基于AMESim壓力脈沖試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與研究

劉丞博，王野牧，王云峰

(沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

0 前言

壓力脈沖試驗(yàn)臺(tái)是航空工業(yè)領(lǐng)域中重要的自動(dòng)化設(shè)備，而液壓控制系統(tǒng)是形成符合要求脈沖波形的關(guān)鍵部分。壓力脈沖試驗(yàn)臺(tái)是以伺服比例閥為核心控制元件，配合高精度等級(jí)的變送器，通過智能計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集模塊形成的試驗(yàn)系統(tǒng)。

1 液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)與分析

液壓泵站由油泵電機(jī)組、油箱檢測組件、溫度控制組件、蓄能器組件和防止污染裝置等5個(gè)單元組合而成。壓力脈沖試驗(yàn)臺(tái)液壓原理圖如圖1所示。

圖1 壓力脈沖試驗(yàn)臺(tái)液壓原理圖

液壓系統(tǒng)工作原理：液壓源采用軸向柱塞定量泵為系統(tǒng)供油，油箱的進(jìn)出口通過不同的過濾器對油液進(jìn)行過濾清潔處理，通過蓄能器存儲(chǔ)液壓能，壓力傳感器和比例溢流閥形成閉環(huán)的壓力系統(tǒng)，通過伺服比例閥的快速換向?qū)崿F(xiàn)對脈沖波形的控制，并配合使用溫度傳感器、液位計(jì)實(shí)時(shí)檢測油箱中油液的溫度以及高度。

2 控制系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)與分析

2.1 系統(tǒng)壓力的閉環(huán)控制

系統(tǒng)壓力控制原理：系統(tǒng)由工控機(jī)、高性能的比例溢流閥以及高精度等級(jí)的壓力傳感器組成閉環(huán)壓力控制系統(tǒng)。模擬量輸入模塊通過傳感器采集模擬信號(hào)后，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA的輸出信號(hào)送到PCI1715U(AI)采集卡，再傳送給計(jì)算機(jī)。工控機(jī)通過PCIE1816(AO)采集卡將采集到的電流信號(hào)與發(fā)出的電流信號(hào)比較，得到電流偏差值后將信號(hào)送到比例放大器，比例電磁鐵接收經(jīng)過放大器轉(zhuǎn)換后的得到的模擬信號(hào)來控制閥芯的位移量，直至偏差值減小到最小，此時(shí)閥芯開口大小即為調(diào)定壓力大小，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力的閉環(huán)精確控制。系統(tǒng)壓力的閉環(huán)控制方式如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)壓力閉環(huán)控制方式

比例溢流閥壓力控制方式：比例溢流閥與被試件并聯(lián)，進(jìn)油口的壓力與溢流閥的調(diào)定壓力比較后會(huì)反饋到溢流閥閥芯處，配合高精度的壓力傳感器，當(dāng)檢測到系統(tǒng)的供油壓力高于調(diào)定壓力時(shí)，溢流閥閥芯開口變大，將多余油液溢流回油箱，降低系統(tǒng)壓力，反之亦然。供油壓力超出調(diào)定壓力越高，閥芯開口越大從而保證系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在控制壓力下。

比例溢流閥選型：本試驗(yàn)器選用型號(hào)為PRE3G-350/11N-E0K11/B的比例溢流閥。此型號(hào)的比例溢流閥為帶集成放大板的先導(dǎo)式比例溢流閥，可通過集成數(shù)字放大板使壓力調(diào)節(jié)與電磁鐵輸入電流成正比，其P-T口的最大工作壓力為35 MPa，并具有抗強(qiáng)電磁干擾功能，響應(yīng)時(shí)間達(dá)到120 ms，重復(fù)精度為1%滿足系統(tǒng)的要求。因此綜合考慮閥芯的動(dòng)作靈敏度以及響應(yīng)時(shí)間對液壓系統(tǒng)的影響， 選擇此型號(hào)的比例溢流閥精準(zhǔn)控制系統(tǒng)的供油壓力。

2.2 水錘壓力脈沖波形的控制

通過參照伺服比例閥的樣本,對建立的伺服比例閥模型的二階振蕩環(huán)節(jié)、閥體和閥芯等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，通過分析其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，使得其與所選型號(hào)閥樣本中的數(shù)據(jù)相匹配,具體參數(shù)如圖3所示。

參數(shù)名稱參數(shù)值質(zhì)量塊質(zhì)量/kg0.1摩擦系數(shù)500閥芯直徑/mm10閥芯頸部直徑/mm5槽數(shù)/個(gè)2最大流動(dòng)系數(shù)0.6正開口量/mm0.15閥芯位移/mm0.4彈簧活塞直徑/mm10彈簧活塞桿徑/mm5

能夠判斷出所建立的伺服比例閥仿真模型參數(shù)信息設(shè)置的正確性、合理性,進(jìn)而構(gòu)建一個(gè)小型的壓力脈沖試驗(yàn)的液壓系統(tǒng)。伺服比例閥AMESim仿真模型如圖4所示。

圖4 伺服比例閥仿真模型

首先設(shè)想通過比例溢流閥的快速換向形成試驗(yàn)要求的水錘波形，建立如圖5所示的系統(tǒng)的仿真模型，對系統(tǒng)模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置后，校驗(yàn)系統(tǒng)壓力的階躍響應(yīng)特性、階躍響應(yīng)誤差曲線，以及系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

圖5 比例溢流閥控制系統(tǒng)的仿真模型

如圖6所示的壓力脈沖曲線可知由比例溢流閥的快速換向形成的脈沖波形的響應(yīng)時(shí)間達(dá)不到要求，滯后時(shí)間長，經(jīng)PID調(diào)節(jié)后無法形成穩(wěn)定的水錘波形。

圖6 比例溢流閥控制系統(tǒng)的壓力-時(shí)間曲線

因此，設(shè)想由伺服比例閥和壓力傳感器構(gòu)成閉環(huán)壓力控制系統(tǒng)，并通過伺服比例閥的快速換向?qū)崿F(xiàn)壓力的水錘波控制，如圖7所示。

圖7 伺服比例閥控制系統(tǒng)的仿真建型

泵的排量為20 ml/r,配和使用轉(zhuǎn)速為150 r/min的電機(jī)，伺服比例閥P、A口之間最大開口時(shí)的流量設(shè)為4 L/min,對應(yīng)的壓降為35 MPa，其固有頻率為80 Hz，蓄能器的容積為4 L，并加入PID控制器，使系統(tǒng)的壓力偏差達(dá)到最小，發(fā)出的階躍信號(hào)振幅為230，相應(yīng)的PID參數(shù)為P=1，I=5，D=0.0011，得到曲線如圖8所示。

圖8 伺服比例閥控制系統(tǒng)的壓力-時(shí)間曲線1

圖9 伺服比例閥控制系統(tǒng)的壓力-時(shí)間曲線2

如圖8所示，在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，Pmax達(dá)到21 MPa，(0.9～0.1)Pmax為16.8 MPa，ΔT=0.00481 s，經(jīng)計(jì)算可知升率為3 492.72 MPa/s，滿足技術(shù)要求中升率大于2 236 MPa/s。如圖9所示，峰值壓力達(dá)到20.42 MPa，被試件的工作壓力為14 MPa，在被試件工作壓力偏差區(qū)域內(nèi)停留的時(shí)間為0.01 s，以上均滿足技術(shù)要求中水錘波的峰值壓力為工作壓力的1.5倍，控制精度為±4%。

通過大量仿真試驗(yàn)表明，通過調(diào)節(jié)伺服比例閥的換向頻率，即可改變脈沖試驗(yàn)波形的循環(huán)頻率，并且調(diào)節(jié)伺服比例閥的閥口開度，即可調(diào)節(jié)液壓脈沖波形的斜率，而脈沖試驗(yàn)的峰值壓力取決于比例溢流閥的調(diào)定壓力。

3 結(jié)束語

壓力脈沖試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與研究主要是設(shè)計(jì)一個(gè)壓力脈沖試驗(yàn)臺(tái)，測試液壓換向閥能否滿足其全壽命期限內(nèi)承受壓力脈沖的能力，試驗(yàn)中脈沖波形主要由伺服比例閥的閥門開口度、換向頻率、供油壓力等因素決定，可由伺服比例閥的快速換向?qū)崿F(xiàn)對壓力方波的控制，實(shí)現(xiàn)對脈沖壓力的調(diào)節(jié)，以此來評(píng)估換向閥的質(zhì)量，提高系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。

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