基于負(fù)載敏感的壓縮式垃圾車新型比例控制技術(shù)研究

李偉濤1 宋穎2

1.深圳東風(fēng)汽車有限公司 廣東深圳 518000

2.漢陽專用汽車研究所 湖北武漢 430056

1 前言

由于國(guó)內(nèi)壓縮式垃圾車普遍運(yùn)用開關(guān)式單定量泵的液壓控制系統(tǒng)，存在效率低、功率損失大、油溫偏高，且無法同時(shí)進(jìn)行上料和壓縮而導(dǎo)致作業(yè)效率低，速度調(diào)節(jié)特性差，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)且沖擊大等缺陷。為解決上述技術(shù)問題，本文從基于負(fù)載敏感的新型比例控制技術(shù)的角度出發(fā),介紹一種先進(jìn)的液壓控制系統(tǒng)，可充分解決以上三個(gè)方面的技術(shù)缺陷，從而提升壓縮式垃圾車的性能。

2 開關(guān)式單定量泵液壓控制系統(tǒng)

2.1 開關(guān)式單定量泵液壓控制系統(tǒng)的控制原理

壓縮式垃圾車是一種垃圾車收集轉(zhuǎn)運(yùn)車，其執(zhí)行動(dòng)作機(jī)構(gòu)分為上料機(jī)構(gòu)（翻轉(zhuǎn)油缸）、壓縮機(jī)構(gòu)（刮板油缸、滑板油缸）及卸料機(jī)構(gòu)（舉升油缸、推鏟油缸），其傳統(tǒng)的開關(guān)式單定量泵液壓控制原理如圖1所示。

圖1 開關(guān)式單定量泵液壓控制系統(tǒng)

開關(guān)式單定量泵液壓控制系統(tǒng)其動(dòng)力輸出為取力器驅(qū)動(dòng)定量油泵，輸出固定流量的高壓油。高壓油進(jìn)入開關(guān)式液壓多路控制閥，其工作狀態(tài)僅為開與關(guān)的狀態(tài)；通過多路控制閥控制液流方向后進(jìn)入各執(zhí)行油缸，若執(zhí)行動(dòng)作油缸的速度需進(jìn)行調(diào)節(jié)減速，則在多路控制閥與執(zhí)行油缸之間加入節(jié)流調(diào)速閥（如翻轉(zhuǎn)油缸、舉升油缸），若只需最大速度工作，則由多路控制閥控制后直接進(jìn)入各油缸（如刮板油缸、滑板油缸、推鏟油缸）。

通過以上控制實(shí)現(xiàn)了壓縮式垃圾車每個(gè)執(zhí)行油缸的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)了壓縮式垃圾車上料、壓縮及卸料等作業(yè)功能。

2.2 開關(guān)式單定量泵液壓控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)

通過傳統(tǒng)的開關(guān)式單定量泵液壓控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)壓縮式垃圾車的作業(yè)功能，雖然簡(jiǎn)單，但存在以下明顯缺點(diǎn)：

a.不能從動(dòng)作負(fù)載所需求角度輸出合適的壓力-流量，每個(gè)動(dòng)作均以最大固定流量工作至高壓溢流，效率低、功率損失大且油溫偏高；

b.每個(gè)動(dòng)作工作時(shí)負(fù)載不同，依據(jù)壓力優(yōu)先特性，無法同時(shí)進(jìn)行上料和壓縮而作業(yè)效率低；

c.各個(gè)動(dòng)作速度由開關(guān)換向閥控制，開關(guān)換向閥在換向時(shí)，液流沖擊大，速度調(diào)節(jié)特性差，運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)。

下面介紹一種液壓比例控制系統(tǒng)，可解決上述技術(shù)問題。

3 負(fù)載敏感的新型液壓比例控制系統(tǒng)

3.1 溢流節(jié)流控制原理

如圖2所示，溢流節(jié)流控制上采用了比例溢流閥與節(jié)流閥的并聯(lián)。節(jié)流閥即圖4中的電磁比例多路閥開口效果S，其開口大小由作業(yè)工況需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，其負(fù)載動(dòng)態(tài)壓力P4通過負(fù)載反饋油路反饋比例溢流閥。

圖2 溢流節(jié)流控制原理

比例溢流閥是靠定壓作用進(jìn)行壓力補(bǔ)償?shù)囊环N溢流閥，其定壓效果由彈簧壓力設(shè)定即P0；在主油路上設(shè)置安全閥，保證系統(tǒng)的安全性，油泵輸出壓力為P。

依據(jù)壓力平衡穩(wěn)定原理：P=P0+P4（1）

通過比例溢流閥中設(shè)定的彈簧壓力P0、負(fù)載動(dòng)態(tài)壓力P4、油泵輸出壓力為P進(jìn)行平衡穩(wěn)定后，保證輸出到電磁比例多路閥的壓力P和流量剛好滿足作業(yè)需要（即滿足所有動(dòng)作所需的流量之和），多余流量?jī)H通過彈簧壓力P0即低壓力下回油箱。

以上溢流節(jié)流控制方法，使液壓控制系統(tǒng)自動(dòng)接收壓縮式垃圾車液壓系統(tǒng)的各個(gè)動(dòng)作壓力-流量需求，從負(fù)載所需求角度輸出所需合適的流量和壓力P，實(shí)現(xiàn)抗流量飽和功能（即多余流量通過極小的彈簧壓力P0下回油箱而不進(jìn)行高壓溢流，抵抗多余流量，即抗流量飽和），效率高、功率損失小、系統(tǒng)發(fā)熱量少，從而大大降低液壓系統(tǒng)的油溫。

圖3 比例型減壓節(jié)流控制原理

如圖3所示，比例型減壓節(jié)流控制采用了減壓閥和節(jié)流閥串聯(lián)。節(jié)流閥即電磁比例多路閥開口效果S，電磁比例多路閥工作聯(lián)的數(shù)量按執(zhí)行機(jī)構(gòu)多少而可以增加或減少，圖3中只列舉了3個(gè)工作聯(lián)，其各個(gè)工作聯(lián)的負(fù)載動(dòng)態(tài)壓力P4（或P2、P3…），取其最大值例如P4通過負(fù)載反饋油路反饋比例溢流閥，以實(shí)現(xiàn)溢流節(jié)流的效果。

減壓閥是一種定差作用的減壓閥,其設(shè)定壓力差即彈簧壓力P40(（或P20、P30…）。

這個(gè)彈簧壓力P40(（或P20、P30…）即是節(jié)流閥進(jìn)出油口壓差ΔP，通過以上壓力平衡后維持節(jié)流閥進(jìn)出油口ΔP壓差近于恒定。

根據(jù)閥口流量公式：

式中，Q為閥口流量；ΔP為通過進(jìn)出油口壓差(即P40、P20、P30…)；S為閥口面積（即電磁比例多路閥開口）；C為閥口系數(shù)（與設(shè)計(jì)的閥口型式有關(guān)）；ρ為液壓油的密度。

從上述公式可以看出，通過每一工作聯(lián)的進(jìn)出油口壓差ΔP由彈簧壓力設(shè)定并近于恒定，通過每一工作聯(lián)的流量只與電磁比例多路閥開口S有關(guān)，而與動(dòng)態(tài)負(fù)載壓力大小P4（或P2、P3…）無關(guān)。

以上比例型減壓節(jié)流控制方法，實(shí)現(xiàn)了以下功能：

a.通過每一工作聯(lián)的流量只與電磁比例多路閥開口S有關(guān)，而與動(dòng)態(tài)負(fù)載壓力大小P4（或P2、P3…）無關(guān)，這樣就可以滿足壓縮式垃圾車所需流量、壓力不同的多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作需求，實(shí)現(xiàn)同時(shí)進(jìn)行垃圾上料和壓縮，提高作業(yè)效率；

b.電磁比例多路閥開口S由比例電流大小進(jìn)行柔性調(diào)節(jié)，液流沖擊大大減小，執(zhí)行油缸的啟停速度柔和，調(diào)節(jié)特性好，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)而沖擊小。

3.3 基于負(fù)載敏感的新型比例控制技術(shù)在壓縮式垃圾車上的實(shí)現(xiàn)

如圖4所示，溢流節(jié)流控制和比例型減壓節(jié)流控制技術(shù)的運(yùn)用，使得構(gòu)造負(fù)載敏感的新型液壓比例控制系統(tǒng)在壓縮式垃圾車上得以實(shí)現(xiàn)。取力器驅(qū)動(dòng)單定量泵輸出固定的流量，通過溢流節(jié)流控制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)抗流量飽和，保證以最合適的流量-壓力進(jìn)入減壓節(jié)流模塊，實(shí)現(xiàn)了壓縮式垃圾車上料機(jī)構(gòu)（翻轉(zhuǎn)油缸）、壓縮機(jī)構(gòu)（刮板油缸、滑板油缸）同時(shí)工作而不受負(fù)載大小影響，同時(shí)各機(jī)構(gòu)動(dòng)作通過比例電流驅(qū)動(dòng)電磁比例多路閥柔性調(diào)節(jié)閥口大小，速度調(diào)節(jié)特性好，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。

圖4 負(fù)載敏感的新型液壓比例控制系統(tǒng)

溢流節(jié)流和比例型減壓節(jié)流的控制均實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)負(fù)載壓力P4（或P2、P3…）的實(shí)現(xiàn)反饋，通過動(dòng)態(tài)負(fù)載壓力的反饋信號(hào)進(jìn)行溢流節(jié)流和比例減壓節(jié)流工作,也就是液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)均與動(dòng)態(tài)負(fù)載壓力實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整輸出壓力和流量，以最佳狀態(tài)滿足各動(dòng)作的作業(yè)工況，這就是負(fù)載敏感的優(yōu)點(diǎn)。

壓縮式垃圾車的各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度均由電磁比例多路控制閥進(jìn)行閥口大小柔性調(diào)節(jié)，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)效果顯著。

3.4 負(fù)載敏感的新型液壓比例控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

溢流節(jié)流控制和比例型減壓節(jié)流控制技術(shù)構(gòu)造了負(fù)載敏感的新型液壓比例控制系統(tǒng)，在壓縮式垃圾車上應(yīng)用了此新型液壓控制系統(tǒng)，有以下優(yōu)點(diǎn)：

a.實(shí)時(shí)反饋動(dòng)態(tài)負(fù)載壓力信號(hào)，隨時(shí)對(duì)系統(tǒng)輸入的壓力-流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)抗流量飽和，提高系統(tǒng)效率，降低發(fā)熱和油溫即有負(fù)載敏感性；

b. 通過負(fù)載敏感實(shí)時(shí)反饋動(dòng)態(tài)負(fù)載壓力信號(hào)，滿足所需流量、壓力不同的多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作需求，實(shí)現(xiàn)各機(jī)構(gòu)同時(shí)動(dòng)作不互相干擾，提高作業(yè)效率；

c. 電磁比例多路控制閥柔性調(diào)節(jié)閥口大小，柔性調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)油缸的啟停速度，調(diào)節(jié)特性好，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)而沖擊小。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證研究效果，筆者采用同一臺(tái)壓縮式垃圾車分別運(yùn)用傳統(tǒng)的開關(guān)式單定量泵液壓控制系統(tǒng)和負(fù)載敏感的新型液壓比例控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，如圖5試驗(yàn)樣車所示，進(jìn)行實(shí)際裝載試驗(yàn)，檢測(cè)關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)和效果如表1所示。

表1 兩種控制系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)對(duì)比

圖5 試驗(yàn)樣車

從試驗(yàn)檢測(cè)記錄數(shù)據(jù)可以看出, 將負(fù)載敏感的新型液壓比例控制系統(tǒng)、傳統(tǒng)開關(guān)式單定量泵液壓控制系統(tǒng)分別應(yīng)用于壓縮式垃圾車控制，兩者區(qū)別如下：

a.液壓油溫降低了17 ℃，說明提高了液壓系統(tǒng)的效率而降低了油溫；

b.裝滿一車?yán)脮r(shí)減少了21 min，說明上料和壓縮同時(shí)工作，提高了壓縮式垃圾車的作業(yè)效率；

c.作業(yè)最大噪音得以有效地降低了約7 dB，說明機(jī)構(gòu)工作速度平穩(wěn)性好，沖擊小。

5 結(jié)語

基于負(fù)載敏感的壓縮式垃圾車新型比例控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了壓縮式垃圾車的一種先進(jìn)液壓控制系統(tǒng)。通過此技術(shù)實(shí)現(xiàn)的液壓控制系統(tǒng)，使壓縮式垃圾車在性能上得到了較大的提升，為壓縮式垃圾車的研發(fā)提供了技術(shù)途徑和借鑒：

a. 探索了單泵定量液壓系統(tǒng)的壓縮式垃圾車提高作業(yè)效率的新技術(shù)途徑；

b. 基于負(fù)載敏感的壓縮式垃圾車新型比例控制技術(shù)，對(duì)降低壓縮式垃圾車作業(yè)噪音，效果顯著；

c. 基于負(fù)載敏感的壓縮式垃圾車新型比例控制技術(shù)，有效降低液壓油溫，有利于提高壓縮式垃圾車的可靠性。