P-Q阀在电液负载敏感伺服系统中的应用

　　0 引言

　　电液伺服系统相比于电机伺服系统或电气伺服系统具有响应速度快、精度高及功率重量比大等优点。传统的电液伺服系统采用的是恒压油源,存在系统效率低的缺点。采用定量泵加溢流阀液压油源时,系统的最高效率仅为38.4%。即使使用恒压变量泵油源,阀在最大输出功率时的最高效率也只有66.7%。液压伺服控制在很大程度上体现了其性能上的优势而不提它的低效,但是在事实上它面临电机伺服控制的严重挑战。众多例子中的一个即汽车的动力转向装置。在低排量的汽车中,液压动力转向装置已经被电机动力装置所替换。如果电液伺服控制想要在工程控制领域仍然具有竞争力,在液压伺服系统中使用高效节能的方法已经变得越来越严峻和势在必行了。液压领域中非常有前景的一项节能技术是在液压系统中应用负载敏感技术。在负载敏感液压系统中,通过控制阀的压降始终处于一较小的恒定值(一般低于1MPa),这样能降低节流所造成的功率损失。保持一个较小恒定的压降可以被一个负载敏感泵或者负载敏感旁通阀(一般指定差溢流阀)实现。负载敏感元件及系统已经成功应用在移动式工程机械、农业机械及注塑机中的静压传动系统中。本文介绍和分析了电液负载敏感伺服系统的各种方案。建立了P-Q阀的数学模型,分析和论述了阀的静态和动态特性。最后,设计了实验系统,验证了P-Q阀的实际可行性。

　　1 负载敏感伺服控制的方案

　　液压负载敏感方案如图1(a)和图1(b)所示,节能的基本原则是负载敏感控制保持通过节流阀的压降始终处一较小的恒定值,一般低于1MPa。这是通过定差溢流阀(图1(a))或变量泵(图1(b))实现的,被称作阀控负载敏感系统和泵控负载敏感系统。在阀控方案中,打开的定差溢流阀控制通过节流阀的压差。通过定差溢流阀的溢流,使通过节流阀的压降保持不变,压降值取决于定差溢流阀的弹簧预压缩量。而在泵控方案中,通过节流阀的压降保持不变是靠负载敏感变量泵机构实现的。

　　在图1(a)和图1(b)的液压负载敏感控制仅仅适用于单作用液压缸。负载敏感控制双作用液压缸,采用图2(a)和图2(b)的方案是可行的。从图2(a)中我们可以清楚地看到该系统实际上是被P-Q阀控制的单杆液压缸,它的有杆腔与泵出口相连,而无杆腔为负载敏感腔,由一阀口经特殊设计的三通阀控制(该阀结合系统的负载敏感特性,可以实现流量-压力的复合控制)。一个定差溢流阀和三通阀并联连接,可保持油液通过阀P、A口的压降在一个不变的恒定值。为了说明工作原理方便,假设外负载力为0,当处于稳定工况时,由活塞两腔的力平衡关系可以求得:稳态负载压力等于节流口的压力差乘以有杆腔活塞的面积与活塞杆面积的比值。当阀芯向左运动时, P、A口开大, A、T口减小,系统压力升高,活塞向右运动(此时无杆腔和有杆腔的压力同时升高,但是因无杆腔的活塞面积比有杆腔的大,无杆腔的活塞推力增加的斜率比有杆腔的大,活塞产生向右的静推力,并向右移动);反之,当阀芯向右运动时,P、A口减小, A、T增大,系统压力下降,活塞向左运动。系统的压力(即P-Q阀的进口压力)总是适应负载变化的,这系统被预期是有效可行的。