1卷第01期第42005机械工程学报Vbl41No10年10月CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGOCt2005多路换向阀的发展历程与研究展望杨华勇曹剑徐兵吴根茂杭州310027)(浙江大学流体传动及控制国家重点实验室摘要:多路换向阀是工程机械液压系统中的关键部件之一综述了多路换向阀的发展历程分析了其发展背景及存在的关键问题比例多路阀着重分析了最新的抗流量饱和技术负流量控制技术和带电液负载敏感的负载口独立控制电液展望了该领域今后的研究方向关键词多路换向阀负载补偿5负载敏感电液比例技术负载口独立控制中图分类号TH137暴露出一些问题:¹附加液压元件多机械结构0目叮舀流道结构复杂动控制元件寿命及可靠性差º进出口联系统柔性差近似负载补偿从而降低控制多路换向阀简称多路阀它以两个以上换向阀性能随着负载口独立控制技术的日趋成熟和传感出现了负载口独立控为主体集换向阀单向阀过载阀补油阀和制’1动阀等于一体的多功能集成阀[,2手动六通多路阀由于其流量微调特性和操作上得到广泛应用器与微处理器性价比的提高和/或流量制电液比例多路阀用双阀心独立控制进出口压力解决了机液负载补偿的不足替换简单从而在工程提高了系但易受负载变化影响且中位回统柔性和节能效果丰富了控制方式为工程机械油能耗大负流量控制技术在六通多路阀旁路回油控制泵的排量的液压一机械系统智能化提供了条件路上设置流量检测装置从而减少旁路回油功率损失能耗大问题解决了六通多路阀的中路回油发展历程Ll针对六通多路阀易受负载变化影响的缺点用发展早期负载补偿技术保持四通多路阀阀口压差近似不变多路阀的发展早期是手动六通多路阀所示如图1从而解决负载压力和/或油源压力波动的干扰问题其中:P和Pl表示进油阀口A表示第一出负载敏感技术使四通多路阀的系统压力总是和最高油阀口口B表示第二出油阀口T表示回油阀口负载压力相适应最大限度地降低能耗但机液负当两联换向阀片串联时此阀的实质是前一联的T口就表示为C载补偿只能保持换向阀心的压差近似不变动力干扰和过渡时间较长易受液:先为旁路节流后油源全流量多路阀的负载敏感系统通过多路阀主阀口进入系统它最重要的特性是流在执行机构需求流量超过泵的最大流量时不能实现多缸同时操作定比例不变量微调特性(图2)实际上是初级的手动比例控制特抗流量饱和技术通过各联压力补偿性但有较大零位死区微调范围一般不大于阀心器的压差同时变化实现各联负载工作速度保持原设行程的30%而减小而且比例控制范围随着系统压力升高从自动化程度和整机布局角度来讲手动直接操纵多路阀使得整机设计布局困难且操作强度大液控多路阀在一定程度上增加灵活性提高总效率活简化管路口口PITP电液比例先导技术使整机布局更加灵提高动态响应降低噪声来源且用位置闭环提高了控制精度成为可能为工程机械自动化提供了条件从而使远控和无线遥控在危险区域作业的工程机械图1传统进出口联动多路阀在工程机械实际应用中手动六通多路阀由于六通多路阀的结构特点它具有以下优点20)50328(:收到初稿20050528收到修改稿¹初级手动比例特性º中路回油道是逐渐减小最机械工程学报4卷第01期第1后被切断执行元件启动平稳无冲击:»操作替负现今多采用桥路方式换简单但也有下述缺点¹容易受压差影响图3的负载补偿在执行机构进油侧参考文献载变化时操作不稳定º很难实现负载压力补偿或而且]介绍了在比例方向阀中应用的锥阀式双向出口2[压力补偿器但太昂贵在多路阀中基本没有应用负载敏感功能»中立位置的压力损失较大换向阀的联数越多公|5|)(0厂|l压力损失越大尽管负载补偿技术使多路阀压差近似不变控制性能提高了但是存在先天性不足:¹负载补偿多路…阀的控制与负载变化无关阀口压差近似不变高的场合压力p是通过消耗能量来换取一一东已喇崔节流发热严重º在控制精度由于压力补偿器在初始状态是全开的补偿特性较差且它是一个低阻尼环节因此不能用于负载速度闭环20世纪80年代节能成为研究者关注的焦点工程机械由于移动式作业36因此能量更显宝贵研究人员在四通多路阀上用负载敏感技术提高效率减少系统发热P一B)开度x/mm图2LZ流量微调特性P一A或(负载敏感技术真正发展在20世纪80年代的欧]5洲[与负载补偿负载敏感技术结合多路阀的负载敏感是指系统压力总是和压力针对上述六通多路阀容易受压差影响负载变最高联负载相适应图3所示的开中心负载敏感系化时操作不稳定的缺点如图3所示保持换向阀研究者根据二通调速阀原统在多路阀中集成了定差溢流阀零位时工作时定量泵通过多理发展了带压力补偿器的四通多路阀3压差不变输出流量经定差溢流阀流回油箱层次高压优先梭阀网络的选择压力补偿器8即定差减压阀近似压差主要与液动力将各执行机构的最泵出口压力与最高:压力高压力引回定差溢流阀敏感腔压力适应补偿器8的弹簧力和液压力作用面积有关压阀参考文但在多即在任意时刻泵出口压力比最高负载压献[3]采用测压点补偿法修正比例方向阀的定差减力高出一个定值这种系统的优点是;零位压差非很好地补偿弹簧力液动力的干扰常低与执行器数目无关、执行器起动恒定与负控制路阀上应用不多单向阀是为了防止回流]4品把单向阀4的功能集成到压力补偿器中[阀6用来机械调节换向阀两端压差值4有产节流载压力无关灵敏度高网络[4]不同工作压力的阀可同时动作也有多路阀无需多层次高压优先梭阀但现在很少用梭阀5将高压负载口的压力反馈到压力补偿器四通多路阀还有闭中心负载敏感形式(图4)用负载敏感泵实现负载适应泵的倾角几乎为零零位时没有阀动作仅补偿内部系统损失旁通压力取决于泵压差调节器所需的压力中位工作时任何一联离开泵的压力始终比最高负载压力高出一厂、|下l卜启芝_-少_斗畏己览一一冲}厂一定值一‘{寸f醚1一1/6「万钾:*田一一一一一号图3图413四通多路阀的闭中心负载敏感系统带压力补偿的开中心负载敏感原理图与电液比例技术结合20溢流阀2限压阀37换向阀4单向阀5梭阀6节流阀世纪80年代电液比例技术的成熟及广泛液压缸8二通压力补偿器9定量泵10定差溢流阀应用导致了电液比例多路阀的应用电液比例技术2005年10月:杨华勇等多路换向阀的发展历程与研究展望对多路阀的发展体现在两方面¹用电液比例先导阀驱动多路阀的换向阀心实现比例调速º用比用比例入例溢流阀或电液比例泵实现电液负载敏感溢流阀实现电液负载敏感时将比例溢流阀集成在多路阀中而用电液比例泵实现电液负载敏感时幕(匡‘““入丫用压力传感器检测出最高压力传给比例泵手动直接操纵多路阀翌口更j‘2乙““‘4卜叼{卜一日厚整机布局困难系统结构柔性差操作强度大且不能精确控制阀心位移液控多路阀在一定程度上增加灵活性提高总效率简化管路但由于先导阀与主阀用油路连接增加了油路容腔响应环降低动态响应增加了噪声来源图5负载传感补偿系统原理图电液比例先导技术使整机布局更加灵活提高动态失在六通阀最后一联的旁路回油路上设置流量检测装置用电液比例先导阀驱动主阀心并用位置传减小摩擦滞为工程机械控制泵的排量与旁路回油流量成负线性关系感器闭环反馈有效克服了滑阀死区从而减小旁路回油功率损失(图6):它分别牵涉到多大大提高控制精度和操作重复性路阀与液压泵两个方面在多路阀中解决旁路回油流量检测自动化提供了条件使远控和无线遥控在危险区域在变量泵变量机构中实现负流量控制的工程机械成为可能参考文献咚〕对负流量控制系统进行了详细研究机液负载敏感系统中压力是由梭阀网络和液压得出负流量控制本质上是一种恒流量控制通最管道传递而得到的信号延迟]6定[当管道较长时将产生负载压力过在多路阀旁路回油通道上设置流量检测元件即管道液压时间常数对系统动特性有终是要达到控制旁路回油流量为一个较小的恒定值从而减小旁路损失的目的负影响的相移号传递导致系统动态响应振荡甚至不稳这种恒流量控制电液负载敏感系统压力用传感器检测和电信最终可转化为旁路回油节流口处的恒压控制l|叹尸控制比例溢流阀或电液比例泵输出压力由于电信号处理和传递的快速性动态特性提高从而拓宽了负载敏感系统的应用领域14抗流量饱和技术和负流量控制技术出现圈{圈团义在沿用了近30年的各联内部用二通压力补偿器实现负载压力补偿用定差溢流阀或负载敏感泵实现负载敏感控制系统中出压力下降速度降低当泵的流量出现饱和即执行机构需求流量超过泵的最大流量时泵的输图6LS负流量控制原理图使进入最高压力联负载的流量减少与负载口独立控制技术结合1987而进入其他负载的流量不变这就不能12实现工程上多缸同时操作的要求[ck‘教授在插装阀控制理论中引a]入了独立控制概念后[10,9各国研究者都开始对独年德国B负载传感补偿系统解决了四通多路阀抗流量饱和的问题(图5[)]7立调节原理和控制策略进行研究Lk瑞典in6ping该系统主要特点是:¹压力补偿器置于多路阀出口类似于二通调速阀中先节流后大学用四个锥阀独立控制一个执行机构并且获得’“rd良好的控制性能和节能效果【}美国的Puue大学减压方案p,各联控制节流器进口均为泵的出口压力在Cateprrila的资助下用五个锥阀深入研究鲁棒自’’]2º将当时负载最高联的负载压力引入各联压力在正常情况下l适应控制策略实现节能[noiliis大学用五个双D补偿器的弹簧腔八pllP几/A一~=向滑阀进行研究向阀的功能[‘13用独立控制方法实现普通比例方Aal此值虽是时变的但对所有负载却是相同的丹麦的r大学在ogbonfas资都比最高负载压力高出一个定值偿器阀心的液压力作用面积补偿器的压差都是一样的器压差降低上式A是压力补助下研究独立控制策略以及阀的结构参数对负载口ies应用独立控英国Ulrtno”l制技术设计出新的多路阀结构形式和控制形式〔也就是说各联压力压力补偿4l独立控制性能的影响[〕流量饱和时但各负载之间工作速度比例关系仍保浙江大学应用负载口独立控制技术解决大惯性负载持原设定值不变加速和工作过程中执行器出油侧的压力过高损失导致发热严重节流为减小六通多路阀中旁路回油损失和节流损且在大惯性负载减速及制动过机械工程学报1第40期卷第1程中执行器出油侧容易产生压力冲击等问题了阶段性研究成果’〔j6取得斗振动快速摆脱泥土或物料提高工作效率还可以一机多用节省成本图7是带电液负载敏感的负载口独立控制电液比例多路阀原理图但负载口独立控制电液比例多路阀也给控制带来困难液压执行机构的进出口各有一首先是单执行器的动态稳定性问题由于个阀心控制各负载进出口进油管路和回油管路流量控制要求进油侧阀口流量不受油源压力扰动或都有压力传感器检测压力用电液比例溢流阀取代负载变化的影响大降低量振动即流量一压差增益为零从而大传统的定差溢流阀实现电液负载敏感幅度减小了系统的动态阻尼该振动很难衰减使系统的稳定性大在压力或控制量作阶跃变化后引起输出更有甚之如果在控制产生振荡极中出现压力过补偿多匕l就可能使得所构成的系统阻t{{辛以{窄产尼比小于零从而导致系统的不稳定岁洲{尸写严}翎严产洲肾弩卜洛、:」匕T石习限环\\其次加速时间用比例溢流阀实现电液负载敏感如果专少在执行器加速过程中将进口阀心完全打开而缩短将会使油源压力与执行器进油侧持续升高不仅对系统的可靠性以及元件的寿命造成威胁图71负载口独立控制多路阀原理图而且将降低系统效率因此如何在变负载变工定量泵592电液比例溢流阀3三通减压阀4第一工作油口阀心1况的工程机械上对执行器进油侧压力进行补偿也是控制难题再者压力传感器6液压缸7压力传感器8第二工作油口阀心油箱泵油口压力传感器10油箱压力传感器多执行器进行复合控制时如何采用合负载口独立控制电液比例多路阀针对传统多路阀的单阀心进出口联动调节理的分流比控制方法在泵的输出流量不足时实现流量的合理分配且在保证优先级和泵输出流量利用出油口靠平衡阀或单向节流阀形成背压而带来的灵活性差的缺点双阀心结构实现进油侧调流量采用率情况下不受负载突变的干扰也是难题对多执行出油侧调压力在器复合控制的不干涉问题还须进行大量试验研究负载加速过程中通过加大出口阀心开度以保证其决速性在减速和制动过程中通过独立调节出口2研究展望12的压力从而避免出油侧压力冲击提高负载减速世纪液压技术在工程机械上应用必然越来和制动过程的平稳性实现软停在超负载工况下也能保证执行器速度的稳态控制精度和抗干扰能越广泛而多路阀作为工程机械液压系统重要元件力小省去传统的平衡阀简化了机械结构但须注阻尼越除了在现有结构基础上不断改进以外更重要的是意的是出油侧阀心相当于系统动态阻尼移植其他领域技术成果如电子技术计算机技术信息技术新工艺等效动态响应越快但系统容易不稳定有压力冲自动控制技术摩擦磨损技术及新材料;击阻尼越大响应变慢易稳定但出口压力大]7节流损失严重[因此必须从动态响应和节能的从而把工程机械产品进一步向节能高高可靠性和环保型方向发展而中国尚处在起角度将出口压力调定在一个合适值步阶段负载口独立控制电液比例多路阀改变了用压力对于带电液负载敏感的负载口独立控制电液比补偿器实现机液负载补偿的方式补偿开度而采用电液负载例多路阀的系统结构设计节省系统能量分流控制方法以及各执通过测量出主阀心前后压力来调整主阀心的这种补偿方式解决了机液负载补偿中压力补行器之间相互干涉的解祸控制方法以最大限度地并实现系统的稳定性和快速性近期偿器初始状态全开补偿特性较差的问题同时将会是研究热点3]0可以用速度闭环反馈I’微处理器集成到每一联阀体能和效率控制可以根据实际负结论纵观多路换向阀的发展历程载通过编程的方式改变控制策略达到优良的控制性而且通过编程方式实现压力流量可选择传统进出口联动实现丰富的控制功能特别在某些工程机械多路阀从节能角度发展了负载敏感技术制技术;负流量控七如挖掘机装载机上通过手柄控制阀心使挖从控制性能角度发展了负载补偿技术电2005年10月杨华勇等多路换向阀的发展历程与研究展望tepCarillra液比例技术和抗流量饱和技术展提高了工程机械的节能效果程度这些技术的交叉发emSystandmethodforcolltrollingnainde控制性能和自动化PeimndeneteringvalveUSP596069519991005arn们。eblaeonHuHBZhangQeRalolizaaitonofPrrogrtol将独立控制技术应用于双阀心电液比例多路阀su实现精确的电液负载补偿;gmasetoafdninividua1lyocnedelro1lteorthydrau11evalves提高了系统的控制netnIrtonialJ性能简化了传统多路阀的规格和品种丰富了控制方式从而降低MaeEMroConruofFluidPow,re20023(2)es29~34InehyrolofmobiltrdsycnulieraaProe了生产成本提高了系统柔性和ffirstFPNIPhD节能效果为工程机械的液压一机械系统智能化提PmosimuHamburg20009475~483esLimitraHydraulitedUleonverolvalt供了条件ectrohyElrdulieatiProPornoal参路甭样2002考文献北京:sasemesbliUK卫229829119960222认厄ng,GQFuL,YLuYXResecrahondigitalcatingl液压气动技术手册机械工业出版社:meterniadntemeroutndiePendeentrugrtnorofolofhighaloadriinetInFfuidPowUSAer:emSystsndTaeehonlog,y吴根茂新编实用电液比例技术杭州工程技术研究中心讲义R国家电液控制ASMEenTessee1999109~1140024行走机械用液压及电子元器件othxteBoshcGroupPROGRESSINTHEEVOLUTIONOFRD29224/0203HuseoIinwihtnonDIRECTIONALCONTROLVALVESnaetionarlIne二eHydrauliecoenorotvelvalsystemANDFUTURETRENDSshtuepresslru哪ensatorUSps落890362He1999刀406eanYgouHn毋ogn口aJCaionuXinBgrPweoo肠GenmarTaknRssWIniutionEvolfloadsnesinghydraulies17(4esieselDisr(anoeK匀LatboyatrrfludioFosminsi3]002nProergernationalEdition1998)53~55ethodorotCla馆UseivrhjZniei粉aHn罗hoou乃masYouST自keshiN0KazuhiroT.Dngmdoofnaenteliligeni11hydrulieaasystemIn:ProoneeedingsfthConAbstraet:Drietioneavavleontollres15onefthekeyeseoonti2002IEEEInternaumlSymPosiIntelligentPonentselointhenhydraulieosystemofconsUrtortetionmachinTherna廿。lneo、恤vuerCanada200210626~630devPmteourseefdireetionaleonlvalves15sumdefeets王庆丰魏建华吴根茂等工程机械液压控制技术ziredhndtadev15eoelongbackgPiroudnsndathatmainneveierandawiht的研究进展与展望机械工程学报56200339(12)1~5nalyzedaIoadItesPycialleoniasdiucssedwlyeonxistedetr0IsnsingehydrPmensatoteehnol,ygnegateon高峰文]液压挖掘机节能控制技术的研究杭州[博士学位论eleeortonulieProPoatirldireetionalroltvalves浙江大学esign2001eleetroelohydraulidaansensingandseParateeonortenglliofmeBaek亡W.DvalveeonsystematiesandPerfoanmareeofealtrldgeonetrindmPreds:seter。以oifrieesastAtlhtertiuLfenrtdsofthisstrolInemIntatinolConfereneeFluidiefldKeranedetaPowerTamPerenFilnda19873e1一48eyworDirLoeetionalcontrolvalvnesJanssonAPalbemgrJ0tSeParaoeortnolsotfmeerindcootimPensaLodasensingndmateertuosonmiirfcesiehybilrdulieasystemsSAEeetorohydrarionaltehnolElnlieProPotygouTransaction、妞。Beontroebl199099(2)377一383atSeraParoeeontrolofmeterinandmet-retChrisDEngrefthysvingaelidaPtiveresbustmootin作者简介杨华勇男9611年出生教授博士生导师现任浙江大elofsinglrdorauydhoeeyldniwihtolProgranlna学国家电液控制工程技术研究中心主任传动及控制技术的研究E主要从事机电控制工程流体valvesInProeA5IneirernContalConferenee发表论文100余篇AnehorageAK20024819一4824am:lisju乃dn声y@印zuc