趙 棋

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西柳州 545007）

0 引言

柱塞泵屬于液壓系統(tǒng)中重要的組成部件，其原理是利用柱塞在缸體中的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)吸油與壓油的工作過(guò)程，因?yàn)榫哂薪Y(jié)構(gòu)緊湊、額定壓力高、功率密度大、變量控制方便等優(yōu)點(diǎn)，主要用于壓力高、流量大及流量需要調(diào)節(jié)的液壓系統(tǒng)。

柱塞泵變量控制方式的有效選擇，直接關(guān)系到柱塞泵的使用性能。合理的柱塞泵變量控制方式，有利于提高柱塞泵的性能，可充分發(fā)揮柱塞泵所在液壓系統(tǒng)的功能。不合理的變量控制方式，不僅不利于柱塞泵性能的發(fā)揮，還可能使其出現(xiàn)安全隱患，有的甚至造成柱塞泵的損壞。因此，對(duì)柱塞泵變量控制方式的探究與柱塞泵性能的發(fā)揮及所在液壓系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行有密切的關(guān)系。

1 柱塞泵的結(jié)構(gòu)組成及分類

柱塞泵屬于體積泵，利用柱塞在缸體中的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)吸油與壓油的過(guò)程，主要包括單柱塞泵、臥式柱塞泵、軸向柱塞泵、直軸斜盤式柱塞泵、徑向柱塞泵及液壓柱塞泵（表1）。

2 傳統(tǒng)變量控制方法

柱塞泵變量控制方式一直是研究的重要課題，傳統(tǒng)的變量控制方式也帶來(lái)一定經(jīng)濟(jì)效益，傳統(tǒng)的變量控制方式包括恒流量控制、恒壓力控制及恒功率控制。3 種控制方式分別根據(jù)采集的設(shè)定信號(hào)與輸出的實(shí)際信號(hào)的對(duì)比，分別對(duì)柱塞泵的實(shí)際輸出流量、壓力及功率進(jìn)行控制，3 種控制方式的特點(diǎn)如下。

2.1 恒流量控制

恒流量控制在應(yīng)用過(guò)程中要檢測(cè)2 種信號(hào)，流量設(shè)定信號(hào)及輸出的流量信號(hào)和壓力信號(hào)。在柱塞泵運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，數(shù)字控制器一方面根據(jù)檢測(cè)到壓力輸出信號(hào)、流量輸出信號(hào)來(lái)決定柱塞泵的輸出流量，另一方面還會(huì)將柱塞泵的設(shè)定輸入流量與其輸出的實(shí)際流量情況進(jìn)行對(duì)比，得到輸入流量與輸出流量的誤差信號(hào)，根據(jù)得到的誤差信號(hào)有效調(diào)節(jié)控制信號(hào)的大小。因此，在流量控制器的調(diào)節(jié)作用下，柱塞泵的流量設(shè)定信號(hào)與輸出的實(shí)際流量能夠保持一致。

2.2 恒壓力控制

在工作的過(guò)程中，如果壓力異常會(huì)嚴(yán)重影響柱塞泵的工作性能，對(duì)柱塞泵所在的液壓系統(tǒng)造成安全隱患。因此，恒壓力控制也有廣泛應(yīng)用。恒壓力控制主要檢測(cè)設(shè)定的壓力值與負(fù)載壓力的反饋值兩個(gè)壓力值。壓力控制器會(huì)將設(shè)定壓力值與負(fù)載壓力進(jìn)行比較，并依據(jù)誤差結(jié)果情況，由控制算法確定流量控制器的流量輸入設(shè)定值及泵的流量輸出值，通過(guò)二者的匹配保證負(fù)載壓力與設(shè)定壓力值統(tǒng)一。

表1 不同類型柱塞泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.3 恒功率控制

恒功率控制需要檢測(cè)來(lái)自功率控制器的流量設(shè)定信號(hào)及泵的實(shí)際輸出流量信號(hào)，利用流量控制器把兩種信號(hào)進(jìn)行比較，得出功率控制信號(hào)。在功率控制器的調(diào)節(jié)作用下保證柱塞泵的實(shí)際輸出功率與其設(shè)定信號(hào)一致。恒功率控制可有效避免柱塞泵過(guò)載引起的故障。

3 傳統(tǒng)的變量控制方式存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)的變量控制方式在一定程度上滿足當(dāng)時(shí)液壓設(shè)備的使用，但控制裝置精度一般較低、變量控制響應(yīng)速度較慢，變量控制裝置大多依賴機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)中控制閥種類及數(shù)量較多、加工制造困難、后期維護(hù)不方便，不能實(shí)現(xiàn)柔性控制及多參數(shù)控制，控制方式及相關(guān)控制參數(shù)不便于調(diào)整。

隨著信息化的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)與各類液壓及電氣元件的有效配合可實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)的數(shù)字控制，傳統(tǒng)的控制裝置不便于和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行集，限制了柱塞泵的使用范圍。另外，單片機(jī)、單板機(jī)的迅速發(fā)展為實(shí)現(xiàn)柱塞泵的數(shù)字控制方式提供了保障，數(shù)字控制方式可簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，方便實(shí)現(xiàn)對(duì)柱塞泵輸出的流量、壓力及功率等方面的精確控制，控制參數(shù)可進(jìn)行在線調(diào)整，同時(shí)含有故障診斷功能，極大提高柱塞泵的應(yīng)用領(lǐng)域。

4 柱塞泵數(shù)字控制方式

數(shù)字控制形式是指液壓系統(tǒng)的控制信號(hào)以其數(shù)字量的形式進(jìn)行處理和運(yùn)算，并對(duì)柱塞泵實(shí)現(xiàn)變量控制。數(shù)字式控制包括直接數(shù)字控制方式與間接數(shù)字控制方式兩種。直接數(shù)字控制方式的控制元件可直接接受數(shù)字脈沖信號(hào)并實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制元件有電液數(shù)字閥、高速開關(guān)元件、步進(jìn)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)—直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置等。間接數(shù)字控制方式的控制元件主要包括比例閥和電液伺服閥，這些控制元件利用模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，模擬的電信號(hào)是數(shù)字信號(hào)通過(guò)D/A 接口轉(zhuǎn)換得到。下面以軸向柱塞泵變量為例進(jìn)行分析。

（1）基于步進(jìn)電機(jī)的數(shù)字控制。主要元器件有數(shù)字控制器、放大器、步進(jìn)電機(jī)、閥、變量機(jī)構(gòu)、壓力傳感器、流量傳感器，A/D接口等。執(zhí)行元件是步進(jìn)電機(jī)，利用螺旋副，把步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為變成直線位移，通過(guò)控制活塞的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)柱塞泵排量的數(shù)字控制。

（2）基于變頻器的數(shù)字控制。主要元器件有數(shù)字控制器、變頻器、A/D 接口、壓力傳感器、流量傳感器等。利用變頻器調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)柱塞泵變量的數(shù)字控制。

（3）基于高速開關(guān)閥的數(shù)字控制。屬于直接數(shù)字控制方式，主要元器件有數(shù)字控制器、PWM （Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）放大器、A/D 接口、高速閥、變量機(jī)構(gòu)、壓力傳感器、流量傳感器等。執(zhí)行元原件是高速開關(guān)閥。利用轉(zhuǎn)化過(guò)的流體脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。

圖1 恒功率控制

圖2 恒功率+壓力切斷控制

（4）基于電液比例控制的數(shù)字控制。它屬于間接數(shù)字控制方式，主要元器件有數(shù)字控制器、比例放大器、A/D 接口、比例閥、變量機(jī)構(gòu)、壓力傳感器、流量傳感器等。執(zhí)行元原件是電液比例控制閥，利用D/A 接口轉(zhuǎn)換的模擬電信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。

（5）基于電液伺服閥的數(shù)字控制。屬于間接數(shù)字控制方式，主要元器件有數(shù)字控制器、伺服放大器、A/D 接口、伺服閥、變量機(jī)構(gòu)、壓力傳感器、流量傳感器等。執(zhí)行元原件是電液伺服閥。利用D/A 接口轉(zhuǎn)換的模擬電信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。

工程機(jī)械的工作環(huán)境一般較為惡劣，為了充分發(fā)揮其工作效率、節(jié)能減排，在使用柱塞泵時(shí)往往是多種控制方式組合。主要有以下5 種類型（圖1～圖5）。

圖3 恒功率+壓力切斷控制+電控

圖4 恒功率+壓力切斷控制+負(fù)載傳感控制

圖5 負(fù)流量+雙泵全功率+電控

5 結(jié)論

柱塞泵變量控制多種多樣，目前數(shù)字化控制法在柱塞泵變量控制中占主導(dǎo)地位，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、液壓元器件及電氣元件的快速發(fā)展，柱塞泵變量的控制會(huì)向控制精度更高、響應(yīng)數(shù)度更快、功能更完善方向發(fā)展。