油膜軸承試驗臺液壓加載系統(tǒng)壓力控制特性分析

張婉茹，王建梅，侯定邦

(太原科技大學 重型機械教育部工程研究中心；冶金設備設計理論與技術(shù)省部共建國家重點實驗室培育基地，太原 030024)

油膜軸承具有承載能力大、抗沖擊能力強、運轉(zhuǎn)精度高、使用壽命長等特點，廣泛應用于各類板帶材軋制、線材軋機上，特別應用于具有對板形、板厚自動控制功能的大型板帶連軋機上[1-2]。

油膜軸承綜合試驗臺提供了一種可靠、節(jié)能、機電液一體化、統(tǒng)一操控的油膜軸承軋制力加載系統(tǒng)，實現(xiàn)了油膜軸承不同工況的模擬試驗[3]。

采用泵控內(nèi)控式機液控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)油膜軸承試驗臺液壓加載系統(tǒng)的壓力控制，準確滿足油膜軸承的載荷施加，提高了系統(tǒng)能效，降低了系統(tǒng)裝功率和能源消耗,具有無節(jié)流損失、發(fā)熱量少、控制精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活、工作空間小等優(yōu)勢[4-5]。能夠滿足油膜軸承試驗教學、科研等領域所需。

很多學者對液壓加載系統(tǒng)進行研究。王寧提出了一種基于比例積分微分控制器的機電一體化平臺液壓加載系統(tǒng)的控制方法，用于驅(qū)動機電一體化試驗臺的加載系統(tǒng)，驗證了分數(shù)階PID控制器具有較好的控制效果[6]。溫超對通用比例壓力閥的電液比例徑向柱塞泵變量控制系統(tǒng)進行研究，通過應用模糊PID控制算法，提高了系統(tǒng)動態(tài)性能[7]。程曉東利用Matlab軟件對恒功率恒壓泵變量特性及應用研究[8]。胡亮通過ADAMS和AMESim聯(lián)合仿真，對PCY14-1B恒壓變量柱塞泵動態(tài)特性進行研究，改進了回程盤結(jié)構(gòu)，減少系統(tǒng)能量損失[9]。綜上可知，研究液壓加載系統(tǒng)對提升油膜軸承試驗臺液壓加載系統(tǒng)動態(tài)特性具有指導意義[10]。

本文依據(jù)油膜軸承試驗臺液壓加載系統(tǒng)的工作條件，建立了泵控機液控制系統(tǒng)的壓力控制模型，對恒壓變量泵控系統(tǒng)進行研究，分析了影響系統(tǒng)動態(tài)特性的主要因素，得到高動態(tài)響應液壓加載系統(tǒng)。仿真驗證系統(tǒng)控制性能。

1 油膜軸承試驗臺液壓加載系統(tǒng)壓力控制原理

油膜軸承試驗臺液壓加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，由三相異步電動機、恒壓變量泵、控制滑閥、單出桿液壓缸、溢流閥、壓力表、壓力傳感器等元件組成的閥控缸外控閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中單出桿液壓缸包括上端蓋、液壓缸、活塞桿、下端蓋。

圖1 液壓加載泵控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Hydraulic loading pump control system structure diagram

液壓加載系統(tǒng)采用單出桿液壓缸加載裝置，適用于油膜軸承綜合試驗臺，向油膜軸承施加載荷，模擬軋制力，在牌坊上安裝液壓缸對下方懸掛式油膜軸承進行加載，使液壓缸與油膜軸承上部的均壓塊接觸進而產(chǎn)生加載力。

啟動恒壓變量泵，三相異步電動機轉(zhuǎn)動，帶動恒壓變量泵由吸油口從油箱吸油，出油口排出壓力油，經(jīng)過單向閥、電磁換向閥、疊加式雙單向節(jié)流閥，進入單出桿液壓缸無桿腔，由單出桿液壓缸有桿腔回油，回到油箱。溢流閥保護系統(tǒng)壓力安全穩(wěn)定，具有限壓過載保護作用。控制滑閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力0～28.5 MPa，相當于0～90 t載荷，保證系統(tǒng)壓力值恒定。

圖2所示為泵控機液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，調(diào)壓彈簧預緊力作為輸入信號，與恒壓變量泵工作壓力的反饋信號經(jīng)過反饋元件轉(zhuǎn)換成力信號進行比較，得到力偏差信號控制閥芯位移，經(jīng)過斜盤組件控制活塞位移，控制恒壓變量泵的輸出流量，其中負載流量增量QL為負擾動信號，進而控制恒壓變量泵的工作壓力，實現(xiàn)油膜軸承試驗臺液壓加載系統(tǒng)壓力控制[9]。

圖2 泵控機液控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Pump control machine fluid control structure diagram

2 泵控機液控制系統(tǒng)數(shù)學建模

泵控機液控制系統(tǒng)主要由控制滑閥、斜盤組件、恒壓變量泵、溢流閥元件組成?？刂苹y彈簧力與負載力與的動力學平衡方程[11]：

(1)

式中：PS為泵的工作壓力，MPa；Av為控制滑閥的端面積，m2；F0為調(diào)壓彈簧預緊力，N；mv為閥芯和1/3彈簧質(zhì)量和，kg；xv為閥芯位移，mm；f滑閥運動粘性阻尼系數(shù)；Ks為調(diào)壓彈簧剛度及液動力剛度和，N/m.

控制閥控制單出桿液壓缸活塞移動，活塞推動斜盤擺動，控制閥閥口零位線性化流量方程：

Qv=KpPs-KpP1-Kqxv

(2)

式中：Qv為閥口流量，L/min；Kp為閥口流量壓力系數(shù)；Kq為閥口流量-壓力系數(shù)；P1為液壓缸無桿腔壓力，MPa.

單出桿液壓缸流量連續(xù)性方程：

(3)

式中：xp為活塞位移，mm；A1為液壓缸無桿腔有效面積，m2；V1為液壓缸無桿腔壓縮容積，m3；C0為液壓缸總泄漏系數(shù)，Eβ為油液有效體積彈性模量，MPa.

忽略液壓缸的彈簧力與活塞的運動粘性阻力，液壓缸活塞桿動力學平衡方程：

(4)

式中：A2為液壓缸有桿腔有效面積，m2；mp為斜盤部分轉(zhuǎn)動慣量折算活塞移動的當量質(zhì)量，kg.

活塞位移與恒壓變量泵排量成負相關(guān)，變量泵的流量方程：

Qs=-KQnxp

(5)

式中：Qs為泵的出口流量，L/min；KQ為泵的排量梯度；n為泵的旋轉(zhuǎn)速度，r/min.

考慮油液彈性及變量泵泄漏影響，變量泵的流量連續(xù)性方程：

(6)

式中：Vt為泵輸出負載容積，m3；CL為泵總泄漏系數(shù)。

對上述(1)-(6)方程進行拉式變換，得到油膜軸承試驗臺液壓加載泵控系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖如圖3所示。

圖3 液壓加載泵控系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖Fig.3 Hydraulic loading pump control system transfer function block diagram

泵控系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

G(s)=

(7)

3 MATLAB模型建立與仿真分析

油膜軸承試驗臺液壓加載系統(tǒng)采用10PCY14—1B型軸向柱塞泵控制系統(tǒng)壓力。圖4所示為油膜軸承試驗臺液壓加載泵控系統(tǒng)在Simulink模塊的仿真模型，通過分析不同調(diào)壓彈簧剛度、控制滑閥流量增益下恒壓變量泵出口壓力的階躍響應，研究了油膜軸承試驗臺液壓加載泵控系統(tǒng)動態(tài)特性。油膜軸承試驗臺液壓加載泵控系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。圖5、圖6為不同參數(shù)下，恒壓變量泵的出口壓力。

圖5所示為不同調(diào)壓彈簧剛度，恒壓變量泵出油口的壓力響應曲線。圖中可以看出，隨著調(diào)壓彈簧剛度增大，變量泵出口壓力的上升時間由0.012 s增大到0.016 s；峰值時間由0.014 s增大到0.018 s；調(diào)整時間由0.055 s減小到0.045 s.根據(jù)理論計算可得，恒壓泵的出口壓力與調(diào)壓彈簧剛度有關(guān)，隨著調(diào)壓彈簧剛度增大，控制滑閥的阻尼比增大，負載干擾誤差影響減小，系統(tǒng)穩(wěn)定性提高。

圖4 液壓加載泵控系統(tǒng)仿真模型Fig.4 Simulation model of hydraulic loading pump control system

表1 液壓加載泵控系統(tǒng)參數(shù)表
Tab.1 Parameter table of hydraulic loading pump control system

參數(shù)數(shù)據(jù)參數(shù)數(shù)據(jù)調(diào)壓彈簧剛度1.5×104泵轉(zhuǎn)速/ r/min1000油密度/kg·m-30.9×103泵質(zhì)量/ kg20油液體積彈性模量/ MPa870泵加載壓力/MPa15.9泵的泄漏系數(shù)/ m5·(N·S)1.4×10-11液壓缸總泄漏系數(shù)/ m5·(N·S)10-12控制閥流量增益1.2泵排量梯度2×10-3

圖5 不同調(diào)壓彈簧剛度的變量泵出口壓力Fig.5 Variable pump outlet pressure with different spring stiffness

圖6所示為不同控制滑閥的流量增益，恒壓變量泵出油口的壓力響應曲線。圖中可以看出，隨著控制滑閥的流量增益減小，變量泵出口壓力的上升時間由0.011 s增大到0.015 s；峰值時間由0.013 s增大到0.017 s；調(diào)整時間由0.06 s減小到0.05 s.根據(jù)理論計算可得，恒壓泵的出口壓力與控制滑閥的流量增益有關(guān)，隨著控制滑閥的流量增益減小，系統(tǒng)的開環(huán)增益減小，泵出口壓力穩(wěn)定裕量增大，系統(tǒng)穩(wěn)定性提高。

圖6 不同控制閥流量增益的變量泵出口壓力Fig.6 Variable pump outlet pressure withdifferent control valve flow gain

4 結(jié)論

(1)通過增大調(diào)壓彈簧剛度，系統(tǒng)響應的上升時間和峰值時間減小，調(diào)整時間增大，增大了控制滑閥的阻尼比，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

(2)通過減小控制滑閥的流量增益，響應的上升時間和峰值時間減小，調(diào)整時間增大，降低了控制系統(tǒng)的開環(huán)增益，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

(3)仿真分析與理論計算對比，驗證了油膜軸承試驗臺液壓加載泵控系統(tǒng)的可行性，且具有較快響應速度和較高的平穩(wěn)性。對實際工程應用有指導作用。