雙泵交叉?zhèn)鞲泄β士刂葡到y(tǒng)建模與特性分性

陳聞，孫康，王軍鋒

(江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西贛州341000)

液壓系統(tǒng)動(dòng)力匹配及控制技術(shù)在國外起步較早，發(fā)展較快，很多技術(shù)在國外使用后很快進(jìn)入中國市場(chǎng)。在雙泵或多泵系統(tǒng)中，由于存在多泵之間功率分配的技術(shù)難題，如何使柴油機(jī)功率合理地分配到各泵，使各執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)工作，盡可能發(fā)揮其最大效能，最大程度發(fā)揮出發(fā)動(dòng)機(jī)功率成為關(guān)鍵。目前應(yīng)用較廣的是總功率控制，總功率控制系統(tǒng)共用一個(gè)變量機(jī)構(gòu)，因此各泵流量相同，當(dāng)其中某泵負(fù)責(zé)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)不工作時(shí)，主泵仍輸出大流量，多余流量必然會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量?？偣β士刂屏硪粋€(gè)缺點(diǎn)是無法實(shí)現(xiàn)對(duì)多執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同速度的控制，交叉?zhèn)鞲锌刂葡到y(tǒng)是在總功率控制和分功率控制基礎(chǔ)上研制出的一種新型功率控制技術(shù)。它是在分功率控制基礎(chǔ)上，將兩個(gè)泵工作壓力實(shí)現(xiàn)交叉控制，即每個(gè)泵各自有變量機(jī)構(gòu)，各自流量可以不同，當(dāng)其中一個(gè)泵的功率利用小于總功率的50%時(shí)，多余功率可被另一個(gè)泵利用，當(dāng)兩個(gè)泵的功率利用系數(shù)都達(dá)到50%時(shí)，每個(gè)泵都利用總功率的50%。交叉?zhèn)鞲锌刂萍夹g(shù)集中了總功率控制和分功率控制的優(yōu)點(diǎn)，摒棄了它們的缺點(diǎn)，較為理想。

交叉?zhèn)鞲泄β士刂萍染哂懈鶕?jù)每一液壓泵的負(fù)載大小調(diào)整液壓泵輸出的能力，又能充分利用柴油機(jī)的功率。但是交叉?zhèn)鞲泄β士刂埔簤罕玫墓ぷ髑€只能沿著最大功率線，而不能在最大功率線下方內(nèi)變化。目前，交叉?zhèn)鞲泄β士刂撇⒉皇菃为?dú)起作用，而是與其他控制方法結(jié)合起來，對(duì)雙泵功率之和進(jìn)行限制，例如交叉?zhèn)鞲泄β士刂婆c正、負(fù)流量控制的組合［1］。

1 雙泵交叉?zhèn)鞲泄β士刂葡到y(tǒng)系統(tǒng)原理

雙泵交叉?zhèn)鞲锌刂葡到y(tǒng)原理如圖1所示，兩個(gè)泵各自的排量不僅與自身輸出壓力有關(guān)，同時(shí)還與另外一臺(tái)泵的輸出壓力有關(guān)。它是通過兩個(gè)變量泵工作壓力相互交叉控制實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)泵的出口壓力通過活塞變?yōu)榱硪慌_(tái)泵LR 閥杠桿的驅(qū)動(dòng)力矩之一，與此臺(tái)泵的壓力共同作用于杠桿。交叉?zhèn)鞲泄β士刂撇⒉皇菃为?dú)起作用，而是與其他控制方法結(jié)合起來，圖1所示的交叉?zhèn)鞲泄β士刂凭褪桥c正流量控制的組合，其中X1、X2 分別為兩個(gè)泵的先導(dǎo)壓力輸入口，兩泵各自的排量與X1、X2 上所加的壓力成正比，當(dāng)負(fù)載壓力進(jìn)一步升高時(shí)，交叉?zhèn)鞲泄β士刂茖?yōu)先于正流量控制起作用，限制雙泵的吸收扭矩。

圖1 雙泵交叉?zhèn)鞲泄β士刂平Y(jié)構(gòu)及原理

正流量控制原理:正流量控制的目的是為了用容積調(diào)速代替定量系統(tǒng)中的節(jié)流調(diào)速，以提高系統(tǒng)效率，其原理是用先導(dǎo)壓力直接控制泵排量。在控制中，隨著先導(dǎo)壓力的增加，泵排量也相應(yīng)增加。如圖1所示，在先導(dǎo)控制X1 口上施加一先導(dǎo)壓力后，泵排量在正流量控制閥的作用下保持在一定位置，使排量與先導(dǎo)壓力成正比。

2 雙泵交叉?zhèn)鞲泄β士刂葡到y(tǒng)數(shù)學(xué)模型

(1)正流量閥特性方程

正流量閥閥芯運(yùn)動(dòng)方程［2］:

(2)斜盤及柱塞運(yùn)動(dòng)的微分方程如下:

斜盤傾角減小，排量減小:

斜盤傾角增大，排量增大:

(3)反饋杠桿合力矩方程(雙泵交叉恒功率控制方程)

3 雙泵交叉?zhèn)鞲泄β士刂葡到y(tǒng)建模

AMESim 軟件采用的建模方法類似于功率鍵合圖法［3－4］，但更先進(jìn)一些。相似之處在于二者都采用圖形方式來描述系統(tǒng)中各元件的相互關(guān)系，能夠反映元件間的負(fù)載效應(yīng)及系統(tǒng)中功率流動(dòng)情況，元件間均可反向傳送數(shù)據(jù)。規(guī)定的變量一般都是具有物理意義的變量，都遵從因果關(guān)系;不同之處在于AMESim 更能直觀地反映系統(tǒng)的工作原理。用AMESim 建立的系統(tǒng)模型與系統(tǒng)工作原理圖幾乎一樣，而且元件之間傳遞的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)沒有限制，可以對(duì)更多的參數(shù)進(jìn)行研究，所建立模型如圖2所示。

參照德國Rexroth 公司A11V075LRDS 變量泵實(shí)際參數(shù)，系統(tǒng)模型主要參數(shù)為:系統(tǒng)最高壓力為36 MPa，預(yù)設(shè)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，柱塞泵排量為75 mL/r，正流量控制閥、恒功率閥及壓力切斷閥閥芯位移為1 mm，變量活塞位移為22 mm，變量活塞大小活塞直徑分別為28 與17 mm［5－6］。

圖2 雙泵交叉?zhèn)鞲泄β士刂葡到y(tǒng)模型

4 雙泵交叉?zhèn)鞲泄β士刂葡到y(tǒng)特性分析

(1)正流量控制響應(yīng)特性

當(dāng)多路換向閥處于手柄調(diào)節(jié)時(shí)，正流量壓力信號(hào)傳至控制滑閥上，手柄作用力作為正流量控制閥輸入信號(hào)，分別設(shè)置手柄輸入信號(hào)為0，20，120，130，150，170 N，得到系統(tǒng)壓力流量響應(yīng)曲線如圖3(a)所示?？梢钥闯?隨著手柄輸入力的增大，即在大流量需求的情況下，系統(tǒng)能夠以大流量響應(yīng);反之，系統(tǒng)能夠減小流量與輸入相適應(yīng)。兩泵各自的排量與所承擔(dān)的負(fù)載成正比，如圖3(a)中的橫線所示;當(dāng)負(fù)載壓力進(jìn)一步升高時(shí)，交叉?zhèn)鞲泄β蕦?yōu)先于正流量控制起作用，限制雙泵的吸收扭矩，進(jìn)入恒功率控制區(qū)，如圖3(a)中的弧線所示。

圖3(b)所示為雙泵在正流量控制下的功率分配，由此可知，功率曲線只有在正負(fù)流量控制下才可以進(jìn)入最大功率曲線下方。泵a 是在正流量控制不起作用時(shí)的情況，泵b 是在不同手柄輸入力下的正流量控制。可知:在同一負(fù)載下，泵b 可以在較小的功率值下運(yùn)行，適應(yīng)負(fù)載需求，節(jié)省能量;泵a 功率基本保持不變，只在泵b 功率趨于0 時(shí)部分吸收其功率。

圖3 正流量控制系統(tǒng)流量響應(yīng)與功率特性圖

(2)交叉?zhèn)鞲泄β士刂齐p泵與負(fù)載相關(guān)的功率吸收特性分析

在恒定的等流量下，分別給系統(tǒng)設(shè)置不同的負(fù)載，如圖4(a)中曲線1 ～4所示，其中，泵b 的負(fù)載對(duì)應(yīng)圖4(a)中曲線1 ～4 變化，泵a 的負(fù)載為圖(a)中曲線2 不變，得到雙泵交叉?zhèn)鞲锌刂频墓β史峙淝闆r，如圖4(b)所示。由于P功= pQ，圖4(b)中1a－1b 至4a－4b 曲線下方所包圍的面積代表雙泵的總功率大小，由于paQ +pbQi= P功總，當(dāng)每臺(tái)泵所對(duì)應(yīng)的負(fù)載增加，此臺(tái)泵所分配到的原動(dòng)機(jī)的功率也隨之增大，另一臺(tái)泵所設(shè)置的負(fù)載較小，因此分配到的原動(dòng)機(jī)功率較小，而雙泵的總功率是恒定的。

圖4 不同負(fù)載下的雙泵功率吸收轉(zhuǎn)化圖

圖4(b)中o－o 軸是雙泵功率的等分線。從圖中可知，由于泵b 負(fù)載在不斷地增大，而泵a 的負(fù)載則保持恒定，泵b 吸收的發(fā)動(dòng)機(jī)功率是在不斷增大的，圖中的泵b 壓力流量特性曲線是在不斷地向o－o 軸的右端移動(dòng)，所代表的功率(曲線面積)在不斷地增大，但是1a－1b 至4a－4b 曲線下方所圍總面積4 種情況是相等的。

(3)雙泵與正流量相互交叉?zhèn)鞲泄β士刂铺匦苑治?/p>

雙泵在一定的負(fù)載下，分別對(duì)泵b 設(shè)置不同的手柄輸入力，而泵a 設(shè)置成正流量控制全開狀態(tài)(即最大流量狀態(tài))，得到雙泵的功率吸收情況如圖5(a)所示;再對(duì)泵a、泵b 均設(shè)置成不同的手柄輸入力狀態(tài)，進(jìn)行交叉狀態(tài)分析，得到雙泵功率分配如圖5(b)所示。

圖5 正流量控制下的同時(shí)動(dòng)作雙泵功率特性

從圖5(a)中可以看出，泵b 正流量控制手柄輸入力變化時(shí)，其功率小于最大功率(圖中直角部分所缺面積即為功率差值)，可以實(shí)現(xiàn)在一定負(fù)載下的節(jié)能指標(biāo)，而此時(shí)泵a 能夠部分吸收泵b 進(jìn)入恒功率區(qū)后(圖中直角后面的弧段部分)的功率值。這種情況對(duì)應(yīng)于工程機(jī)械的雙泵同時(shí)動(dòng)作大流量需求與小流量需求配合情況，例如在全速行走時(shí)工作裝置的回收等;

從圖5(b)中可以看出，泵a 與泵b 均在正流量控制手柄輸入力下進(jìn)行動(dòng)作，此時(shí)，雙泵功率與泵出口流量成正比，并且，雙泵均能在最大功率曲線下方進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的節(jié)能目標(biāo)。這種情況對(duì)應(yīng)于工程機(jī)械雙泵同時(shí)動(dòng)作工作裝置均為小流量時(shí)的情況，例如在某一位置上的工作裝置間相互配合動(dòng)作(各液壓支架的同時(shí)打開等)。

5 結(jié)論

文中建立了雙泵交叉?zhèn)鞲泄β士刂葡到y(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及其直觀有效的AMESim 模型，模型仿真結(jié)果表明:

(1)系統(tǒng)流量響應(yīng)與手柄輸入力大小成正比，符合正流量控制規(guī)律，功率曲線在正流量控制下可以進(jìn)入最大功率曲線下方，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo);

(2)在一定流量下，雙泵功率吸收值大小與負(fù)載大小成正比，負(fù)載大的泵自動(dòng)吸收負(fù)載小的泵的剩余功率，但雙泵總功率保持恒定;

(3)在一定的負(fù)載下，雙泵可實(shí)現(xiàn)同時(shí)動(dòng)作的多種組合，正流量控制起作用的泵功率值小于單泵最大功率，正流量控制全開狀態(tài)泵部分吸收剩余功率。

綜上所述，仿真結(jié)果得出了雙泵交叉?zhèn)鞲泄β士刂葡到y(tǒng)在不同工況及參數(shù)下的響應(yīng)特性，并且根據(jù)仿真結(jié)果可以認(rèn)為所建立的系統(tǒng)模型是比較準(zhǔn)確的，在今后的工作中可以將其進(jìn)一步應(yīng)用于各種通用的液壓系統(tǒng)仿真中，做為系統(tǒng)的動(dòng)力元件，有較大的工程實(shí)用價(jià)值。

【1】王炎.液壓挖掘機(jī)負(fù)荷傳感系統(tǒng)的仿真研究及節(jié)能分析［D］.長沙:中南大學(xué)，2009.

【2】吳根茂.新編使用電液比例技術(shù)［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，2006.

【3】馬長林.基于AMESim 的電液伺服系統(tǒng)仿真與優(yōu)化研究［J］.液壓氣動(dòng)與密封，2006(1):32－34.

【4】盧寧，付永領(lǐng)，孫新學(xué).基于AMESim 的雙壓力柱塞泵的數(shù)字建模與熱分析［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2006(9):33－36.

【5】劉榛.電液比例負(fù)載敏感徑向柱塞變量泵控制的研究［D］.蘭州:蘭州理工大學(xué)，2005.

【6】李竟成，曹秉剛，史維祥，等.電液比例負(fù)載敏感控制徑向柱塞泵控系統(tǒng)研究［J］.機(jī)床與液壓，2001(5):72－75.