多工況機械的復合調(diào)速系統(tǒng)

李偉濤 郭騰偉

1.深圳東風汽車有限公司 廣東深圳 518000

2. 神龍汽車有限公司 湖北武漢 430056

1 前言

多工況機械在作業(yè)過程中其工況不斷發(fā)生變化，變化中的工況不同，所需求的最佳速度并不相同。如果作業(yè)過程中工況發(fā)生變化，機構(gòu)速度不能相應地進行良好匹配，或速度不能根據(jù)工況變化隨動適應，都會造成機械的工況“所需速度”與系統(tǒng)“所給速度”存在偏差，這將造成機械運動沖擊大、運動不平穩(wěn)，安全性下降，同時使作業(yè)的循環(huán)時間延長，降低了作業(yè)效率。

專用汽車專用裝置有很多類型的機械結(jié)構(gòu)，其機構(gòu)運動過程中工況不斷發(fā)生變化，以高位垃圾車后部進料機構(gòu)為典型案例，本文將闡述一種復合調(diào)速系統(tǒng)，可以使系統(tǒng)提供的速度與工況變化之間具有很好的匹配性和自動跟隨性，自動實現(xiàn)“要快即快、要慢即慢”的作業(yè)效果，為多工況機械的速度控制方法提供了一種新的技術(shù)路徑。

2 高位垃圾車進料機構(gòu)及其工況

2.1 高位垃圾車的結(jié)構(gòu)組成

高位垃圾車專用機械裝置主要由上料壓縮機構(gòu)（壓桶機構(gòu)、進料機構(gòu)、刮板）、卸料機構(gòu)（支腿、舉升機構(gòu)）、車廂、底盤組成，如圖1所示，其中上料壓縮機構(gòu)和卸料機構(gòu)均由對應的油缸進行驅(qū)動，以實現(xiàn)高位垃圾車的作業(yè)功能。

圖1 高位垃圾車結(jié)構(gòu)組成

上料壓縮機構(gòu)中的進料機構(gòu)是作業(yè)頻次最高的機構(gòu)，其對速度控制精度要求高，進料機構(gòu)在作業(yè)時，其工況隨作業(yè)過程不斷發(fā)生變化，不同工況，其機構(gòu)最佳的速度也不相同。進料機構(gòu)不同工況能以不同的最佳速度相適應工作，可以有效保證機構(gòu)運動平穩(wěn)、安全、可靠，而且可以提高作業(yè)效率。

2.2 進料機構(gòu)多工況分析

進料機構(gòu)在作業(yè)過程中，其工況變化如圖2所示，從原點到復位是一個多種工況不斷變化的過程。

圖2 多工況流程分析圖

進料機構(gòu)在原點開始動作到終點復位，其工況可以細分為6個階段，6個階段工況特點如下：

a.S1平移外伸：進料機構(gòu)在此階段是重載外伸和上升狀態(tài)，需同時克服平移力和上升力的作用，故速度不能太快，否則垃圾桶易晃動導致垃圾外溢，可靠性下降，也不能太慢，否則效率低下，以中速運動，其速度定義為V上/中。

b.S2提升翻轉(zhuǎn)：進料機構(gòu)在此階段是重載上升和翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，先克服上升力，后克服翻轉(zhuǎn)力，為了提高作業(yè)效率，以高速運動，其速度定義為V上/。

c.S3翻轉(zhuǎn)進料：進料機構(gòu)在此階段是重載翻轉(zhuǎn)和負載荷狀態(tài)，需先克服翻轉(zhuǎn)力，后克服負載荷，為了傾料的平穩(wěn)和安全，避免甩桶掉落，以低速運動，其速度定義為V上/低。

d.X1翻轉(zhuǎn)回程：進料機構(gòu)在此階段是空載回翻狀態(tài)，只需克服回翻力矩即可，速度過快會引起高位脫桶掉落，引起安全事故，運動需平穩(wěn)，以低速運動，其速度定義為V下/低。

e.X2翻轉(zhuǎn)下降：進料機構(gòu)在此階段空載翻轉(zhuǎn)和下降狀態(tài)，先克服回翻力，后克服下降負載荷，為了提高作業(yè)效率，以高速運動，其速度定義為V下/。

f.X3平移回縮：進料機構(gòu)在此階段是空載下降和回縮狀態(tài)，需同時克服平移負載荷和下降負載荷的作用，速度上不能太快，否則會引起提早脫桶，可靠性下降，也不能太慢，否則效率低下，以中速運動，其速度定義為V下/中。

g.S1/S2/S3是 重載狀態(tài)，X1/X2/X3是空載狀態(tài)，從運動平穩(wěn)、安全、效率角度綜合考慮，對應正反向工況的速度要求有所差異，重載慢，空載快，即V上/＜V下/,V上/中＜V下/中,V上/低＜V下/低。

3 適合多工況的復合調(diào)速系統(tǒng)

3.1 節(jié)流閥原理

圖3所示為某一種插裝式單向節(jié)流閥外形及原理圖，由調(diào)節(jié)螺桿、鎖緊螺母、密封圈、控制閥芯及插裝閥體等組成，可集成式安裝于組合閥塊中，占用體積小，集成度高，可靠性好。

圖3 單向節(jié)流閥外形及原理圖

單向節(jié)流閥工作時，油口①到②正向開啟，其壓力-流量曲線如圖4所示，流量越大，壓力降越大；油口②到①節(jié)流工作，可通過調(diào)節(jié)螺桿調(diào)節(jié)節(jié)流孔大小，即S的大小值(如可調(diào)成Sa值或Sb值)，其通過的流量Qf由下式1決定：

圖4 壓力-流量曲線圖

式中，Qf為通過節(jié)流孔S的流量，K為孔口系數(shù)，由孔的形狀決定，S為節(jié)流孔的當量面積，可通過調(diào)節(jié)螺桿調(diào)節(jié)，△P為②到①的壓差，ρ為流體的密度。

復合調(diào)速系統(tǒng)擬應用兩個單向節(jié)流閥實現(xiàn)系統(tǒng)總流量Q的旁路分流,并把兩個單向節(jié)流閥節(jié)流口S調(diào)節(jié)到Sa和 Sb， 且Sa＞ Sb，通過電磁換向閥3進行切換（重載與空載即上與下的切換），實現(xiàn)重載慢，空載快，即V上/＜V下/，V上/中＜V下/中，V上/低＜V下/低；節(jié)流口S可調(diào)范圍大，旁路分流范圍就大，具有寬調(diào)速范圍特點。

3.2 電流型比例節(jié)流閥原理

圖5所示為某一種插裝式電流型比例節(jié)流閥外形及原理圖，由比例電磁鐵、鎖緊螺母、密封圈、比例閥芯及插裝閥體等組成，可集成式安裝于組合閥

圖5 比例節(jié)流閥外形及原理圖

此款電流型比例節(jié)流閥有3個油口，③為進油口，④為旁路油口，⑤為比例節(jié)流后出油口，本文闡述的復合調(diào)速系統(tǒng)不采用④旁路油口，對油口④作封堵處理, ⑤為節(jié)流后出油口，通過電磁換向閥1切換后接回油箱T，出口壓力理論值為0。

電流型比例節(jié)流閥工作時，通過比例節(jié)流閥的流量由下式?jīng)Q定：

式中，QI為通過比例節(jié)流閥流量，KI為孔口系數(shù)，由閥孔形狀決定，SI為節(jié)流孔的當量面積，可通過比例電磁鐵電流進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)值由式(3)得出，I為通電電流值，W為電流值與閥口當量面積的轉(zhuǎn)換系數(shù)，PI為比例節(jié)流閥的進口壓力值，ρ為流體的密度，由式(2)、(3)可得出電流I-流量QI曲線圖，如圖6所示。

圖6 電流-流量曲線圖

復合調(diào)速系統(tǒng)擬應用兩個電流型比例節(jié)流閥接入油缸回油路，并通過電磁換向閥a/b進行切換激活，實現(xiàn)系統(tǒng)總流量Q的穩(wěn)壓溢流，穩(wěn)壓溢流條件按下式：

式中，n為進料油缸有桿腔和無桿腔的面積比；P2為負載形成的油缸工作腔壓力；P為比例節(jié)流閥回油節(jié)流形成的背壓P1和負載形成壓力P2之和，即油缸工作壓力。當P小于溢流閥設定的壓力值，系統(tǒng)不進行穩(wěn)壓溢流，當P大于溢流閥設定的壓力值，系統(tǒng)進行穩(wěn)壓溢流，穩(wěn)壓溢流流量為Qy，由式(2)～(5)可知，Qy值與電流值I為非線性的反向關(guān)系，即I值越大，Qy值 越小；I值越小， Qy值越大。

兩個比例節(jié)流閥的電流I輸入不同電流值，分別為Ia和 Ib， 穩(wěn)壓溢流流量Qy值不同，形成不同的速度，電流I值可輸入范圍大，穩(wěn)壓溢流范圍就大，使得其具有寬調(diào)速范圍特點。

3.3 復合調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)建

圖7所示為由單向節(jié)流閥a/b、比例節(jié)流閥a/b、和多個不同型式電磁換向閥等構(gòu)建了進料機構(gòu)的復合調(diào)速系統(tǒng)。

圖7 復合調(diào)速控制系統(tǒng)原理圖

a. 卸荷式溢流模塊：由電磁換向閥0、溢流閥組成，并聯(lián)接入主油路，用于系統(tǒng)卸荷和溢流。當工作壓力P超過溢流閥設定值p時，進行穩(wěn)壓溢流，保持工作壓力P=p，溢流流量為Qy；當工作壓力P不超過溢流閥設定值p時，不進行穩(wěn)壓溢流，以壓力P工作，溢流流量為Qy=0。

b. 旁路式分流模塊：由電磁換向閥3、單向節(jié)流閥a/b組成，并聯(lián)接入主油路，用于分流總流量Q。分流流量Qf由 式(1)決定， DT3工作時單向節(jié)流閥a工作,節(jié)流口為Sa，DT4工作時，單向節(jié)流閥b工作,節(jié)流口為Sb。 Sa＞Sb, DT3工作時，分流流量大，機構(gòu)速度慢，DT4工作時，分流流量小，機構(gòu)速度快。

c. 回油式節(jié)流模塊：由比例節(jié)流閥a/b、電磁換向閥a/b組成，兩者并聯(lián)后，以串聯(lián)方式接入主回油路。DTb、 Ib工作時，進料機構(gòu)上升過程通過比例節(jié)流閥b進行回油節(jié)流，DTa、 Ia工作時，進料機構(gòu)下降過程通過比例節(jié)流閥a進行回油節(jié)流。回油節(jié)流時將產(chǎn)生穩(wěn)壓溢流Qy， 不同的Ia、 Ib產(chǎn)生穩(wěn)壓溢流流量Qy不同。

d. 卸荷式溢流模塊、旁路式分流模塊、回油式節(jié)流模塊構(gòu)建了進料機構(gòu)的復合調(diào)速系統(tǒng)。通過多個不同形式電磁換向閥切換，使系統(tǒng)在分流流量Qf不 同值和穩(wěn)壓溢流流量Qy不同值之間自動跟隨工況變化進行多種組合，實現(xiàn)進料油缸多種工作速度的自動跟隨適應，保證了進料機構(gòu)在不同工況下的工作速度最佳匹配，并自動隨工況變化自動跟隨適應。

3.4 系統(tǒng)的多工況適應特性

由2.2所述，進料機構(gòu)進料過程從原點到復位共分為6種不同變化的工況，由3.3所述，構(gòu)建了復合調(diào)速系統(tǒng)。復合調(diào)速系統(tǒng)具有多工況的適應性和自動跟隨性，如表1所示。

表1 多工況與調(diào)速控制策略對應表

進料過程6種工況分為S1、S2、 S3、 X1、 X2、 X3所需速度要求分別為V上/中、V上/、V上/低、V下/低、V下/、V下/中,且V上/＜V下/, V上/中＜V下/中, V上/低＜V下/低;(可編程控制器PLC驅(qū)動表中各個電磁換向閥電磁鐵的通電狀態(tài)，)實現(xiàn)各個工況下分流流量Qf和 Qy值，形成不同組合的工作流量，一一對應6種工況，充分滿足各個工況的工作流量Qg( Qg= Q-Qf- Qy)，從而保證機構(gòu)作業(yè)速度和工況匹配處于最佳狀態(tài)；由可編程控制器PLC自動識別工況類別，激活相應的速度，自動與工況跟隨適應。多工況下的復合調(diào)速特性曲線如圖8所示。

從圖8可以看出，通過復合設速系統(tǒng)實現(xiàn)各個工況的速度最佳匹配，完全滿足6種工況各自的速度要求，同時這6個最佳匹配的速度是通過可編程控制器PLC控制電磁鐵通電狀態(tài)切換自動實現(xiàn)，具有與6種工況自動跟隨適應的特點，即自動實現(xiàn)“所給即所需”的技術(shù)效果。

圖8 多工況復合調(diào)速特性曲線

3.5 高位垃圾車上的應用

高位垃圾車后部進料機構(gòu)是一種典型多工況變化的機械結(jié)構(gòu)，而且進料機構(gòu)工作頻次最高，對速度要求較高，如圖9所示。

圖9 高位垃圾車液壓控制原理圖

高位垃圾車液壓系統(tǒng)控制上嵌入了上述復合調(diào)速控制系統(tǒng)，對進料油缸實施速度的自動精準控制，從而保證進料機構(gòu)作業(yè)效率高、工作平穩(wěn)、安全、可靠。其它機構(gòu)如壓桶機構(gòu)、舉升機構(gòu)、刮板機構(gòu)等，工作頻次低，對作業(yè)速度要求不高，在速度控制上采用傳統(tǒng)控制方法來實現(xiàn)。

3.6 技術(shù)優(yōu)勢

對高位垃圾車后部進料機構(gòu)來說，通過復合調(diào)速系統(tǒng)的自動精準控制，大大提升了高位垃圾車的技術(shù)水平，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

a.速度的精準控制：進料機構(gòu)速度的精度控制，作業(yè)平穩(wěn)，沖擊小，杜絕沖擊大引起的垃圾拋灑、甩桶等不可靠、不安全的作業(yè)狀況，提高了作業(yè)效率；

b.高度集成化：復合調(diào)速系統(tǒng)運用的部件如單向節(jié)流閥、電流型比例節(jié)流閥、電磁換向閥等，均以插裝閥形式集成安裝于集成閥塊，實現(xiàn)模塊式集中控制功能，體積小、集成度高、系統(tǒng)工作可靠；

c.適用范圍廣：電流型比例節(jié)流閥及單向節(jié)流閥的可調(diào)范圍大，使得每個動作具有寬調(diào)速范圍特性，同一種復合調(diào)速系統(tǒng)，可以適用于較多不同的機械。

4 復合調(diào)速系統(tǒng)測試和試驗

筆者為了驗證復合調(diào)速系統(tǒng)在高位垃圾車上的應用效果，試制了具有復合調(diào)速系統(tǒng)功能的樣車，如圖10所示，空載狀態(tài)下進行測試，如圖11所示，在實際使用中進行負載實驗。

圖10 試制樣車

圖11 樣車裝載試驗

試驗從空載測試和負載試驗兩方面進行，實際裝載15車垃圾，全面驗證其作業(yè)效果。經(jīng)過驗證，相比無復合調(diào)速功能的高位垃圾車，噪音同比降低了37%，裝載垃圾時間減少了21.5%，作業(yè)過程沒有出現(xiàn)過一次甩桶、掛桶不牢等問題，可靠率從86%提高到100% 。

從驗證的數(shù)據(jù)表明，復合調(diào)速系統(tǒng)可以使機構(gòu)作業(yè)平穩(wěn)、減少沖擊，從而降低了噪音；速度的自動跟隨適應提高了作業(yè)效率，減少了作業(yè)時間；復合調(diào)速系統(tǒng)保證作業(yè)的可靠。以上各項數(shù)據(jù)證明，復合調(diào)速系統(tǒng)使多工況機械作業(yè)達到了理想的效果。

5 結(jié)語

多工況機械的復合調(diào)速系統(tǒng)，自動實現(xiàn)“所給即所需”的技術(shù)效果，為多工況機械的速度精準控制方法提供了一種技術(shù)路徑，亦可應用于專用汽車的研發(fā)，有利于提高專用汽車的技術(shù)水平。

a.提高專用汽車的性能：專用汽車的特殊機構(gòu)，通過復合調(diào)速系統(tǒng)，實施速度的精準控制，沖擊小，提高了機構(gòu)的壽命，減少了作業(yè)噪音，同時提高了車輛的使用效率；

b.方便安裝于專用汽車：復合調(diào)速系統(tǒng)通過插裝閥形式集成于控制閥塊，體積小、集成度高，在專用汽車上有很好的安裝便利性；

c.通用性好：復合調(diào)速系統(tǒng)具有寬調(diào)速范圍特性，能適應不同的機械結(jié)構(gòu)，拓展應用范圍廣，也就是可以適用于不同類型專用汽車，通用性能好。