比例閥結(jié)構(gòu)及工作原理
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1 引言
電液比例閥是閥內(nèi)比例電磁鐵輸入電壓信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作，使工作閥閥芯產(chǎn)生位移，閥口尺寸發(fā)生改變并以此完成與輸入電壓成比例壓力、流量輸出元件。閥芯位移也可以以機(jī)械、液壓或電形式進(jìn)行反饋。電液比例閥具有形式種類多樣、容易組成使用電氣及計(jì)算機(jī)控制各種電液系統(tǒng)、控制精度高、安裝使用靈活以及抗污染能力強(qiáng)等多方面優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域日益拓寬。近年研發(fā)生產(chǎn)插裝式比例閥和比例多路閥充分考慮到工程機(jī)械使用特點(diǎn)，具有先導(dǎo)控制、負(fù)載傳感和壓力補(bǔ)償?shù)裙δ堋Ｋ霈F(xiàn)對(duì)移動(dòng)式液壓機(jī)械整體技術(shù)水平提升具有重要意義。特別是電控先導(dǎo)操作、無線遙控和有線遙控操作等方面展現(xiàn)了其良好應(yīng)用前景。
2 工程機(jī)械電液比例閥種類和形式
電液比例閥包括比例流量閥、比例壓力閥、比例換向閥。工程機(jī)械液壓操作特點(diǎn)，以結(jié)構(gòu)形式劃分電液比例閥主要有兩類：一類是螺旋插裝式比例閥（screwin cartridge proportional valve），另一類是滑閥式比例閥（spool proportional valve）。
螺旋插裝式比例閥是螺紋將電磁比例插裝件固定油路集成塊上元件，螺旋插裝閥具有應(yīng)用靈活、節(jié)省管路和成本低廉等特點(diǎn)，近年來工程機(jī)械上應(yīng)用越來越廣泛。常用螺旋插裝式比例閥有二通、三通、四通和多通等形式，二通式比例閥主比例節(jié)流閥，它常它元件一起構(gòu)成復(fù)合閥，對(duì)流量、壓力進(jìn)行控制；三通式比例閥主比例減壓閥，也是移動(dòng)式機(jī)械液壓系統(tǒng)中應(yīng)用較多比例閥，它主對(duì)液動(dòng)操作多路閥先導(dǎo)油路進(jìn)行操作。利用三通式比例減壓閥可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)手動(dòng)減壓式先導(dǎo)閥，它比手動(dòng)先導(dǎo)閥具有更多靈活性和更高控制精度。可以制成如圖1所示比例伺服控制手動(dòng)多路閥，不同輸入信號(hào)，減壓閥使輸出活塞具有不同壓力或流量進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)多路閥閥芯位移進(jìn)行比例控制。四通或多通螺旋插裝式比例閥可以對(duì)工作裝置實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制。
滑閥式比例閥又稱分配閥，是移動(dòng)式機(jī)械液壓系統(tǒng)最基本元件之一，是能實(shí)現(xiàn)方向與流量調(diào)節(jié)復(fù)合閥。電液滑閥式比例多路閥是比較理想電液轉(zhuǎn)換控制元件，它保留了手動(dòng)多路閥基本功能，還增加了位置電反饋比例伺服操作和負(fù)載傳感等先進(jìn)控制手段。它是工程機(jī)械分配閥更新?lián)Q代產(chǎn)品。
出于制造成本考慮和工程機(jī)械控制精度要求不高特點(diǎn)，一般比例多路閥內(nèi)不配置位移感應(yīng)傳感器，具有電子檢測(cè)和糾錯(cuò)功能。，閥芯位移量容易受負(fù)載變化引起壓力波動(dòng)影響，操作過程中要靠視覺觀察來保證作業(yè)完成。電控、遙控操作時(shí)更應(yīng)注意外界干涉影響。近來，電子技術(shù)發(fā)展，人們?cè)絹碓蕉嗖捎脙?nèi)裝差動(dòng)變壓器（ＬＤＶＴ）等位移傳感器構(gòu)成閥芯位置移動(dòng)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)閥芯位移閉環(huán)控制。這種由電磁比例閥、位置反饋傳感器、驅(qū)動(dòng)放大器和其它電子電路組成高度集成比例閥，具有一定校正功能，可以有效克服一般比例閥缺點(diǎn)，使控制精度到較大提高。
3 電液比例多路閥負(fù)載傳感與壓力補(bǔ)償技術(shù)
節(jié)約能量、降低油溫和提高控制精度，同時(shí)也使同步動(dòng)作幾個(gè)執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)時(shí)互不干擾，現(xiàn)較先進(jìn)工程機(jī)械都采用了負(fù)載傳感與壓力補(bǔ)償技術(shù)。負(fù)載傳感與壓力補(bǔ)償是一個(gè)很相似概念，都是利用負(fù)載變化引起壓力變化去調(diào)節(jié)泵或閥壓力與流量以適應(yīng)系統(tǒng)工作需求。負(fù)載傳感對(duì)定量泵系統(tǒng)來講是將負(fù)載壓力負(fù)載感應(yīng)油路引至遠(yuǎn)程調(diào)壓溢流閥上，當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，溢流閥調(diào)定壓力也較小；負(fù)載較大，調(diào)定壓力也較大，但也始終存一定溢流損失。變量泵系統(tǒng)是將負(fù)載傳感油路引入到泵變量機(jī)構(gòu)，使泵輸出壓力隨負(fù)載壓力升高而升高（始終為較小固定壓差），使泵輸出流量與系統(tǒng)實(shí)際需要流量相等，無溢流損失，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。
壓力補(bǔ)償是提高閥控制性能而采取一種保證措施。將閥口后負(fù)載壓力引入壓力補(bǔ)償閥，壓力補(bǔ)償閥對(duì)閥口前壓力進(jìn)行調(diào)整使閥口前后壓差為常值，這樣節(jié)流口流量調(diào)節(jié)特性流經(jīng)閥口流量大小就只與該閥口開度有關(guān)，而不受負(fù)載壓力影響。
4 工程機(jī)械電液比例閥先導(dǎo)控制與遙控
電液比例閥和其它專用器件技術(shù)進(jìn)步使工程車輛擋位、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)和工作裝置等各種系統(tǒng)電氣控制成為現(xiàn)實(shí)。一般需要位移輸出機(jī)構(gòu)可采用類似于圖1 比例伺服控制手動(dòng)多路閥驅(qū)動(dòng)器完成。電氣操作具有響應(yīng)快、布線靈活、可實(shí)現(xiàn)集成控制和與計(jì)算機(jī)接口容易等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)代工程機(jī)械液壓閥已越來越多采用電控先導(dǎo)控制電液比例閥（或電液開關(guān)閥）代替手動(dòng)直接操作或液壓先導(dǎo)控制多路閥。采用電液比例閥（或電液開關(guān)閥）另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是工程車輛上可以大大減少操作手柄個(gè)數(shù)，這使駕駛室布置簡(jiǎn)潔，能夠有效降低操作復(fù)雜性，對(duì)提高作業(yè)質(zhì)量和效率都具有重要實(shí)際意義。圖2是TECNORD公司 JMF型控制搖桿（joystick），利用一個(gè)搖桿就可以對(duì)如圖2中多片電液比例閥和開關(guān)閥進(jìn)行有效控制。該搖桿X軸和Y軸方向都可以實(shí)現(xiàn)比例控制或開關(guān)控制，應(yīng)用十分方便。
數(shù)字式無線通訊技術(shù)迅速發(fā)展，出現(xiàn)了性能穩(wěn)定、工作可靠、適用于工程機(jī)械無線遙控系統(tǒng)，布置移動(dòng)機(jī)械上遙控接收裝置可以將接收到無線電信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制電液比例閥比例信號(hào)和控制電液開關(guān)閥開關(guān)信號(hào)，以及控制其它裝置相應(yīng)信號(hào)，使原來手動(dòng)操作各個(gè)元件都能接受遙控電信號(hào)指令并進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，此時(shí)工程機(jī)械實(shí)際上已成為遙控型工程機(jī)械。
無線遙控發(fā)射與接收系統(tǒng)已成功應(yīng)用于多種工程機(jī)械遙控改造。從安全角度考慮，它發(fā)射每條數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)指令都具有一組特別系統(tǒng)址碼，這種址碼廠家只使用一次。每個(gè)接收機(jī)只對(duì)有相同址碼發(fā)射信號(hào)有反應(yīng)，其它無線信號(hào)是同頻率信號(hào)會(huì)對(duì)接收裝置產(chǎn)生影響。加上其它安全措施采用使系統(tǒng)可靠性到了充分保障。裝載機(jī)、鑿巖機(jī)、混凝土泵車、高空作業(yè)車和橋梁檢修車等多種移動(dòng)式機(jī)械遙控改造中獲成功。工業(yè)遙控裝置與電液比例閥相益彰，電液比例閥為工程機(jī)械遙控化提供了可行接口，遙控裝置又使電液比例閥以發(fā)揮更大作用。
5 電液比例閥工程機(jī)械上應(yīng)用實(shí)例
某型汽車起重機(jī)液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，圖中僅畫出了與電液比例閥有關(guān)部分。該機(jī)采用了3片TECNORD TDV－4/3 LM－LS/PC型比例多路閥，負(fù)載傳感油路中3個(gè)梭閥將3個(gè)工作負(fù)載中最大壓力選出來送至遠(yuǎn)程調(diào)壓溢流閥遠(yuǎn)控口，調(diào)整溢流閥溢流壓力，使液壓泵輸出壓力恰好符合系統(tǒng)負(fù)載需要即可，達(dá)到一定節(jié)能目。壓力補(bǔ)償油路使每一片閥流量?jī)H與該閥開度有關(guān)，而所承受負(fù)載無關(guān)，它閥片所承受負(fù)載也沒有關(guān)系，達(dá)到任一負(fù)載下均可隨意控制負(fù)載速度目。
某推土機(jī)推土鏟手動(dòng)與電液比例先導(dǎo)控制實(shí)例。當(dāng)二位三通電磁閥不通電時(shí)，先導(dǎo)壓力與手動(dòng)減壓式先導(dǎo)閥相通，梭閥選擇來自手動(dòng)先導(dǎo)閥壓力對(duì)液動(dòng)換向閥進(jìn)行控制；當(dāng)二位三通電磁閥通電時(shí)，先導(dǎo)控制壓力油通向三通比例減壓式先導(dǎo)閥，梭閥對(duì)液動(dòng)換向閥進(jìn)行控制。
6 小結(jié)
以上簡(jiǎn)要介紹了電液比例閥工作原理和結(jié)構(gòu)形式、工作特點(diǎn)，對(duì)比例閥負(fù)載感應(yīng)和壓力補(bǔ)償原理進(jìn)行了分析研究。對(duì)電液比例閥不同應(yīng)用，特別是工程機(jī)械先導(dǎo)控制和遙控方面應(yīng)用進(jìn)行了論述。電液比例閥對(duì)簡(jiǎn)化工程機(jī)械操作、提高效率和作業(yè)精度以及實(shí)現(xiàn)智能化作業(yè)都有著極其重要意義，其性能進(jìn)一步提高和應(yīng)用范圍日益拓寬必將使工程機(jī)械產(chǎn)品技術(shù)水平到較大程度提高。
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