摘要：機械、電氣和液壓元件及系統(tǒng)間也存在著結(jié)構(gòu)功能對應(yīng)、數(shù)學(xué)模型對應(yīng)、物理對應(yīng)等幾乎無所不包的對應(yīng)關(guān)系。顯然，探討這些對應(yīng)關(guān)系，對于加深和提高現(xiàn)有控制元件產(chǎn)品的原理及結(jié)構(gòu)形成的認(rèn)識，對于新系統(tǒng)、新裝備和新產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)新及研發(fā)成本的降低，對于提高系統(tǒng)的機電液一體化或整合水平等均具有重要的理論和實際意義。
　　關(guān)鍵詞：電氣、結(jié)構(gòu)對應(yīng)、數(shù)學(xué)模型
　　1結(jié)構(gòu)功能對應(yīng)
　　眾所周知，圖1所示的液控單向閥、液控?fù)Q向閥和液控順序閥等元件是液壓系統(tǒng)中幾種常用的導(dǎo)控型液壓控制閥。盡管這些元件在液壓系統(tǒng)中的功用不同，但從結(jié)構(gòu)和原理上都具有用導(dǎo)控油路來控制主油路的共同特點，即只有導(dǎo)控油路接通，主油路才能通過并去推動負(fù)載(液壓缸或液壓馬達(dá))。以0型中位機能的三位四通液控?fù)Q向閥為例：當(dāng)液控油口pk1來油時，換向閥切換到左位，主油路P→A和B→T相互接通，導(dǎo)控油路pk2回油；反之，pk2接通時，主油路P→B接通，A→T接通，pk1回油；當(dāng)pk1與pk2均不來油時，換向閥靠兩端彈簧復(fù)位(中位)，主油路P、T、A、B互不相通。而且，導(dǎo)控油路既可以借用主油路的液壓油作為油源，也可以單獨設(shè)立油源。
　　這些特點與電氣系統(tǒng)中的接觸器、繼電器等控制元件具有極強的對應(yīng)性和相似性，此處不妨以交流接觸器控制異步電動機的電路(圖2)來說明：由圖可知，只有二相控制電路接通時，三相主電路才能接通從而去驅(qū)動負(fù)載(電動機M)。例如，按下按鈕的常開觸點SB1時，控制電路中接觸器的線圈有電流通過，主電路中接觸器KM的3個主觸點同時閉合，從而接通了主電路并使負(fù)載(電動機)起動，而控制電路中自鎖觸點KM：則把SB1短接，使手抬起后仍不致斷路。當(dāng)按下按鈕的常閉觸點SB2時，控制電路斷開，主電路隨之?dāng)嚅_，電動機停止轉(zhuǎn)動。

  
　　從上述分析不難看出，現(xiàn)有液壓元件在硬件結(jié)構(gòu)和工作原理上與電氣元件確實具有極強的對應(yīng)性和相似性。盡管我們無從考究此類具有對應(yīng)性的液壓元件和電器元件到底是哪一個先出現(xiàn)但二者互為對應(yīng)互為促進卻勿容置疑。正因為如此，人們在近年來更加重視利用電液對應(yīng)方法去開發(fā)新型液壓元件，最具代表性的是近年所發(fā)明的與電子三極管相對應(yīng)的電液管和液管，其符號見圖3。電液管是將弱小電信號轉(zhuǎn)換成弱小液壓信號的新型電液轉(zhuǎn)換元件，其中，兩組引入線為輸入端(一組輸入電控信號(最大電壓15V，最大電流200mA)，另一組引入改善電液管性能的抖動電流)；液管是將液壓信號放大成大功率液壓信號或者說是將小功率液壓信號來控制大功率液壓信號的一類新型液壓元件(其符號如圖3b所示)，額定壓力可達(dá)21MPa，額定流量為40L／min)。兩控制端(h和e)液壓信號可以來自電液管輸出信號，也可以來自其它反饋的液壓信號；P和0端分別為高低壓端。
　　液管類元件與傳統(tǒng)液壓元件相比，具有構(gòu)成油路靈活、使用方便、體積小、價格低等優(yōu)點，并為液壓CAD和CNC提供了較好物質(zhì)條件。目前，液管已經(jīng)在珩磨機、中小型塑料注射機等機械設(shè)備中獲得成功應(yīng)用。
　　2數(shù)學(xué)模型對應(yīng)
　　在進行元件和系統(tǒng)的分析、綜合與設(shè)計過程中，除了進行理論分析計算外，經(jīng)常要對系統(tǒng)特性進行實驗研究。實驗研究可在實際元件或系統(tǒng)上進行也可在模型上進行，但由于實際元件和系統(tǒng)的制造成本較高，周期較長，所以，在現(xiàn)代自控元件或系統(tǒng)的研究開發(fā)中已不宜采納。而計算機技術(shù)的發(fā)展為構(gòu)造元件或系統(tǒng)的相似模型對其進行模擬或數(shù)字仿真研究提供了強有力的手段。
　　眾所周知，任何一個機械、電氣、液壓系統(tǒng)或裝置，都是由若干典型環(huán)節(jié)(比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)和振蕩環(huán)節(jié)等)按一定方式耦合而成，盡管構(gòu)成環(huán)節(jié)的類型其物理本質(zhì)差別很大，但描述他們動態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型——傳遞函數(shù)的形式卻往往相同。以振蕩環(huán)節(jié)為例，通過不同的守恒原理，很容易得到機械、電氣和液壓的振蕩環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型——傳遞函數(shù)(表1)。
　　
　　
　　從表1可看出，振蕩環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、誤差等動態(tài)特性完全取決于時間常數(shù)、傳遞系數(shù)和阻力比。這樣我們就可以通過對物理性質(zhì)截然不同的許多相似系統(tǒng)進行模擬或數(shù)字仿真研究，從而方便地確定所研制的元件或系統(tǒng)的參數(shù)并完成設(shè)計制造工作。
　　例如我們要研制某機械元件或系統(tǒng)，我們可以建立該元件或系統(tǒng)的廉價等效電路系統(tǒng)及反映運行規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，通過模擬計算機求解數(shù)學(xué)模型，用該模擬電路系統(tǒng)顯示出的動力特性來模擬它對應(yīng)的機械元件或系統(tǒng)的動力特性，通過改變電氣參數(shù)，來改變或調(diào)整機械元件或系統(tǒng)的參數(shù)，從而用所獲得的機械元件或系統(tǒng)具有理想運行狀態(tài)的一系列設(shè)計參數(shù)，指導(dǎo)完成實際機械元件或系統(tǒng)的設(shè)計和制造。
　　3物理對應(yīng)
　　籍助對應(yīng)論方法和思想，我們還可以定義液阻、液容、液感、液抗、液橋等多種與電氣相似的物理量和概念，并將其應(yīng)用于指導(dǎo)液壓元件及系統(tǒng)的設(shè)計和分析。它與電感電阻電容的串聯(lián)電路相似。當(dāng)壓力波傳遞到消聲器時，小孔中的液柱在脈動壓力作用下像活塞一樣往復(fù)運動，運動的液柱具有一定的質(zhì)量，它抗拒由于壓力脈動而引起的運動速度的變化，這正如電路中的電感具有緩和電流變化的作用。同時，小孔中運動的液體由于孔的阻力及壁的摩擦,使得部分脈動液壓能變?yōu)闊崮芏�消耗�?這種摩擦和阻力相當(dāng)于電路中的電阻。另外，容腔內(nèi)的液體具有阻礙來自小孔壓力變化的特性，這正如電路中的電容具有阻礙其兩端電壓變化的特性一樣。當(dāng)外來壓力波的頻率與共振消聲器的固有頻率相同時，就發(fā)生共振。此時液柱在小孔中振動的幅值最大，振動速度最快，摩擦損耗最大，所以吸收的脈動能量也最多。從而降低或消除了液壓脈動與噪聲。
　　類似情況，利用液感、液組和液溶的概念，有人還研制成功了運動員動態(tài)力量測試器、沖床緩沖與脫模等裝置和設(shè)備。基于液橋的概念，出現(xiàn)了液壓阻力回路系統(tǒng)學(xué)，并在各類新型液壓閥的研發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用。
　　4檢測與控制
　　對應(yīng)方法在檢測與控制中的應(yīng)用相當(dāng)普遍。此處以液壓系統(tǒng)的壓力檢測與控制為例說明。現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和測試中，經(jīng)常需要對液壓缸驅(qū)動的工作機構(gòu)的輸出力進行動態(tài)檢測和控制。但是，由于結(jié)構(gòu)布局、安裝空間與負(fù)載條件等多種因素的影響和制約，通過力傳感器實地直接測力以對其進行準(zhǔn)確控制往往比較困難。如果采用電液對應(yīng)方法就很容易解決這一問題。圖5液壓設(shè)備其原理和特點如下：
　　忽略背壓力，液壓缸通過工作機構(gòu)輸出的力F（t）為：
　　⑴
　　式中A——液壓缸工作腔有效作用面積。
　　P（t）——進入液壓缸的動態(tài)液體壓力
　　對于任一給定的系統(tǒng)，A為常量，故F（t）的大小取決于液壓力P（t）。視A為比例因子，則稱P（t）與F（t）是對應(yīng)關(guān)系，P（t）是F（t）的模擬量。
　　只要能夠按一定的量化關(guān)系檢測并控制動態(tài)液體壓力P（t），即可實現(xiàn)對力F（t）的精確檢測和控制。顯然，液體壓力可用壓力傳感器完成，它將輸入的液體壓力信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號u（t)。因此，又可稱電壓是液體壓力的模擬量。這樣，從液體壓力到液壓缸輸出力這一系統(tǒng)之間就形成了以下一系列模擬對應(yīng)關(guān)系：
　　
　　式中k1——壓力-力模擬比例因子，k1=A；
　　K2——電壓-壓力模擬比例因子，k2=p/u；
　　k——系統(tǒng)模擬比例因子，k=k1×K2；
　　液體壓力的控制元件即可采用電液伺服閥或電液數(shù)字閥或電液比例閥（閥控），也可采用電液變量機構(gòu)的變量液壓泵（泵控）。除檢測裝置和控制元件外，再按需要加設(shè)指令裝置（如給定電位器等）即可構(gòu)成與檢測控制能力等效的電液壓力控制系統(tǒng)。前者采用定量液壓泵供液，壓力傳感器檢測進入液壓缸的液體壓力P（t），并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號uf，與指令裝置給定的電壓信號ui比較得出誤差信號△u，該信號經(jīng)放大器放大后給出一個加在電液伺服閥或電液比例閥或電液數(shù)字閥的電流信號ⅰ，調(diào)節(jié)閥的開口量，控制進入液壓缸的液體壓力，從而達(dá)到精確控制力的目的。后者采用變量液壓泵供液，檢測方法與前者相同，只是經(jīng)放大器放大后得到的電流信號ⅰ要加在泵的電液變量機構(gòu)上，通過改變泵的輸出流量達(dá)到控制液體壓力從而實現(xiàn)力的控制。
　　由于在液壓缸或管道上安裝壓力傳感器非常方便，而且目前壓力傳感器產(chǎn)品(如電阻應(yīng)變片式)可以做到有較寬的測量范圍(0—25MPa)和較高的動態(tài)特性(非線性小于額定壓力的10％，固有頻率高達(dá)25Hz以上)，因此，上述方法具有簡單易行和精度較高的特點。
　　作者曾用上述方法研制了電液比例智能試驗機，其用途是對試件的抗壓強度和抗折強度進行試驗并由計算機將試驗結(jié)果打印出來。為了解決直接測力的困難，采用了定量泵電液比例閥控加載方案，抗壓和抗折試驗的壓力分別由相應(yīng)的兩個壓力傳感器檢測，放大后送至計算機按式(3)進行計算，最后由打印機將試件強度準(zhǔn)確打印出來。系統(tǒng)中液壓缸的電磁換向閥、和抗壓、抗折電磁換向閥的換向動作及系統(tǒng)壓力的控制、壓力的檢測及從壓力到試件強度的計算均由單片微型計算機完成，不僅自動化程度高且測量誤差小(≤1％)。
　　式中σ——試件強度；
　　F——液壓缸輸出力，即作用于試件上的載荷；
　　AT、Ac——試件承壓面積、液壓缸工作腔有效作用面積；
　　P——進入液壓缸的液體壓力；
　　u——傳感器輸出電壓；
　　i——放大器電流；
　　Kσ、KF、KP、KU、K——分別為：力-強度模擬比例因子，Kσ=1／AT、；壓力-力模擬比例因子，kF=Ac；電流-壓力模擬比例因子kp=p／u；電流-電壓模擬比例因子，ku=u／i；系統(tǒng)模擬比例因子，K=kσ×kF×kP×ku。
　　圖8是作者進行技術(shù)咨詢中遇到的一種石棉水泥管卷壓設(shè)備。卷管時，壓輥機構(gòu)將管芯壓緊在底輥的送料毛布上，隨著底輥的轉(zhuǎn)動，毛布以一定線速運行，管芯反向旋轉(zhuǎn)，從而把加有添加劑的石棉水泥物料逐層粘附并由壓輥機構(gòu)以一定作用力壓實在管芯上(隨著壁厚的增加，壓輥機構(gòu)緩慢上升)。由于作用力對制品質(zhì)量具有重要影響，所以需對其進行準(zhǔn)確控制。由于直接測力困難，故壓輥機構(gòu)采用了泵控電液壓力控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)最大壓制力385kN，0.5s完成動態(tài)調(diào)節(jié)過程下的壓制力控制精度可達(dá)±3.7kN。
　　5結(jié)束語
　　綜上所述，機--電--液元件與系統(tǒng)的對應(yīng)無處不有，文章探討了機械、電氣、液壓元件及系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能對應(yīng)、數(shù)學(xué)模型對應(yīng)、合理巧妙地應(yīng)用其中的相似對應(yīng)關(guān)系，將有助于現(xiàn)代控制系統(tǒng)和裝置的分析、研究和開發(fā)工作的開展，應(yīng)大力進行推廣。
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