机构双柔性换向的控制策略分析与应用

李伟涛

深圳东风汽车有限公司 广东深圳 518000

1 前言

液压油缸驱动机构通过机构往复运动实现某一功能，是实现设备自动化的一种方式。机构往复运动，其运动终端进行换向时，往往会有较大冲击，从而引起冲击噪声并造成机构部件的损坏，导致设备故障率高。国内有各种各样技术途径降低机构运动终端换向冲击，但有的实施成本高（如提高工装精度），有的系统复杂（如运用液压伺服控制系统），而且还达不到理想的效果，都存在各种弊端。

本文将从机构运动终端换向的控制策略上进行分析，通过液压控制原理、控制流程两方面相辅相成的优化，实现机构运动终端先柔性停止后再柔性启动的双柔性换向效果，降低了换向冲击，解决了技术难题。

2 机构运动终端换向的传统控制策略

2.1 传统控制策略简述

为了更好地阐述机构运动终端换向的控制策略，笔者以车厢可卸式垃圾车配套的连体式垃圾压缩箱为例进行分析。

连体箱垃圾压缩箱分为推板压缩、翻转进料、后门锁紧三个作业动作，其中推板压缩作业为典型的往复运动，推出和回程均需进行推板运动终端的换向控制，连体压缩箱的液压控制原理如图1所示，推板往复运动一个循环的控制流程如图2所示。

图1 液压控制原理图

图2 控制流程图

从图1液压控制原理图可以看出，推板的液压控制油路上，由a电机泵组输出动力及高压油，经过a电磁式溢流阀进行压力的建压或卸荷、稳压、限压后，通过中位为“O”型的a电磁换向阀进行液流的方向控制，液流进入压缩油缸，压缩油缸驱动推板进行往复运动，运动终端的信号由推板上的碰块触发前后端行程开关S、K而发出指令。

从图2推板控制流程图可以看出，推板一个完整的往复运动终端控制过程（推板前进过程和推板回程过程为非终端状态）分为L1原点启动推出过程、L2前端终点停止过程、G1推板停止状态、L3前端启动回程过程、L4原点停止过程、G2推板停止状态。

2.2 存在的技术短板分析

结合图1、2的控制策略分析，G2推板原点停止状态时压缩油缸有杆腔处于高压状态，此时有杆腔液压刚度较大，类似于高压弹簧反向加载，当推板开始进行L1原点启动推出过程，DT1、DT4同时通电，油泵流量Q以全流量Q=Q1进入压缩油缸无杆腔，推板由静到瞬间高速运动，加速度较大，此时推板以瞬间高速撞击反向高压弹簧的方式启动推出，产生了严重的液压冲击，同理，当推板L3前端启动回程过程也由于较大加速度瞬间产生高速，撞击反向高压弹簧（液压刚度）产生同样严重的液压冲击。

当推板进入前端终点时，开始L2前端终点停止过程，推板的碰块触发前端行程开关S，发出指令，DT1、DT4同时断电，油泵流量Q瞬间卸荷，推板运动由高速突然停止，反向加速度较大，产生了严重的液压冲击；同理，当推板进入L4原点停止过程，由于反向加速度较大，推板由高速突然停止，产生了同样严重的液压冲击。

从以上分析可知，此控制策略存在如下技术短板：

a. L1原点启动推出过程和L3前端启动回程过程：G1/G2推板停止状态时压缩油缸腔内存有高压油，液压刚度大，此时以全流量瞬间高速撞击反向高压弹簧启动推板，这两个过程均是一种刚性启动方式，形成液压冲击。

b. L2前端终点停止过程和L4原点停止过程：这两个过程时全流量瞬间卸荷，推板由高速突然停止，反向加速度大，这两个过程均是一种刚性停止方式，形成液压冲击。

刚性停止到刚性启动的换向方式，造成严重的换向冲击，将产生较大的冲击噪声并导致机构部件寿命降低。

3 机构双柔性换向的控制策略

3.1 液压控制原理分析与优化

针对往复运动的刚性换向及产生的原因，首先从液压控制原理上进行优化，以避免形成换向冲击，优化后的液压控制原理如图3所示。

相比原液压控制原理，优化了三个方面：a电磁换向阀中位由“O”型改成为“Y”型，用于对G1/G2推板停止状态时压缩油缸无杆腔和有杆腔进行卸荷；在油泵出口设置了电磁式旁路节流阀，用于调节推板启动和停止的速度，降低换向时的加速度；在推板前后端增加了行程开关S2和 K2,用于推板换向的停止和启动阶段时，由高速分解成高速和慢速两个过程，避免加速度过大带来的液压冲击。

图3 优化的液压控制原理图

当电磁铁均不通电时，a电磁换向阀中位为“Y”型，压缩油缸的无腔杆和有杆腔均与油箱直接相通，腔内处于卸压状态，使得换向时反向高压弹簧作用不复存在。

3）方案设计。封堵设计的主要内容应当包含：设计说明书、水井岩性柱状图、封堵设计柱状图、封堵施工方案、封堵技术及质量要求等。

当推板启动或停止时，电磁式旁路节流阀可以控制其启动或停止的速度，根据阀口流量公式：

式中，P为工作压力；Y为阀口面积（旁路节流口）；C为阀口系数（与设计的阀口型式有关）；ρ为液压油的密度。

式中，Q为油泵系统流量； Q1为工作流量（决定推板的速度）；Q2为分流流量。

当DT3不通电时，电磁式旁路节流阀处失效状态，此时Q2=0，Q1=Q，推板以全流量作高速运动；当DT3通电时，电磁式旁路节流阀工作，Q2处于分流状态（Q2流量可通过调节旁路节流口Y来改变），工作流量Q1=Q-Q2，推板以半流量作慢速运动。

在推板前后端除了原来的行程开关S1、K1,增加了行程开关S2、K2,S1和S2在前端,两者距离可调,一般距离为50 mm即可；同样,K1和K2在后端,两者距离可调,一般距离为50 mm即可。这是用于行程终端的分段调速区分点，S1与 S2之 间、K1与K2之间为推板慢速段，S2与 K2之间为推板高速快速段。

3.2 控制流程的分析与优化

结合优化后的液压控制原理，推板的控制流程优化如图4所示。

图4 优化的控制流程图

结合图3、4的控制策略分析，G1/G2推板原点停止状态时压缩油缸有杆腔和无杆腔处于卸压状态，消除了类似于高压弹簧反向加载，当推板开始进行L1原点启动推出过程，DT3、DT4通电，预加压0.1 s后，DT1、DT3、DT4同时通电，工作流量Q1=Q-Q2以半流量状态进入压缩油缸无杆腔，推板由静止到慢速启动，加速度小，延时2 s后，DT1、DT4通电，DT3断电，工作流量Q1=Q以全流量状态进入压缩油缸无杆腔，推板高速前进；同理，当推板L3前端启动回程过程，也通过控制DT3实现慢速启动、高速回程两个阶段。无反向高压弹簧作用，且降低了启动的加速度，大大降低了液压冲击。

当推板进入前端终点时，进入L2前端终点停止过程，推板碰块触发前端行程开关S2,发出指令，DT1、DT3、DT4同时通电, 压缩油缸切换成以工作流量Q1=QQ2以半流量状态工作，推板由高速前进切换成慢速前进，当推板碰块触发前端行程开关S1时，DT1断电，降为低压，延时0.1 s后，DT1、DT3、DT4均断电，这样就把L2前端终点停止过程分为高速降慢速、慢速停止两个阶段；同理，L4原点停止过程也通过控制电磁式旁路节流阀DT3,把原点停止过程分成高速降慢速、慢速停止两个阶段。这样进行停止过程的控制，降低了停止的反向加速度，大大降低了液压冲击。

3.3 技术优势

液压控制原理与控制流程相辅相成优化后，从以上分析可知，此控制策略存在如下技术优势：

a. 当电磁铁均不通电时，a电磁换向阀中位为“Y”型，压缩油缸的无腔杆和有杆腔均与油箱直接相通，腔内处于卸压状态，且优化后的控制流程中，增加了启动预加压、停止降压环节，使得换向时反向高压弹簧作用不复存在；

b. L1原点启动推出过程和L3前端启动回程过程：控制电磁式旁路节流阀DT3实现慢速启动、高速作业两个阶段，降低了启动的加速度；L2前端终点停止过程和L4原点停止过程：控制电磁式旁路节流阀DT3分成高速降慢速、慢速停止两个阶段，降低了停止的反向加速度；

c. 通过以上a和b两点，推板在运动终端换向时，实现了无反向高压弹簧作用下的慢速停止和慢速启动，但又不会影响正常作业的高速运动，是一种先柔性停止后再柔性启动的双柔性换向模式，这种双柔性换向模式将大大降低换向冲击，从而降低了冲击噪声并减少了冲击引起的机构部件损坏。

d. 这种控制策略的优化（液压控制原理与控制流程两方面相辅相成的优化），增加部件较少，实施途径简单，成本低。

3.4 新型控制策略的应用

车厢可卸式垃圾车配套的连体式垃圾压缩箱，在装载压缩垃圾时，推板是典型的以往复运动进行作业的模式，其终端换向的冲击大小，将直接影响作业噪音和产品的寿命。优化后控制策略应用于车厢可卸式垃圾车及连体垃圾压缩箱如图5所示，其在液压控制原理和控制流程上均作了上述优化，提高了车厢可卸式垃圾车及连体垃圾压缩箱的性能和技术水平。

4 试验验证

为了验证优化后双柔性换向控制策略的实际效果，采用同一台车厢可卸式垃圾车，在其配套的连体式垃圾压缩箱上，首先运用传统的液压控制原理和控制流程进行实际作业，再更改成优化的液压控制原理和控制流程进行实际作业。图6为用于比较效果的试验样车，图7为连体式垃圾压缩箱进行实际试验作业。

图5 双柔性换向的车厢可卸式垃圾车

图6 试验样车

图7 试验作业

表1 检测记录表

从试验检测记录表1可以看出，推板推出和回程噪声优化后降低约11 dB(A)，表明优化后的控制策略实现了显著的双柔性换向效果，冲击噪声大幅度下降，作业冲击大大减少；推板推出和回程的换向压力下降约10 MPa，推出和回程的耳轴在换向瞬间的变形量下降约6 μm，可以推断出，机构在双柔性换向作业模式下，冲击小，机构和液压部件的寿命将相应提高。从试验检测的数据可以看出，优化的机构双柔性换向控制策略达到了较好的效果，理论得到了有效的验证。

5 结语

优化后的控制策略，使机构实现了先柔性停止后再柔性启动的双柔性换向效果，应用于车厢可卸式垃圾车的连体式垃圾压缩箱后，车辆作业噪声低，可靠性高，成本低，性能上得到了较大的提升。

a.换向冲击小，作业时由冲击带来的作业噪声低，减少了对周围环境的“噪声污染”；

b.减少了对机构、液压部件的冲击损坏，提高了可靠性，延长了设备的寿命；

c.设备性能（作业噪声降低，可靠性提高）提高的关键技术核心，主要是控制策略的优化（控制流程与液压控制原理相结合的优化），实施途径简单,成本低。