液壓馬達(dá)數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的AMESim仿真研究

郝建軍，程昶，張志剛，葛帥帥

(1.重慶理工大學(xué)汽車零部件制造及檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054;2.重慶科學(xué)技術(shù)研究院，重慶 400050)

液壓馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)是工程上常用的控制系統(tǒng)，它具有負(fù)載剛度高、功率/質(zhì)量比大、響應(yīng)快和性價(jià)比高等特點(diǎn)，被廣泛用于冶金、機(jī)床、船舶等工程機(jī)械領(lǐng)域［1］。但隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)其使用要求進(jìn)一步提高:如高響應(yīng)和高效率。目前，在閥控和泵控調(diào)速的基礎(chǔ)上，也出現(xiàn)閥泵聯(lián)合控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)響應(yīng)快，溢流損失較小，但制造成本高、控制復(fù)雜。

為使調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，同時(shí)避免溢流損失，文中研究的液壓調(diào)速系統(tǒng)采用高速開(kāi)關(guān)閥控插裝閥，此調(diào)速機(jī)構(gòu)結(jié)合高速開(kāi)關(guān)閥和插裝閥各自優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的大流量高頻換向，具有響應(yīng)快、效率高和維護(hù)方便等特點(diǎn)。

1 液壓回路系統(tǒng)工作原理

基于高速開(kāi)關(guān)閥的液壓馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)如圖1所示:控制器發(fā)送脈沖電壓作為控制信號(hào)，直接輸出給高速開(kāi)關(guān)閥，再以高速開(kāi)關(guān)閥為先導(dǎo)閥控制插裝閥。當(dāng)高速開(kāi)關(guān)閥通電時(shí)，插裝閥閥芯處于關(guān)閉狀態(tài)，油泵輸出的流量通過(guò)單向閥，再驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，此時(shí)蓄能器蓄能。當(dāng)高速開(kāi)關(guān)閥斷電時(shí)，插裝閥閥芯處于打開(kāi)狀態(tài)，定量泵輸出流量經(jīng)過(guò)插裝閥直接回到油箱，則定量泵停止向馬達(dá)供油，由于單向閥的存在，馬達(dá)進(jìn)油端的流量不會(huì)倒流，并由蓄能器提供流量使馬達(dá)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。高速開(kāi)關(guān)閥按一定頻率，合理地分配占空比使閥體不停地打開(kāi)與閉合，改變分流支路通、斷時(shí)間比例，就可以改變供給馬達(dá)流量的大小，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。當(dāng)通過(guò)旁路卸荷的流量越多，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速就越慢;反之，則馬達(dá)轉(zhuǎn)速就越快。整個(gè)系統(tǒng)供油形式從動(dòng)態(tài)看是脈動(dòng)的，因此蓄能器除了作臨時(shí)動(dòng)力外，另一個(gè)作用就是削弱壓力脈動(dòng)。

圖1 液壓馬達(dá)調(diào)速回路原理圖

2 系統(tǒng)主要元件數(shù)學(xué)模型

2.1 高速開(kāi)關(guān)閥的流量控制特性

高速開(kāi)關(guān)閥是用數(shù)字量控制的開(kāi)關(guān)閥，與伺服閥和比例閥相比，它具有工作穩(wěn)定可靠、功耗小、重復(fù)性好、抗污染能力強(qiáng)和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)［2］。由于開(kāi)關(guān)閥電磁鐵的響應(yīng)能力及閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)間的影響，實(shí)際閥芯位移和脈沖信號(hào)之間存在一定的滯后。因此高速開(kāi)關(guān)閥信號(hào)占空比一般控制在0.2～0.8線性區(qū)間范圍內(nèi)。

2.2 高速開(kāi)關(guān)閥控插裝閥的數(shù)學(xué)模型

目前的高速開(kāi)關(guān)閥流量在10 L/min以下，要獲得高壓大流量的開(kāi)關(guān)閥，通常需要以小流量高速開(kāi)關(guān)閥作為先導(dǎo)控制一個(gè)插裝閥得到。由于高速開(kāi)關(guān)閥和插裝閥都工作在全開(kāi)或全關(guān)的狀態(tài)，功率損失小，效率高。整個(gè)系統(tǒng)采用脈沖流量供油方式，當(dāng)高速開(kāi)關(guān)閥工作頻率很高時(shí)，負(fù)載壓力一般不會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定振蕩情況［3］。

假設(shè)高速開(kāi)關(guān)閥在占空比線性工作范圍內(nèi)能夠完全跟蹤PWM控制信號(hào)，忽略閥芯動(dòng)作滯后時(shí)間，則插裝閥的流量方程［4］:

式中:q1為插裝閥出口流量 (L);

D(t)為插裝閥脈寬調(diào)制信號(hào)函數(shù);

CVd1為插裝閥的流量系數(shù);

A0為插裝閥閥口的節(jié)流面積 (mm2);

ρ為油液密度，取0.85×103kg/m3;

ps為插裝閥進(jìn)口壓力 (MPa)。

高速開(kāi)關(guān)閥占空比0≤u(t)≤1，則插裝閥D(t)脈寬調(diào)制信號(hào)函數(shù)可表示為:

式中:T為高速開(kāi)關(guān)閥脈寬調(diào)制信號(hào)周期。

3 仿真分析

為驗(yàn)證液壓馬達(dá)數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的可行性，文中通過(guò)AMESim軟件建立液壓元件模型并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)分析。

該系統(tǒng)采用開(kāi)環(huán)控制仿真，其主要參數(shù)為:高速開(kāi)關(guān)閥閥芯最大位移3 mm，進(jìn)油口直徑2 mm，球閥直徑3 mm，閥芯質(zhì)量1 g;插裝閥閥芯最大位移2 mm，進(jìn)油口直徑14 mm，控制腔直徑16 mm，閥芯質(zhì)量15 g;泵排量為50 mL/r，轉(zhuǎn)速1 500 r/min;馬達(dá)排量50 mL/r。

PWM控制信號(hào)頻率分別為20、10 Hz，蓄能器初始?jí)毫? MPa時(shí)，仿真結(jié)果如圖2。

圖2 液壓馬達(dá)響應(yīng)圖

由圖2可知:在相同蓄能器預(yù)壓力的條件下，PWM控制信號(hào)頻率對(duì)液壓馬達(dá)工作影響較小;在高頻控制信號(hào)下，液壓馬達(dá)工作壓力脈動(dòng)更小。在一定頻率下，占空比越大，插裝閥泄油量就越少，馬達(dá)進(jìn)油量越多，因而轉(zhuǎn)速越快，反之馬達(dá)轉(zhuǎn)速越慢。在PWM有效占空比內(nèi)，馬達(dá)調(diào)速范圍較寬。

通過(guò)仿真分析，高速開(kāi)關(guān)閥控插裝閥調(diào)速液壓系統(tǒng)的快速性較好，能夠滿足工程調(diào)速控制要求，同時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。

影響調(diào)速系統(tǒng)速比變化特性的主要為吸振蓄能器，蓄能器初始?jí)毫εc體積是影響速比變化特性的關(guān)鍵，且主要針對(duì)降速比影響較大。如圖3所示:體積越大，升降速比越緩慢;增加泵、馬達(dá)排量會(huì)提高系統(tǒng)速比控制精度。

圖3 調(diào)速系統(tǒng)速比變化特性曲線

由圖4可知:高速開(kāi)關(guān)閥開(kāi)環(huán)控制調(diào)速的精度高，在0.2～0.8占空比調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，速比接近于4，線性度高，誤差較小，系統(tǒng)剛度大;而伺服閥開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)由于溢流損失大，剛度相對(duì)較小，速度與占空比呈非線性關(guān)系。

理論上只要高速開(kāi)關(guān)閥和單向閥動(dòng)態(tài)性能接近于理想的高速開(kāi)關(guān)閥和插裝閥，數(shù)字調(diào)速的壓力變換效率可達(dá)100%，即輸出功率等于輸入功率［5］，因此高速開(kāi)關(guān)閥溢流損失小，效率高。通過(guò)效率計(jì)算公式:

圖4 開(kāi)環(huán)控制傳動(dòng)比與占空比關(guān)系

其中:泵、馬達(dá)仿真效率為100%，D為PWM控制占空比。因此系統(tǒng)主要為開(kāi)關(guān)閥節(jié)流損失，各占空比下開(kāi)關(guān)閥節(jié)流損失效率見(jiàn)圖5。

圖5 開(kāi)關(guān)閥調(diào)速效率

通過(guò)仿真計(jì)算可得開(kāi)關(guān)閥調(diào)速系統(tǒng)節(jié)流損失只有2%左右，因此系統(tǒng)效率高。數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的損耗主要有動(dòng)態(tài)損耗和瞬態(tài)損耗［5］。

動(dòng)態(tài)損耗是由于高速開(kāi)關(guān)閥上的節(jié)流損耗、液容上的附加液阻和附加液感以及液感上的附加液容引起的損耗。改進(jìn)措施:進(jìn)一步提高閥通油能力，降低液感。

瞬態(tài)損耗則是由于高速開(kāi)關(guān)閥的啟閉時(shí)間、液壓馬達(dá)的困油和管路內(nèi)液壓油的彈性等引起的損耗。改進(jìn)措施:需要提高高速開(kāi)關(guān)閥、液壓泵、馬達(dá)的頻響。

圖6 液壓變速器試驗(yàn)樣機(jī)

4 總結(jié)

(1)通過(guò)分析目前液壓馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速方式及特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了由高速開(kāi)關(guān)閥控插裝閥進(jìn)行PWM控制的液壓調(diào)速系統(tǒng)。

(2)分析了該系統(tǒng)響應(yīng)、速比特性及整體效率，研究表明:系統(tǒng)具有速比特性響應(yīng)快、系統(tǒng)剛度大、調(diào)速范圍寬、節(jié)流損失低等特點(diǎn)。

(3)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、便于維護(hù)，故障的處理也得到簡(jiǎn)化，具有進(jìn)行更深入研究和應(yīng)用的價(jià)值。

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