行車取力發(fā)電用調(diào)速器的設計

劉明 王崴 張銳 謝迪 楊統(tǒng)

摘要：針對目前通訊車輛駐車取力發(fā)電靈活性和機動性的不足，本文進行了行車取力發(fā)電用調(diào)速器的設計。本設計采用泵閥馬達一體化式全液壓傳動方案，并采用變量泵+液壓伺服閥+定量馬達+反饋控制系統(tǒng)的整體式一體化結(jié)構。利用Simulink進行了系統(tǒng)模型仿真，用AMESim軟件對泵的恒流量模型進行仿真，結(jié)果表明本方案能實現(xiàn)汽車行駛過程中的無極調(diào)速。

關鍵字：行車取力；液壓調(diào)速器；泵閥馬達；Simulink；AMESim

隨著科技的發(fā)展，通訊車面臨的作業(yè)環(huán)境也越來越復雜。而這些機動裝備中含有的許多電子設備，需要實時提供電力供應。然而，在行進狀態(tài)中，由于汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化，導致了現(xiàn)有的車載自發(fā)電系統(tǒng)只能采取駐車發(fā)電方式，這極大限制了通訊車的靈活性與適應性。因此對在行進過程中能進行平穩(wěn)發(fā)電的行車取力發(fā)電裝置的研究也日益得到重視。

北京理工大學的郭初生博士、王渝教授進行了恒速控制的仿真研究，證明了行車發(fā)電系統(tǒng)的可行性，設計了系統(tǒng)的整體控制策略[1,2]。重慶鐵馬集團公司張川渝等人進行了特種車輛車載交流發(fā)電控制系統(tǒng)的研究，通過調(diào)節(jié)液壓變量馬達的排量,來控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。由于可以直接調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的壓力，因此提高了控制系統(tǒng)的反應速度[3]。軍事交通學院的張文斌、李幸丹、陳林等分別對發(fā)動機、發(fā)電機進行PID恒速控制研究[4]。

基于以上研究成果，本文提出了采用泵控馬達的行車取力發(fā)電用調(diào)速器的方案。

1.設計需求分析

現(xiàn)有交流電行車自發(fā)電系統(tǒng)，技術還不夠成熟并且接口不統(tǒng)一，不同單位自主研發(fā)的系統(tǒng)測試結(jié)果也打不形同，與現(xiàn)行移動電站的移動電站通用規(guī)范差距比較大[5]。

目前通訊車的自發(fā)電系統(tǒng)一般采用駐車發(fā)電的形式，因而只能在非行駛狀態(tài)發(fā)電，對于一些突發(fā)情況適應性比較差，這就對行車取力發(fā)電提出了較高的要求。根據(jù)調(diào)研，目前自發(fā)電系統(tǒng)需求最多的功率等級是12、16、24、30Kw這幾個等級，并且受環(huán)境的限制，故障率比較高，維修比較困難，由于通訊車的性質(zhì)決定行車取力發(fā)電過程要求可靠性比較高，并且要能適應環(huán)境變化的影響，并且具有比較強的電磁兼容性，調(diào)速器不僅僅要保證能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)速，對車上電子元器件的干擾應該盡可能小。

針對以上狀況，本文設計了行車取力發(fā)電用調(diào)速器，其輸入轉(zhuǎn)速大概在800~1000轉(zhuǎn)每分鐘，輸出轉(zhuǎn)速在能穩(wěn)定在1500或者2000轉(zhuǎn)每分鐘，輸出功率在30Kw并且具有一定的過載保護能力。其輸出轉(zhuǎn)速誤差保證在 以內(nèi)。

2.總體設計

2.1傳動形式的選擇

機械傳動的傳動比比較準確，傳動的靈敏性比較高，能夠快速的對變量做出反應，實現(xiàn)無級變速的結(jié)構復雜，成本較高。液壓傳動能方便的進行無極調(diào)速，調(diào)速范圍大，然而由于泄露影響和和存在機械摩擦，壓力損失，泄露損失，因而易使油液發(fā)熱，使得總效率較低[6]。為滿足特種車輛的大負載和比較惡劣的工作環(huán)境，并要求其有很高的可靠性、靈敏度和穩(wěn)定性，本文應用液壓機械無極變速器來實現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)電。

節(jié)流調(diào)速型系統(tǒng)一般采用閥控的方式，泵輸出的液壓油經(jīng)過節(jié)流閥和溢流閥等調(diào)控實現(xiàn)

馬達的轉(zhuǎn)速的變化，節(jié)流型控制系統(tǒng)的溢流損失和節(jié)流損失較大，因而效率較低。泵控馬達容積調(diào)速系統(tǒng)主要使用變量泵和定量液壓馬達組成，效率較高、產(chǎn)生熱量少、調(diào)速范圍較大和輸出轉(zhuǎn)矩比較穩(wěn)定，輸出轉(zhuǎn)速的誤差會略大，因為其調(diào)速主要靠變量泵的排量改變實現(xiàn)調(diào)速，而變量泵的排量變化相對于閥控系統(tǒng)顯然靈敏度差[6]。將節(jié)流變速和容積變速結(jié)合在一起可以充分發(fā)揮閥控的靈敏性和泵控節(jié)能的特點。

2.2設計方案

本設計采用泵閥馬達一體化式全液壓傳動方案，選用軸向變量柱塞泵—定量馬達系統(tǒng)作為發(fā)動機和發(fā)電機組之間的調(diào)速裝置。采用變量泵+液壓閥+定量馬達+反饋控制系統(tǒng)這種形式，可以實現(xiàn)輸入轉(zhuǎn)速和負載在較大范圍內(nèi)變化，而輸出轉(zhuǎn)速恒定的無級變速要求。圖1是本方案的原理圖。

圖1 系統(tǒng)工作原理框圖

Fig.1 The schematic diagram of the system

其調(diào)速原理如下：

液壓馬達的轉(zhuǎn)速隨著發(fā)動機輸入轉(zhuǎn)速和發(fā)電機的負載的變化而變化，回路流量隨著馬達轉(zhuǎn)速的變化而變化，利用檢測元件測量系統(tǒng)流量以及壓力的變化，使時伺服系統(tǒng)工作。伺服系統(tǒng)調(diào)節(jié)軸向柱塞變量泵的斜盤的傾斜角可以調(diào)節(jié)泵的排量，使得泵的排量穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)在很大速度范圍內(nèi)保持泵的輸出流量基本穩(wěn)定，達到泵控系統(tǒng)的節(jié)能目的。調(diào)節(jié)伺服閥與溢流閥的節(jié)流量則可以以很高的靈敏度調(diào)整液壓馬達的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)發(fā)電機的速度穩(wěn)定。

2.3結(jié)構方案

全液壓傳動，泵閥馬達一體化式結(jié)構方案，采用變量泵+液壓伺服閥+定量馬達+反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構，液壓泵和液壓馬達以及控制系統(tǒng)和伺服閥等組合在一起，此方案集成度高，空間占用小。圖2是全液壓傳動泵閥馬達一體化式結(jié)構原理圖。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構圖

Fig.2 The construction drawing of the system

其具體工作流程如下：

電液比例減壓閥、初級柱塞和三位四通滑閥以及變量柱塞組成變量調(diào)節(jié)機構，當回路流量變化時，控制系統(tǒng)會作用于電液比例減壓閥，電液比例減壓閥的出口壓力與輸入電流成正比，初級柱塞在減壓閥輸出壓力的作用下帶動柱塞推動三位四通滑閥閥芯動作，從而變量柱塞在液壓油的壓力下推動斜盤的傾角發(fā)生變化進而改變泵的排量，當輸入電流不再變化時初級柱塞就不再動作，因而謝盤傾角不再變化，排量保持恒定，直到下一次電流變化。泵的流量處于動態(tài)穩(wěn)定狀況中。

2.4相關元件的選型

按照輸出轉(zhuǎn)速1500r/min，30kW功率要求設計系統(tǒng)，通過計算選定：

2.4.1變量泵。本方案選用力士樂公司生產(chǎn)的A4VG-EP 105電液比例控制斜盤式軸向柱塞變量泵，額定排量為105ml/r。該變量泵將補油泵和濾油器集成在一起。結(jié)構緊湊，管路較短，功率損失較小。采用電控方式工作，控制電流小。如圖3。

2.4.2定量馬達。定量馬達選用力士樂公司生產(chǎn)的A10FM 58馬達。該馬達的最大排量為58ml/r，馬達的最高工作壓力為31.5MPa。在調(diào)速系統(tǒng)中將變量泵輸出的液壓能轉(zhuǎn)換為機械能輸出到發(fā)電機上。如圖4。

圖3A4VG-EP 105變量泵 圖4A10FM 58定量馬達

Fig.3 A4VG-EP 105 variable displacement pump Fig.4A10FM 58 fixed displacement motor

3.系統(tǒng)仿真驗證

PID控制技術在工業(yè)控制過程中使用非常普遍，一方面是由于PID控制器比較固定;另一方面是因為PID控制器連接方式比較簡單。因此PID控制器的應用依然非常廣泛[7]。

本方案中的泵閥馬達系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用機械調(diào)節(jié)的方式調(diào)節(jié)液壓缸的流量，通過霍爾傳感器檢測液壓馬達轉(zhuǎn)速參數(shù)，并將實時參數(shù)傳給微控制器，將控制器的預先設定參數(shù)與檢測結(jié)果進行比較，控制器輸出控制電流，調(diào)整馬達轉(zhuǎn)速使其達到目標值。系統(tǒng)的控制原理即為上圖1。

系統(tǒng)簡化的原理圖如下：

圖5簡化的原理圖

Fig.5 Simplified schematic diagram

對變量泵，伺服閥，滑閥，液壓缸，液壓馬達建模并用Simulink工具箱進行仿真[8]。

Simulink仿真原理圖[9]為：

圖6 仿真原理圖

Fig.6 The emulation schematic diagram

仿真結(jié)果為：

圖7仿真結(jié)果

Fig.7 The result of the emulation

通過仿真結(jié)果可以知道在恒定轉(zhuǎn)速輸入情況下馬達的轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定，能較好的保證發(fā)電機轉(zhuǎn)速，但是響應時間還不夠理想，在控制方式上應該選用PID控制以取得更好的效果。

用AMESim軟件進行泵的恒流量控制仿真，在兩種不同轉(zhuǎn)速輸入情況下泵的流量和斜盤傾角變化如下，說明斜盤傾角能較好的適應輸入轉(zhuǎn)速的變化，同時泵的流量能基本保持恒定。仿真結(jié)果如圖8所示：

圖8 變轉(zhuǎn)速輸入下泵的恒流量控制

Fig.8 The constancy flow rate control of the pump under the variable swiveling speedinput

4.結(jié)論

本文針對通訊車在作業(yè)情況下汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速處于時變狀態(tài)下，從而導致泵輸入轉(zhuǎn)速和力矩負載時變這一特點，對汽車行車取力發(fā)電用調(diào)速器進行了設計，選用柱塞泵--液壓馬達系統(tǒng)作為發(fā)動機和發(fā)電機組之間的調(diào)速裝置，采用變量泵+液壓閥+定量馬達+反饋控制系統(tǒng)進行發(fā)電機輸入轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)并建立了全液壓傳動泵閥馬達一體化式結(jié)構的數(shù)學模型。本方案仿真結(jié)果表明：

4.1在負載突變的情況下，調(diào)速器能迅速調(diào)整馬達輸出轉(zhuǎn)速，從而保證發(fā)動機的輸入轉(zhuǎn)速依然能滿足發(fā)電機發(fā)電要求，具有良好的調(diào)節(jié)效果；

4.2在發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化的情況下變量泵能及時調(diào)節(jié)斜盤傾角以適應回路流量的變化。

5.參考文獻

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