機構雙柔性換向的控制策略分析與應用

李偉濤

深圳東風汽車有限公司 廣東深圳 518000

1 前言

液壓油缸驅動機構通過機構往復運動實現(xiàn)某一功能，是實現(xiàn)設備自動化的一種方式。機構往復運動，其運動終端進行換向時，往往會有較大沖擊，從而引起沖擊噪聲并造成機構部件的損壞，導致設備故障率高。國內有各種各樣技術途徑降低機構運動終端換向沖擊，但有的實施成本高（如提高工裝精度），有的系統(tǒng)復雜（如運用液壓伺服控制系統(tǒng)），而且還達不到理想的效果，都存在各種弊端。

本文將從機構運動終端換向的控制策略上進行分析，通過液壓控制原理、控制流程兩方面相輔相成的優(yōu)化，實現(xiàn)機構運動終端先柔性停止后再柔性啟動的雙柔性換向效果，降低了換向沖擊，解決了技術難題。

2 機構運動終端換向的傳統(tǒng)控制策略

2.1 傳統(tǒng)控制策略簡述

為了更好地闡述機構運動終端換向的控制策略，筆者以車廂可卸式垃圾車配套的連體式垃圾壓縮箱為例進行分析。

連體箱垃圾壓縮箱分為推板壓縮、翻轉進料、后門鎖緊三個作業(yè)動作，其中推板壓縮作業(yè)為典型的往復運動，推出和回程均需進行推板運動終端的換向控制，連體壓縮箱的液壓控制原理如圖1所示，推板往復運動一個循環(huán)的控制流程如圖2所示。

圖1 液壓控制原理圖

圖2 控制流程圖

從圖1液壓控制原理圖可以看出，推板的液壓控制油路上，由a電機泵組輸出動力及高壓油，經過a電磁式溢流閥進行壓力的建壓或卸荷、穩(wěn)壓、限壓后，通過中位為“O”型的a電磁換向閥進行液流的方向控制，液流進入壓縮油缸，壓縮油缸驅動推板進行往復運動，運動終端的信號由推板上的碰塊觸發(fā)前后端行程開關S、K而發(fā)出指令。

從圖2推板控制流程圖可以看出，推板一個完整的往復運動終端控制過程（推板前進過程和推板回程過程為非終端狀態(tài)）分為L1原點啟動推出過程、L2前端終點停止過程、G1推板停止狀態(tài)、L3前端啟動回程過程、L4原點停止過程、G2推板停止狀態(tài)。

2.2 存在的技術短板分析

結合圖1、2的控制策略分析，G2推板原點停止狀態(tài)時壓縮油缸有桿腔處于高壓狀態(tài)，此時有桿腔液壓剛度較大，類似于高壓彈簧反向加載，當推板開始進行L1原點啟動推出過程，DT1、DT4同時通電，油泵流量Q以全流量Q=Q1進入壓縮油缸無桿腔，推板由靜到瞬間高速運動，加速度較大，此時推板以瞬間高速撞擊反向高壓彈簧的方式啟動推出，產生了嚴重的液壓沖擊，同理，當推板L3前端啟動回程過程也由于較大加速度瞬間產生高速，撞擊反向高壓彈簧（液壓剛度）產生同樣嚴重的液壓沖擊。

當推板進入前端終點時，開始L2前端終點停止過程，推板的碰塊觸發(fā)前端行程開關S，發(fā)出指令，DT1、DT4同時斷電，油泵流量Q瞬間卸荷，推板運動由高速突然停止，反向加速度較大，產生了嚴重的液壓沖擊；同理，當推板進入L4原點停止過程，由于反向加速度較大，推板由高速突然停止，產生了同樣嚴重的液壓沖擊。

從以上分析可知，此控制策略存在如下技術短板：

a. L1原點啟動推出過程和L3前端啟動回程過程：G1/G2推板停止狀態(tài)時壓縮油缸腔內存有高壓油，液壓剛度大，此時以全流量瞬間高速撞擊反向高壓彈簧啟動推板，這兩個過程均是一種剛性啟動方式，形成液壓沖擊。

b. L2前端終點停止過程和L4原點停止過程：這兩個過程時全流量瞬間卸荷，推板由高速突然停止，反向加速度大，這兩個過程均是一種剛性停止方式，形成液壓沖擊。

剛性停止到剛性啟動的換向方式，造成嚴重的換向沖擊，將產生較大的沖擊噪聲并導致機構部件壽命降低。

3 機構雙柔性換向的控制策略

3.1 液壓控制原理分析與優(yōu)化

針對往復運動的剛性換向及產生的原因，首先從液壓控制原理上進行優(yōu)化，以避免形成換向沖擊，優(yōu)化后的液壓控制原理如圖3所示。

相比原液壓控制原理，優(yōu)化了三個方面：a電磁換向閥中位由“O”型改成為“Y”型，用于對G1/G2推板停止狀態(tài)時壓縮油缸無桿腔和有桿腔進行卸荷；在油泵出口設置了電磁式旁路節(jié)流閥，用于調節(jié)推板啟動和停止的速度，降低換向時的加速度；在推板前后端增加了行程開關S2和 K2,用于推板換向的停止和啟動階段時，由高速分解成高速和慢速兩個過程，避免加速度過大帶來的液壓沖擊。

圖3 優(yōu)化的液壓控制原理圖

當電磁鐵均不通電時，a電磁換向閥中位為“Y”型，壓縮油缸的無腔桿和有桿腔均與油箱直接相通，腔內處于卸壓狀態(tài)，使得換向時反向高壓彈簧作用不復存在。

3）方案設計。封堵設計的主要內容應當包含：設計說明書、水井巖性柱狀圖、封堵設計柱狀圖、封堵施工方案、封堵技術及質量要求等。

當推板啟動或停止時，電磁式旁路節(jié)流閥可以控制其啟動或停止的速度，根據(jù)閥口流量公式：

式中，P為工作壓力；Y為閥口面積（旁路節(jié)流口）；C為閥口系數(shù)（與設計的閥口型式有關）；ρ為液壓油的密度。

式中，Q為油泵系統(tǒng)流量； Q1為工作流量（決定推板的速度）；Q2為分流流量。

當DT3不通電時，電磁式旁路節(jié)流閥處失效狀態(tài)，此時Q2=0，Q1=Q，推板以全流量作高速運動；當DT3通電時，電磁式旁路節(jié)流閥工作，Q2處于分流狀態(tài)（Q2流量可通過調節(jié)旁路節(jié)流口Y來改變），工作流量Q1=Q-Q2，推板以半流量作慢速運動。

在推板前后端除了原來的行程開關S1、K1,增加了行程開關S2、K2,S1和S2在前端,兩者距離可調,一般距離為50 mm即可；同樣,K1和K2在后端,兩者距離可調,一般距離為50 mm即可。這是用于行程終端的分段調速區(qū)分點，S1與 S2之 間、K1與K2之間為推板慢速段，S2與 K2之間為推板高速快速段。

3.2 控制流程的分析與優(yōu)化

結合優(yōu)化后的液壓控制原理，推板的控制流程優(yōu)化如圖4所示。

圖4 優(yōu)化的控制流程圖

結合圖3、4的控制策略分析，G1/G2推板原點停止狀態(tài)時壓縮油缸有桿腔和無桿腔處于卸壓狀態(tài)，消除了類似于高壓彈簧反向加載，當推板開始進行L1原點啟動推出過程，DT3、DT4通電，預加壓0.1 s后，DT1、DT3、DT4同時通電，工作流量Q1=Q-Q2以半流量狀態(tài)進入壓縮油缸無桿腔，推板由靜止到慢速啟動，加速度小，延時2 s后，DT1、DT4通電，DT3斷電，工作流量Q1=Q以全流量狀態(tài)進入壓縮油缸無桿腔，推板高速前進；同理，當推板L3前端啟動回程過程，也通過控制DT3實現(xiàn)慢速啟動、高速回程兩個階段。無反向高壓彈簧作用，且降低了啟動的加速度，大大降低了液壓沖擊。

當推板進入前端終點時，進入L2前端終點停止過程，推板碰塊觸發(fā)前端行程開關S2,發(fā)出指令，DT1、DT3、DT4同時通電, 壓縮油缸切換成以工作流量Q1=QQ2以半流量狀態(tài)工作，推板由高速前進切換成慢速前進，當推板碰塊觸發(fā)前端行程開關S1時，DT1斷電，降為低壓，延時0.1 s后，DT1、DT3、DT4均斷電，這樣就把L2前端終點停止過程分為高速降慢速、慢速停止兩個階段；同理，L4原點停止過程也通過控制電磁式旁路節(jié)流閥DT3,把原點停止過程分成高速降慢速、慢速停止兩個階段。這樣進行停止過程的控制，降低了停止的反向加速度，大大降低了液壓沖擊。

3.3 技術優(yōu)勢

液壓控制原理與控制流程相輔相成優(yōu)化后，從以上分析可知，此控制策略存在如下技術優(yōu)勢：

a. 當電磁鐵均不通電時，a電磁換向閥中位為“Y”型，壓縮油缸的無腔桿和有桿腔均與油箱直接相通，腔內處于卸壓狀態(tài)，且優(yōu)化后的控制流程中，增加了啟動預加壓、停止降壓環(huán)節(jié)，使得換向時反向高壓彈簧作用不復存在；

b. L1原點啟動推出過程和L3前端啟動回程過程：控制電磁式旁路節(jié)流閥DT3實現(xiàn)慢速啟動、高速作業(yè)兩個階段，降低了啟動的加速度；L2前端終點停止過程和L4原點停止過程：控制電磁式旁路節(jié)流閥DT3分成高速降慢速、慢速停止兩個階段，降低了停止的反向加速度；

c. 通過以上a和b兩點，推板在運動終端換向時，實現(xiàn)了無反向高壓彈簧作用下的慢速停止和慢速啟動，但又不會影響正常作業(yè)的高速運動，是一種先柔性停止后再柔性啟動的雙柔性換向模式，這種雙柔性換向模式將大大降低換向沖擊，從而降低了沖擊噪聲并減少了沖擊引起的機構部件損壞。

d. 這種控制策略的優(yōu)化（液壓控制原理與控制流程兩方面相輔相成的優(yōu)化），增加部件較少，實施途徑簡單，成本低。

3.4 新型控制策略的應用

車廂可卸式垃圾車配套的連體式垃圾壓縮箱，在裝載壓縮垃圾時，推板是典型的以往復運動進行作業(yè)的模式，其終端換向的沖擊大小，將直接影響作業(yè)噪音和產品的壽命。優(yōu)化后控制策略應用于車廂可卸式垃圾車及連體垃圾壓縮箱如圖5所示，其在液壓控制原理和控制流程上均作了上述優(yōu)化，提高了車廂可卸式垃圾車及連體垃圾壓縮箱的性能和技術水平。

4 試驗驗證

為了驗證優(yōu)化后雙柔性換向控制策略的實際效果，采用同一臺車廂可卸式垃圾車，在其配套的連體式垃圾壓縮箱上，首先運用傳統(tǒng)的液壓控制原理和控制流程進行實際作業(yè)，再更改成優(yōu)化的液壓控制原理和控制流程進行實際作業(yè)。圖6為用于比較效果的試驗樣車，圖7為連體式垃圾壓縮箱進行實際試驗作業(yè)。

圖5 雙柔性換向的車廂可卸式垃圾車

圖6 試驗樣車

圖7 試驗作業(yè)

表1 檢測記錄表

從試驗檢測記錄表1可以看出，推板推出和回程噪聲優(yōu)化后降低約11 dB(A)，表明優(yōu)化后的控制策略實現(xiàn)了顯著的雙柔性換向效果，沖擊噪聲大幅度下降，作業(yè)沖擊大大減少；推板推出和回程的換向壓力下降約10 MPa，推出和回程的耳軸在換向瞬間的變形量下降約6 μm，可以推斷出，機構在雙柔性換向作業(yè)模式下，沖擊小，機構和液壓部件的壽命將相應提高。從試驗檢測的數(shù)據(jù)可以看出，優(yōu)化的機構雙柔性換向控制策略達到了較好的效果，理論得到了有效的驗證。

5 結語

優(yōu)化后的控制策略，使機構實現(xiàn)了先柔性停止后再柔性啟動的雙柔性換向效果，應用于車廂可卸式垃圾車的連體式垃圾壓縮箱后，車輛作業(yè)噪聲低，可靠性高，成本低，性能上得到了較大的提升。

a.換向沖擊小，作業(yè)時由沖擊帶來的作業(yè)噪聲低，減少了對周圍環(huán)境的“噪聲污染”；

b.減少了對機構、液壓部件的沖擊損壞，提高了可靠性，延長了設備的壽命；

c.設備性能（作業(yè)噪聲降低，可靠性提高）提高的關鍵技術核心，主要是控制策略的優(yōu)化（控制流程與液壓控制原理相結合的優(yōu)化），實施途徑簡單,成本低。