀的压降;ρ为液压油的密度。

从公式中知道，液压阀的开度和阀的压降决定了液压阀的流量，而液压阀的压降的决定因素是外部的负载，这种外在的负载是难以控制的，因此只有对液压阀的开度进行控制才能实现对液压阀流量的控制。但是，因为外在负荷因素的不稳定，液压阀压降的变化也比较大，造成的误差也难以控制，这种误差不仅大，而且，因为液压阀压降还跟机械装置的姿态和工作环境有关，其压降的变化难以通过其他手段来控制。所以如果是通过开度对液压阀的流量进行控制，从而控制执行机构的速度和位置是不理想的。

3液压系统的流量控制方式

通过以上分析可以得知，要实现对液压系统的流量控制，就需要对液压泵的排量和液压阀的开度进行调节，即泵控调速和阀控调速。泵控调速的过程中，液压系统不存在流量和功率的损失，泵控调速是以改变液压泵排量实现的，在调节液压泵的斜盘倾角时，推动斜盘、柱塞等原件和摩擦副需要一定的响应时间。阀控调速要实现对流量的控制，就要改变并联回路间的相对液阻，其中的大部分流量对外做功，多余的流量则回到油箱，多余的这部分流量就属于被浪费的流量。可见泵控调速比阀控调速的经济性能好。但是，在改变液压阀的开度时，通过将电磁铁推动阀芯就能实现，而且，液压阀的运动质量比阀芯的质量要大很多，其响应的速度会比较快。

在工程机械中，液压阀电磁铁的响应频率为10Hz左右，高速电磁铁的响应频率能超过20Hz，可见，这两种控制方式是优势互补。将二者的优势进行结合，就会成为一种不错的流量控制方式。而目前，先进的工程机械液压系统的流量控制就采用液压泵和比例阀结合的方式，形成优势互补，在液压系统作业时，首先是变量泵根据工作需求来确定首次排量，首次排量比需求的流量会多上20L/min以上，然后，比例阀会对流量进行二次修正，实现速度控制。采用泵控和阀控的方式目前有负流量控制，正流量控制，负载敏感控制。负流量控制见图1。从图1可以看出，采用负流量控制，主阀中位的流量控制着变量泵的排量，而且这两者的变化方向相反。正流量控制方式见图2。

从图2中可以看出，采用正流量控制方式，同一个信号在控制着液压泵的排量和液压阀的开度，而这能够有效提高液压系统响应速度。从图3中可以看出，采用负载敏感方式，主阀的压降控制着液压泵的排量，而压降与操作信号和最大的外在负载有关系，这种控制方式将操作者的预期速度和外负载速度限制结合在一起。在现实中，工程机械根据用途和要求的不同而采用不同的流量控制方式，如果是对响应速度要求不高的，就可以采用单纯的泵控系统，如起重机。如果对机械性能要求不高，但是要求快速反应，就采用阀控系统，如小型挖掘机。除此外，某些工程电子泵具有较高的响应特性、线性度和重复精度，可以实现对液压泵的精确流量的控制。某些工程用的伺服液压缸，可以实现速度和位移的精确控制。

4结束语

通过分析可知，要实现对工程机械液压系统的功率控制，主要是对液压系统流量进行控制，通过控制液压泵的排量和液压阀的开度，从而实现对流量的控制。而目前比较好的液压控制方式是结合了泵控和阀控的优点，实现操作的经济性和快速性。但是，工程机械中液压泵的排量因为是开环控制，排量的精度不高，而比例阀的流量控制精度受压力的影响比较大，可见泵控和阀控结合的控制方式在速度和经济上有不错的效果，但是在经济性上还存在缺陷，这也是以后工程机械液压系统发展的方向。