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1、第9章 变量泵电液控制技术9.1 变量泵控制方式及其应用变量泵可以通过排量调节来适应机械在作业时的复杂工况要求，由于其具有明显的优点而被泛使用。变量泵的控制方式多种多样，主要有压力切断控制、功率控制、排量控制和负载敏感控制四基本控制方式。通过这四种基本控制方式的组合，可以得到具有复杂输出特性的组合控制。9.1.1 压力切断控制压力切断控制是对系统压力限制的控制方式，有时也简称为压力控制。当系统压力达到切断压力值，排量调节机构通过减小排量使系统的压力限制在切断压力值以下，其输出特性如图9-1a所示。如果切断力值在工作中可以调节则称为变压力控制，否则称为恒压力控制。图9-1b所示为压力切断控制的典
2、型实方式。当系统压力升高达到切断压力时，变量控制阀阀芯左移，推动变量机构使排量减小，从而实现压力断控制。阀芯上的Pr为液控口，可以对切断压力进行液压远程控制和电液比例控制。一些液压工况复杂，作业中执行机构需要的流量变化很大，压力切断控制可以根据执行机构的调速要按所需供油，避免了溢流产生的能量损失，同时对系统起到过载保护的作用。a输出特性 b典型实现形式图9-l 压力切断控制变量泵9.1.2 功率控制功率控制是对系统功率限制的控制方式。当系统功率达到调定的功率值时，排量调节机构通过减小排量使系统的功率限制在调定功率值以下。如果功率限制值在工作中可调则称为变功率控制，否则称为恒功率控制。图9-2中
3、所示为力士乐(Rexroth)A11VO恒功率泵的输出特性和具体实现结构。其工作原理如下：变量油缸和复位油缸分别布置在泵体两侧，对变量机构进行差动控制，其中面积较大的变量油缸的压力受到变量控制阀的控制。作用在小活塞上的系统压力经摇杆在控制阀芯左侧作用推力F，而阀芯右侧受到弹簧力的作用。由于小活塞装在与变量机构一起运动的复位活塞上，所以摇杆对阀芯的推力为F=PALl/L2 (1)式中：P为系统压力；A为小活塞面积；L1为小活塞到摇杆铰点的距离；L2为变量控制阀杆到摇杆铰点的距离。当摇杆推力大于弹簧推力时，阀芯右移，使泵的排量减小，从而维持摇杆推力为近似常数。根据式(1)可知，摇杆推力正比于PL1
4、，而L1正比于油泵排量，因此实现了对变量泵的功率的限制(假定油泵转速不变)。有时为了简化控制结构，常采用近似功率控制方式，常用双弹簧结构控制变量机构位置。 图9-3所示为川崎(Kawasaki)K3V系列变功率控制泵的输出特性和具体实现结构。其中控制阀阀芯位置是通过系统压力与双弹簧弹力的平衡决定的，而变量机构跟随阀芯一起运动，这样就可以利用双弹簧的变刚度特性用折线近似双曲线。图9-2 恒功率控制变量泵图9-3 变功率控制变量泵功率控制能够充分发挥原动机的功率，达到按能力供油的目的，避免原动机因过载而停车或损坏。9.1.3 排量控制 排量控制是指对变量泵的排量进行直接控制的控制方式，施加一个控制
5、压力就可以得到一个相应的排量值。图9-4所示为川崎(Kawasaki)K3V系列负流量控制(指流量变化与先导控制压力成反比)的输出特性和具体控制方式。当先导控制压力Pr增大时，变量控制阀阀芯右移，使泵的排量减小，从而使泵的流量Q随着Pr的增大成比例地减小。图9-4 负流量控制变量泵图9-5所示是HYUNDAI液压挖掘机的负流量控制系统的局部简化原理图。当所有多路换向阀位于中位时，从液压泵排出的压力油经多路换向阀的直通供油道和节流孔回油箱，将节流孔的回油流量作为控制量，通过排量调节机构来控制泵的排量。当通过节流孔回油的流量达到一定值时(设定值远小于系统总流量)，节流孔前的先导压力Pr就开始调节变
6、量泵，使泵的排量仅提供运动速度所需的流量，即通过多路阀对执行元件进行调速时，变量泵具有自动调节排量按需供流的功能。图9-5 EHYUNDAI液压挖掘机负流量控制系统9.1.4 LS(负载敏感)控制LS控制方式是对变量泵排量变化率控制的控制方式。LS控制变量泵的输出特性与排量控制相同，但其控制信号反映的不是排量本身，而是排量的变化值。图9-6所示是LS控制的典型实现形式，它过压力差对泵的排量进行控制，当P与阀芯弹簧压力不平衡时，变量控制阀阀芯偏移，使泵排量发生相应变化。 图9-6 LS控制变量泵的典型实现形式 图9-7 LS调速控制系统图9-7所示是采用LS控制变量泵实现的LS调速系统的基本原理
7、。P为节流口前后压力差，P=PA-PL，其中PA为泵口压力，PL为负载压力，其最大的特点就是可以根据负载大小和调速要求对泵进行控制，从而实现在按需供流的同时，使调速节流损失P控制在很小的固定值。负载敏感变量泵与压力补偿阀配合使用可以实现单泵驱动多个执行机构的独立调速，各执行元件不受外部负载变动和其他执行元件的干扰。由于LS调速系统不仅实现按需供油，同时也是按需供压，是能量损失很小的调速方案。9.1.5 基本控制方式的组合及其应用系统的压力限制、原动机的功率限制以及对执行元件的可调速性，往往对同一台机械的液压系统是同时需要的，因此需要对多种控制方式进行组合，以便使变量泵能够满足机械设备的复杂工况
8、要求，控制方式的组合应根据具体的应用要求而定。图9-8所示为力乐士(Rexroth)压力切断控制、功率控制和LS控制组合的输出特性和具体实现结构。图9-8 功率控制、压力切断控制和LS控制的组合图9-8中，三个控制阀并联连接，当系统状态达到其中任一个限制条件时，对应的控制阀动作，使泵的排量减小，组合后的输出特性如图9-8a所示，兼具压力切断控制、功率控制和LS控制的特点，可以较好地满足复杂工况的要求。9.1.6 变量泵控制技术的发展电液控制变量泵可以方便地实现对流量、压力等参数进行调整进而实现各种复杂的控制，以合理的负载功率匹配和软启动，并自动保持最佳状态，达到提高控制性能和节能的目标，同时可
9、以实现与上位机或其他电子控制器的通讯，实现一定的网络化功能和故障诊断功能。1 控制的实现途径数字控制液压泵，能够接收数字量的控制信号，以改变液压泵的输出参数，实现对液压系统的控制和调整。目前主要有变频控制和变排量控制两种方式。其中变频控制是通过变频电机或伺服电机改变液压泵的转速实现。对变排量控制而言，所有的变量类型都是靠改变斜盘倾角或定子偏心实现，因此有可能采用同样的硬件结构，利用传感器的检测，采用不同的软件程序来实现多种控制形式。基于这一思想，数字控制变量泵应运而生。数字控制变量泵的电机械转换器可以通过多种方式来实现，如采用步进电机、高速开关阀、高响应比例阀、伺服阀等元件。在目前的技术水平下
10、，采用比例阀的型式较多。比例放大器接收数字控制信号，输出PWM信号控制比例阀的动作，由比例阀驱动变量活塞的运动实现变量，同时将变量活塞的运动反馈回控制器实现闭环控制。2 国外研究现状早在1981年日本制钢所就展出一台比例变量泵，其上采用了CPU中央处理器、压力传感器、比例溢流阀、变量活塞行程检测装置,通过将压力、流量、电机功率三种信号反馈给CPU使泵的输出可实现比例流量、恒压、恒功率三种控制形式。其后国际上各大公司相继开发了类似产品，目前典型的产品主要有德国博世力士乐的A4VSO型号，见图9-9。图9-9 A4VSO数字泵控制原理图A4V主泵集成了位移传感器、压力传感器、控制阀和专用的数字控制
11、器，另外还有专门开发的最小值程序控制器(固化在电子控制器VT12350内)，实现压力、流量和功率的优先权选择判断。A10VO数字控制变量泵内部集成了变量控制阀和斜盘角度传感器，也可选配压力传感器、转速传感器及其它设定指令输入器件，通过不同组合和程序的调整可实现流量、压力、功率、负载敏感等多种控制形式。意大利ATOS公司的PVPC电液比例控制泵，通过集成PES数字控制器，可实现流量和压力的闭环控制，同时可限制最大功率，允许系统最小压力接近于零，并提供了较为丰富的数据接口种类，包括RS232串行数据接口、CAN和PROFIBUS- DP总线接口。PARKER公司PV系列柱塞泵产品开发了专门的数字控
12、制器，它通过RS232总线进行参数设定、能够使用基于PC的软件编程、能够设定斜坡时间，能覆盖全系列不同规格液压泵。通过该控制器，能够实现排量控制、压力控制和功率控制。这几种方案都是通过位移传感器检测斜盘倾角来间接对流量进行表达，对流量的控制均是通过排量来体现，因容积效率的影响，在流量控制方而均存在一定的误差。日木川崎公司开发的数字控制变量泵采用专门的流量传感器实现流量的直接检测，因此在流量控制方面效果好。3 国内研究现状 国内研究主要集中在各大院校和研究院所。北京航空航天大学开展了智能泵的研究，在泵中集成了压力传感器、位置传感器、温度传感器等，利用独立供油的伺服阀对变量泵进行控制，如图9-10
13、所示。该智能泵的方案能够按照要求选择工作模式和被调节量，然后采集对应的被调量实现反馈控制，表现了非常强的柔性和适应性。其控制器基于89C51中一片机实现，通过1553B总线与机载公共设备管理系统液压子系统的计算机相连。该方案能够很好地实现飞行器飞行状态与液压系统工作状态的匹配，在节能方而有了很大的改善。哈尔滨工业大学采用快速控制原型技术进行了数字控制柱塞泵的研究，其数字控制泵由数字控制器(包括功能控制器、逻辑控制器)、主液压泵、电液伺服阀、传感器(包括位置传感器、压力传感器)组成，能够实现压力、流量、功率等多种功能的调节。太原科技大学基于自主开发研制的新型径向柱塞泵，利用比例技术开发了相关的数
14、字控制变量径向柱塞泵。贵州力源液压有限公司正在从事数字控制液压泵的产业化开发。图9-10 北航智能泵原理方案9.2 伺服变量泵及其应用伺服泵变量执行机构大多采用液压伺服驱动，通过伺服阀控制液压缸来驱动泵的变量机构实现变排量。变量机构的工作油液由系统直接提供或采用与变量泵同轴的一个小泵提供。9.2.1 250CKZBB电液伺服变量泵1 结构及工作原理 250CKZBB 电液伺服数字变量装置见图9-11。它是一个电液伺服随动装置，将数字装置发出的数字脉冲信号转换为脉冲电机的步进角，带动旋转伺服阀转动，引起阀口位移，随动活塞跟随，泵斜盘偏转实现变量。该变量机构的主要优点在于工作稳定可靠，控制精度高，
15、抗干扰能力强，对油质不敏感，具有结构简单、体积小、重量轻、能实现无级变量控制等优点，用于高压大流量斜盘柱塞泵的容积变量系统。装置主要由步进电机、液压伺服变量机构、轴向柱塞泵斜盘三部分组成。 步进电机位移量与输入脉冲成正比，位移速度与输入脉冲频率成正比。每输入一个脉冲，它就转一个固定角度(步距角)。输出转角与输入脉冲成正比，转子的转动惯量小，起、停时间短，输出转角精度高，虽有相邻误差，但无累计误差。伺服变量部分结构及工作原理见图9-11。伺服变量采用单独油泵供油，外控式不受干扰，控制压力8.0MPa控制油通过缸底a孔进入壳体下腔。当步进电机顺时针转动时，四边零开口螺旋伺服阀阀芯也顺时针转动，相当于螺旋槽上升时阀芯向上移动一定距离，c腔的油液通过阀芯螺旋槽经d回油，c腔压力降低，a腔油压推动随动活塞向上运动，直到螺旋四边阀处于零位。随动活塞则通过轴销带动变量头斜盘转动，使柱塞行程变化以达到变量目的。 图9-11 數字伺服变量裝置当步进电机逆时针转动时， 四边零开口螺旋阀芯也逆时针转动，螺旋槽下降，相当于阀芯下降，控制油经a、b及螺旋槽进入上腔c； 由于c腔面积比a腔大，在差压作用下，推动随动活塞向下运动，直至四边阀芯处于零位为止。随动阀带动轴销使变量头转动，柱塞行程变大，增大油泵流量。随位动置式伺服阀结构简单，工作行程大(28mm)，从
