工程机械负载敏感比例多路阀抗流量饱和方法

陈奕泽，葛于杰，张燕军，贾鹏飞，全庆宇

(1.江苏科迈液压控制系统有限公司，江苏 扬州 225000；2.扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225000)

0 引言

负载敏感比例多路阀是将两片以上工作模块组合在一起，用于控制多个执行缸动作的阀组。阀组中的每片工作模块均可单独设置流量、压力、中位机能、控制方式，以满足不同液压系统的需要，该阀在煤矿机械、工程机械、农业机械、船舶等领域得到了广泛应用[1-3]。该阀主阀芯的换向动作采用电磁铁比例控制和远程液压先导比例控制，具有良好的流量比例控制特性[4-6]。目前多数负载敏感多路阀采用前置压力补偿阀，即压力补偿阀的位置设置在主阀杆前，每个回路的流量与主阀的开度和主阀口两端的压差成比例，但前置式的压力补偿阀无法实现流量抗饱和功能，随着动作次数增加，压力补偿阀的调压弹簧会磨损，主阀口的补偿压力值会变化，从而影响了主阀的流量准确性。

针对上述问题，本文提出一种工程机械负载敏感比例多路阀抗流量饱和方法：首先通过压力传感器检测各执行缸的实时油压值，并对其进行比较得到油压最大值；然后控制器获取系统输出压力值并计算其流量差值，与设置的标准工作油压比较；最后在低于标准工作油压时，启动抗流量饱和功能，通过修正各执行缸需求流量，控制比例电磁铁的电流值调整阀块的阀芯位移量，改变到达各执行油缸的流量，最终实现抗流量饱和功能。

1 控制系统控制流程

如图1所示，本文提出的负载敏感比例多路阀主要由三片阀块、控制器和回路控制器组成，每个阀块都设有压力传感器，用于采集对应执行缸的实时工作油压，回路控制器用于控制各阀块中比例电磁铁的电流值，从而控制阀块中阀芯位移量，同时回路控制器还与控制器电连接。

图1 负载敏感比例多路阀抗流量饱和方法的控制系统

图2为负载敏感比例多路阀抗流量饱和工作流程图，其主要过程为：首先通过压力传感器采集各执行缸的实时工作油压值P1，P2，…，Pn，将其传输给控制器进行比较，确定最大油压值Pmax；然后设定一个标准压力差值ΔP0，获取系统输出压力值P，得到P与Pmax的差值ΔP，如式1所示，并将ΔP与设置的标准压力差值ΔP0进行比较，当ΔP<ΔP0时，提示到达各执行缸的流量不够，启动抗流量饱和功能，利用Pmax与ΔP0计算油量衰减幅度系数C(如式2所示)，修正各执行缸需求流量Q1，Q2，…，Qn，获得各执行缸的调整后流量Q1′，Q2′，…，Qn′，其计算公式如式3所示；最后控制器将调整后流量Q1′，Q2′，…，Qn′信号分别输送至控制各执行缸的阀块中的回路控制器，再由各回路控制器调整所述对应阀块的比例电磁铁的电流大小I1，I2，…，In，进而控制对应阀块的主阀芯位移量，改变达到各执行油缸的流量，最终实现抗流量饱和功能。相关计算公式如下：

ΔP=|P-Pmax|.

(1)

C=0.25×ΔP0Pmax.

(2)

Qn′=CQn.

(3)

其中：ΔP为压力差值；P为系统输出压力值；Pmax为最大油压值；n为各执行缸的编号。

图2 负载敏感比例多路阀抗流量饱和工作流程图

2 阀体结构与工作流程

2.1 阀体结构

负载敏感比例多路阀的单个阀块结构如图3所示，包括阀体1、连接块2、连接块3和保护罩6。其中阀体1上开设有阀芯腔、进油口13和出油口14，进油口13和阀体内的进油腔连通，出油口14和阀体内的出油腔连通，主阀芯10设置在阀芯腔内。阀体一端固定连接连接块2，另一端固定连接连接块3。

如图3所示，在连接块2内设有弹簧复位腔21和双头比例电磁铁20，双头比例电磁铁20设在弹簧复位腔21内，弹簧复位腔21内设有连接螺钉210，连接螺钉210的一端螺纹连接主阀芯10伸入弹簧复位腔21的一端，另一端与位移传感器4连接，连接螺钉210外套设有复位弹簧211，用于主阀芯10的复位。

位移传感器4的外侧设有内置放大器5并电连接，内置放大器5和位移传感器4固定密封在保护罩6内构成一模块，保护罩6与连接块2集成为一体。

内置放大器5通过导线与双头比例电磁铁20进行电连接，双头比例电磁铁20还连接有控制信号插座(图中未示出)，用于电信号输入。位移传感器4、内置放大器5和双头比例电磁铁20构成了反馈闭环，用于检测纠正主阀芯10的位移量，进一步提高主阀芯10的位移精度。

连接块2内还设有压力传感器22，压力传感器22用于采集阀体1出油口14的油压，压力传感器22还电连接有控制器(图中未示出)。

连接块3内设有移动腔30，主阀芯10的一端伸入弹簧复位腔21内，主阀芯10的另一端伸入移动腔30内。

阀体1靠近双头比例电磁铁20的一端内设置第一减压阀11和第二减压阀(图中未示出)，第一减压阀11通过第一油路12连接弹簧复位腔21，第二减压阀通过第二油路(图中未示出)连接移动腔30，双头比例电磁铁20的两个顶杆201分别与第一减压阀11和第二减压阀一一对应、顶压，即双头比例电磁铁20的一个顶杆201与第一减压阀11的阀芯帽顶压(或另一个顶杆与第二减压阀的阀芯帽顶压)，阀芯帽带动第一减压阀11(或第二减压阀)的阀芯移动，实现先导油输入或输出第一油路12(或第二油路)。

保护罩6内还设有回路控制器(图中未示出)，回路控制器与双头比例电磁铁20电连接，回路控制器还与控制器电连接。

1-阀体；10-主阀芯；11-第一减压阀；12-第一油路；13-进油口；14-出油口；2-连接块；20-双头比例电磁铁；201-顶杆；21-弹簧复位腔；210-连接螺钉；211-复位弹簧；22-压力传感器；3-连接块；30-移动腔；4-位移传感器；5-放大器；6-保护罩图3 负载敏感比例多路阀的单片阀块各剖面图

2.2 工作过程

控制器反馈信号给予各回路控制器，由回路控制器控制双头比例电磁铁的电流值，双头比例电磁铁的工作过程同上，控制主阀芯的位移量，进而实现抗流量饱和功能。

主阀芯向上极限位状态示意图如图4所示。当给双头比例电磁铁中控制第一油路的比例电磁铁施加电流控制信号时，铁芯与磁极之间产生吸力，吸力推动顶杆向下运动，顶杆向下产生推力，顶压第一减压阀的阀芯帽进而使得第一减压阀的阀芯向下移动，使得先导油经第一油路输入弹簧复位腔内，当弹簧复位腔内的压力大于移动腔内的压力时，使得主阀芯向下移动，主阀芯的位移量与双头比例电磁铁输入的电信号大小呈正比。

主阀芯向下极限位状态示意图如图5所示。当给双头比例电磁铁中控制第二油路的比例电磁铁施加电流控制信号时，同理，移动腔输入先导油，当移动腔内压力大于弹簧复位腔内的压力时，主阀芯向上移动，主阀芯的位移量与双头比例电磁铁输入的电信号大小呈正比。当电流控制信号中断，主阀芯在复位弹簧的作用下在阀体的阀芯腔内保持中位。

1-阀体；10-主阀芯；11-第一减压阀；2-连接块；20-双头比例电磁铁；201-顶杆；21-弹簧复位腔；210-连接螺钉；211-复位弹簧；4-位移传感器；5-放大器；6-保护罩图4 主阀芯向上极限位状态示意图

3 结论

本文所设计的负载敏感比例多路阀的阀块包括依次集成为一体的连接块3(内设移动腔)、阀体1(阀芯腔内设有主阀芯)、连接块2(内设双头比例电磁铁、压力传感器和弹簧复位腔)以及保护罩(内设位移传感器和内置放大器)，其分模块依次叠加集成为一体，有效减小了体积，结构紧凑，易安装拆卸。

利用双头比例电磁铁、减压阀及油路配合实现对主阀芯的双向移动，并通过双头比例电磁铁、位移传感器和内置放大器电连接形成闭环控制系统，实现对主阀芯的位置检测纠正，具有优越的操作性能，进一步提高了阀芯位移精度。

阀块内的压力传感器、双头比例电磁铁和回路控制器与控制器的配合，能够实现抗流量饱和功能。

1-阀体；10-主阀芯；11-第一减压阀；2-连接块；20-双头比例电磁铁；201-顶杆；21-弹簧复位腔；210-连接螺钉；211-复位弹簧；4-位移传感器；5-放大器；6-保护罩图5 主阀芯向下极限位状态示意图