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伺服和比例控制的特征以及其需要考慮的因素
點(diǎn)擊次數(shù)：31 發(fā)布時(shí)間：2024-12-23
解釋不同類型的比例控制閥
在本節(jié)中，我們將研究一系列不同的控制系統(tǒng)示例，以了解為什么需要每種類型的控制以及實(shí)現(xiàn)它們需要閥的哪些特征。
手動(dòng)流量控制
許多移動(dòng)式機(jī)器需要操作員移動(dòng)手柄來(lái)控制重載的位置。通用的比例閥是根據(jù)桿移動(dòng)的距離來(lái)調(diào)節(jié)流量。方向閥要么打開，要么關(guān)閉，因此無(wú)法提供足夠的控制靈敏度。如果只需要一種流量，則可以使用流量控制閥。但是當(dāng)流量需要改變時(shí)，則需要使用調(diào)速閥或比例閥。
遠(yuǎn)程手動(dòng)流量控制
一些移動(dòng)式機(jī)器將控制桿放置在遠(yuǎn)離控制閥本身的位置。操作員移動(dòng)的手柄將產(chǎn)生電或流體壓力信號(hào)，該信號(hào)將發(fā)送回主控制閥。電氣和壓力供給最終可能會(huì)向主控制閥閥芯的每一端提供一個(gè)小的先導(dǎo)壓力信號(hào)（通過帶有電信號(hào)的比例減壓閥）。這被稱為先導(dǎo)壓力控制系統(tǒng)，其性能與手動(dòng)流量控制系統(tǒng)非常相似。
所需特征
先導(dǎo)壓力供應(yīng)系統(tǒng)或電氣控制系統(tǒng)，帶有比例控制桿、模擬或數(shù)字控制模塊和比例電磁閥，它們可直接作用于主閥芯末端或驅(qū)動(dòng)比例減壓閥，為閥芯末端供油。
需要考慮的因素
與主負(fù)載壓力相比，先導(dǎo)壓力信號(hào)通常非常低。這意味著它們可能對(duì)主供應(yīng)或油箱回油管路中的振蕩很敏感。壓力波動(dòng)（尤其是回油管路中的波動(dòng)）也可能被先導(dǎo)控制壓力所感受到。
電氣比例流量控制
許多工業(yè)機(jī)器依靠電氣控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)閥門提供的流量。自動(dòng)化機(jī)器需要反復(fù)提供相同的速度，即流量。這意味著每次將閥門打開一定量時(shí)，都要提供相同的流量。而這很難實(shí)現(xiàn)。正如我們?cè)谑謩?dòng)控制中提到的那樣，人們不斷調(diào)整手柄位置以找到所需的速度。對(duì)于自動(dòng)控制，閥芯必須通過電磁力和通過產(chǎn)生的節(jié)流孔面積的流量進(jìn)行非常精確的定位，這將根據(jù)壓力差和流體粘度而變化。這意味著電源電壓、溫度、負(fù)載或供應(yīng)壓力、閥門磨損、污染甚至環(huán)境條件等的任何變化都會(huì)影響實(shí)際實(shí)現(xiàn)的流量。事實(shí)上，這些影響通常如此之大，以至于我們假設(shè)不可能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的速度，并且如果需要準(zhǔn)確定位液壓缸，通常使用較低的調(diào)節(jié)速度。
所需特征
最常見的比例電磁閥類型將對(duì)閥芯末端施加與提供的 PWM（脈沖寬度調(diào)制）電流大致成比例的力。該力將使閥芯向閥芯另一側(cè)的彈簧移動(dòng)。或者，比例減壓閥可能用于對(duì)閥芯的一端施加小壓力，使其向相反的彈簧移動(dòng)。
這要?dú)w功于基本的比例控制功能，無(wú)法準(zhǔn)確控制液壓缸的速度或停止位置，因此需要根據(jù)每臺(tái)機(jī)器的操作要求考慮其他因素。
要考慮的因素
我們將在以下段落中考慮提高比例控制精度的一系列選項(xiàng)。
比例流量壓力控制閥
也許有人會(huì)說，大多數(shù)壓力和流量控制閥實(shí)際上是手動(dòng)操作的比例閥，但它們從未被稱為比例閥。然而，當(dāng)閥門配有比例控制電磁閥以便可以遠(yuǎn)程連續(xù)調(diào)節(jié)時(shí)，它們通常被稱為比例流量和壓力控制閥。
作用于比例控制系統(tǒng)的作用力
如果使用比例閥，很可能是因?yàn)樨?fù)載相對(duì)較大或需要快速移動(dòng)。因此，了解可能作用于系統(tǒng)的所有負(fù)載非常重要。
靜態(tài)負(fù)載
作用于系統(tǒng)的總移動(dòng)質(zhì)量是多少，例如負(fù)載加框架？負(fù)載如何隨著液壓缸移動(dòng)而變化，當(dāng)推或拉的時(shí)候是否會(huì)產(chǎn)生負(fù)負(fù)載？
動(dòng)態(tài)負(fù)載
加速和減速負(fù)載需要的力比簡(jiǎn)單地支撐負(fù)載要大。在高性能系統(tǒng)中，管道中流體的加速質(zhì)量也可能很重要。
所需力 = 質(zhì)量 x 加速度 = 壓力 x 面積
不要忘記，如果負(fù)載圍繞半徑做圓周運(yùn)動(dòng)，則在力的計(jì)算中必須使用半徑的平方。
摩擦負(fù)載
操作機(jī)構(gòu)中總會(huì)有一些機(jī)械摩擦，管道中也會(huì)有流體損失。這些有時(shí)很重要。
壓降提供控制功能
了解閥上的壓降如何變化是了解閥性能的關(guān)鍵。
A-B 從 A 點(diǎn)到 B 點(diǎn)，我們將負(fù)載從停止?fàn)顟B(tài)加速到所需的閥門開度設(shè)置。閥門兩端的壓降保持相對(duì)較小 Pv = P（供給）- P（負(fù)載質(zhì)量）- P（負(fù)載加速度）。
B-C 從 B 點(diǎn)到 C 點(diǎn)，閥門已達(dá)到 90% 的開啟度，并以恒定速度提升質(zhì)量 Pv = P（供給）- P（負(fù)載質(zhì)量）。由于不需要力來(lái)加速負(fù)載，因此閥門兩端的壓降會(huì)增加。
C 我們保持在 C 點(diǎn)，而閥門保持在 90% 并繼續(xù)以恒定速度提升質(zhì)量 Pv = P（供給）- P（負(fù)載質(zhì)量）。
C-D 然后，我們開始將負(fù)載從 C 點(diǎn)減速到 D 點(diǎn)。最初，負(fù)載慣性將嘗試保持相同的速度/流量，直到閥門壓降開始制動(dòng)它。請(qǐng)注意總 Pv 如何增加，因?yàn)楣┙o壓力和負(fù)載慣性壓力都在同一方向上起作用。Pv = P（供給）- P（負(fù)載質(zhì)量）+ P（負(fù)載減速）。此階段的最大值為 25%。
D-A 在 D 到 A 的恒定減速階段，閥門仍在制動(dòng)負(fù)載，因此 Pv 保持較高水平。
必須控制供給壓力加上負(fù)載壓力，這意味著對(duì)于相同的流量，閥門僅打開至其全行程的 40%。
需要考慮的因素
A. 閥門壓降 Pv 是兩個(gè)閥口的總和，活塞側(cè)的流量是桿側(cè)的兩倍。有時(shí)最好使用 2:1 閥芯，這樣全流量活塞測(cè)的壓降與半流量桿側(cè)的壓降相似。
B. 如果 Pv =10 bar，則液壓缸流量?jī)H為 100 L/min。如果隨后移除液壓缸負(fù)載，使閥門壓降 Pv 變?yōu)?90 bar，則流量將增加到 300 L/min。對(duì)于自動(dòng)機(jī)器循環(huán)來(lái)說，100-300 L/min 的流量/速度變化可能是不可接受的。
C. 比較比例閥時(shí)，始終考慮特定壓降下的流量，例如 90 bar Pv 下的流量為 100L/min，而 90 bar Pv 下的流量為 150 L/min。
D. 如果使用更大流量額定值的閥門，以減少閥門的壓力損失，從而增加負(fù)載可用的壓力。我們的曲線顯示，將發(fā)生的一切是我們的點(diǎn) C 將移動(dòng)到點(diǎn) K。系統(tǒng)將始終保持相同的壓降平衡，因?yàn)樨?fù)載和供應(yīng)壓力保持不變。改變的是，更大額定值的閥門打開得稍微少一些，因?yàn)榘胄谐痰陌俜直瓤刂普`差與全行程的百分比控制誤差保持不變。使用更大的閥門，控制精度將始終更差。
E. 始終保持閥門上至少 10 bar 的壓降，以避免因負(fù)載下降而產(chǎn)生氣蝕。
F. 請(qǐng)注意，每個(gè) Pv 曲線都不是線性的。曲線的形狀由控制槽口的形狀決定。
G. 還有許多更詳細(xì)的技術(shù)參數(shù)將在設(shè)計(jì)階段考慮，但這里沒有介紹。元件制造商將有專家使用專業(yè)的模擬軟件來(lái)識(shí)別和優(yōu)化適合每種應(yīng)用的閥門。
這些示例應(yīng)該可以幫助您了解正在發(fā)生的事情，但是在進(jìn)行任何元件更改之前，您應(yīng)該始終參考機(jī)器設(shè)計(jì)師的意見。
為什么要使用壓力補(bǔ)償器
我們現(xiàn)在應(yīng)該都非常熟悉這樣一個(gè)事實(shí)：隨著負(fù)載的變化，閥門上的壓降也會(huì)發(fā)生變化。隨著閥門節(jié)流位置的壓降變化，通過閥門的流量也會(huì)發(fā)生變化。
壓力補(bǔ)償器將保持閥門上的壓降恒定，因此通過閥門的流量更恒定。流量控制的精確度仍然會(huì)存在誤差，但應(yīng)該比沒有補(bǔ)償器時(shí)好得多。
在移動(dòng)系統(tǒng)中，壓力補(bǔ)償器的設(shè)置通常相當(dāng)?shù)停玳y門上的 10-20 bar。這將有助于將損耗保持在較低水平，以改善車輛的燃油消耗，盡管可能會(huì)提供不太準(zhǔn)確的流量控制。不同的制造商還以多種不同的方式應(yīng)用壓力補(bǔ)償閥，例如，一些在主閥芯之前進(jìn)行感應(yīng)，一些在主閥芯之后進(jìn)行感應(yīng)（稱為前補(bǔ)償和后補(bǔ)償）。這些變化通常是由于制造商，但它們會(huì)對(duì)某些性能特征產(chǎn)生重大影響。
關(guān)鍵工業(yè)在工業(yè)系統(tǒng)中，補(bǔ)償器往往設(shè)置在 20 - 30 bar 之間，但為了獲得良好的質(zhì)量控制，很可能會(huì)使用負(fù)載壓力的 30% 的壓降。
需要考慮的因素
A. 當(dāng)負(fù)載在每個(gè)液壓缸循環(huán)期間或之間發(fā)生顯著變化時(shí)，可能需要安裝壓力補(bǔ)償器。特別是當(dāng)負(fù)載在一個(gè)液壓缸循環(huán)期間從正負(fù)載變?yōu)樨?fù)負(fù)載時(shí)。
B. 壓力補(bǔ)償器需要在液壓缸伸出和縮回時(shí)感測(cè)負(fù)載壓力。因此，通常會(huì)看到一個(gè)梭閥，它從液壓缸的活塞側(cè)或桿側(cè)傳回，穿過控制閥，到達(dá)閥門供應(yīng)管線上的壓力補(bǔ)償閥。
C. 壓力補(bǔ)償器有進(jìn)油節(jié)流或出油節(jié)流配置（工業(yè)）、前補(bǔ)償器或后補(bǔ)償器（移動(dòng)）。
D. 如果減速壓力高于補(bǔ)償器彈簧設(shè)定值，則選型配置不合理的進(jìn)油節(jié)流補(bǔ)償器可能會(huì)在減速時(shí)失去對(duì)負(fù)載的控制。
E. 選型配置不合理的出油節(jié)流補(bǔ)償器可能導(dǎo)致液壓缸壓力增加。可能還需要平衡閥來(lái)確保安全控制負(fù)載。
F. 壓力補(bǔ)償器可能導(dǎo)致系統(tǒng)剛度減半，從而大大降低動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。