閥控缸液壓系統(tǒng)變負(fù)載工況速度穩(wěn)定性研究

(湖北江山重工有限責(zé)任公司，湖北 襄陽(yáng) 441057)

引言

火箭發(fā)射液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要是為了驅(qū)動(dòng)發(fā)射架在高低范圍內(nèi)的調(diào)炮操作。在高低起落過(guò)程中，由高低機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)射架進(jìn)行高低俯仰運(yùn)動(dòng)，賦予發(fā)射系統(tǒng)一定的射角。在俯仰動(dòng)作過(guò)程中，發(fā)射架等效到高低機(jī)上的負(fù)載力矩大小時(shí)刻變化，且變化范圍大，變化速度快。在高低調(diào)節(jié)到任一發(fā)射位后，為保證發(fā)射的目標(biāo)精度，進(jìn)行火箭發(fā)射，在高沖擊力作用下，高低機(jī)需在該狀態(tài)下保證發(fā)射架穩(wěn)定，不得出現(xiàn)發(fā)射架變位等情況。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高低俯仰動(dòng)作，主要是液壓缸作為高低機(jī)電液系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制高低機(jī)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)發(fā)射架高低俯仰和鎖定功能。在該過(guò)程中，要求液壓系統(tǒng)應(yīng)具有一定的速度剛度，不受負(fù)載變化影響。在控制器給定某一射角設(shè)定后，通過(guò)解算并控制液壓系統(tǒng)比例閥元件，保證在高低調(diào)炮的快速響應(yīng)性和穩(wěn)定性[1-2]。

近年來(lái), 不少學(xué)者對(duì)閥控缸變負(fù)載工況下的速度控制和火箭發(fā)射液壓系統(tǒng)的仿真分析方面進(jìn)行了研究。鄒興龍等[3]基于起重機(jī)變幅工況,對(duì)電比例平衡閥開(kāi)啟電流、PWM顫振頻率、壓力、流量等特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出了一種電比例變幅平衡閥的電氣補(bǔ)償優(yōu)化控制方法。尹劍波等[4]利用AMESim軟件對(duì)某型火箭炮高低機(jī)進(jìn)行建模仿真，展示了電液伺服系統(tǒng)的工作過(guò)程。劉艷等[5]通過(guò)狀態(tài)方程組形式建立了電液比例閥控非對(duì)稱缸驅(qū)動(dòng)發(fā)射裝置高低機(jī)系統(tǒng)的非線性模型，并進(jìn)行了優(yōu)化仿真，有效地改善高低機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。徐艷翠等[6]為提升折臂式隨車起重機(jī)變幅液壓系統(tǒng)性能，提出了變幅液壓系統(tǒng)及零部件的優(yōu)化方案，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，變幅液壓系統(tǒng)性能得到明顯提升。

1 案例

某發(fā)射裝置發(fā)射架通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相連，兩支液壓缸(以下簡(jiǎn)稱高低機(jī))對(duì)稱分布在發(fā)射架的兩側(cè)，高低機(jī)為液壓缸支撐方式，上下鉸接點(diǎn)分別連接回轉(zhuǎn)部分和發(fā)射架，發(fā)射架在高低機(jī)的驅(qū)動(dòng)下繞軸旋轉(zhuǎn)賦予發(fā)射裝置一定的高低射角。該發(fā)射裝置高低機(jī)受力力臂小，要求高低機(jī)推力足夠大，發(fā)射裝置高低射角范圍大，且高低機(jī)存在兩種負(fù)載力方向的工況。高低液壓回路采用比例換向閥和液壓鎖配合工作，采用定量泵提供動(dòng)力，通過(guò)溢流閥限制系統(tǒng)工作壓力。在液壓系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，高低調(diào)炮過(guò)程出現(xiàn)低頻抖動(dòng)，現(xiàn)象集中于發(fā)射架下落階段。高低機(jī)上下調(diào)炮到位鎖定正常，發(fā)射鎖定變位也在合理范圍。

分析高低油路原理，2個(gè)液控單向閥交叉控制作為液壓油缸的鎖定元件。鎖定原理利用單向閥的反向截流特性，鎖定可靠。比例換向閥作為高低油路流量和方向控制元件，間接控制高低機(jī)的調(diào)炮速度[7]。

根據(jù)系統(tǒng)原理和參數(shù)，利用AMESim軟件搭建了液壓系統(tǒng)的仿真模型,進(jìn)行系統(tǒng)仿真分析,動(dòng)態(tài)仿真液壓泵運(yùn)行情況如圖1所示。整個(gè)仿真過(guò)程為60 s，模擬了高低驅(qū)動(dòng)和發(fā)射工作流程：即上調(diào)炮、鎖緊、發(fā)射和下調(diào)炮過(guò)程。高低機(jī)在發(fā)射架調(diào)炮到某角度時(shí)，系統(tǒng)模擬了多發(fā)火箭彈的連續(xù)射擊。

從仿真曲線圖上，可以看出定量泵在上升過(guò)程運(yùn)動(dòng)平順，無(wú)明顯顫振和壓力突變等情況，但在下降過(guò)程中存在較大的壓力震蕩。

高低機(jī)運(yùn)行情況如圖2所示。

從仿真結(jié)果可以看出在對(duì)比例換向閥以及其他控制閥組輸入控制信號(hào)，高低液壓缸在上升過(guò)程運(yùn)行平順，調(diào)節(jié)到位后模擬了火箭彈的發(fā)射，發(fā)射前后發(fā)射架角度變化很小，液壓鎖定可靠。在下降過(guò)程高低機(jī)存在劇烈震動(dòng)，高低機(jī)壓力和流量均不穩(wěn)，液壓缸存在抖動(dòng)現(xiàn)象，無(wú)法正常工作。仿真過(guò)程表征的現(xiàn)象與實(shí)際一致，仿真模型搭建合理。

圖1 液壓泵運(yùn)行仿真結(jié)果

圖2 高低機(jī)運(yùn)行情況仿真結(jié)果

2 原理分析

通過(guò)高低機(jī)上升腔和下降腔的壓力分析可知，在發(fā)射架下落過(guò)程(即高低機(jī)縮回過(guò)程)，高低機(jī)工作腔壓力震蕩的前段，下降腔壓力迅速下降，接近于0，上升腔壓力由穩(wěn)態(tài)的漸變開(kāi)始陡增，進(jìn)而開(kāi)始震蕩。

對(duì)液壓鎖的原理分析可知，液壓鎖是由2個(gè)液控單向閥組成，其原理符號(hào)和結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 液壓鎖原理

假設(shè)①～④處的壓力分別為p1,p2,p3,p4，兩邊彈簧預(yù)緊力均為Fs,則當(dāng)油液方向?yàn)棰?②時(shí)，①處的壓力p1作為右側(cè)液控單向閥的控制壓力，在控制壓力作用下，右邊液控單向閥③-④導(dǎo)通。

將液壓鎖與油缸連接在一起時(shí)，如圖4所示。

圖4 液壓鎖與液壓缸組合

結(jié)合圖3中液壓鎖的結(jié)構(gòu)，當(dāng)液壓缸需要下落時(shí)，需滿足：

p1·A1-p4·A4-Fs>0

(1)

則式(1)可簡(jiǎn)化為：

(2)

液壓缸兩腔的壓力特性為：

pA·AA-pB·AB-FL=0

(3)

變形為：

(4)

式中，AA—— 液壓缸A腔有效作用面積

AB—— 液壓缸B腔有效作用面積

則由式(2)和式(4)可繪制出液壓鎖和液壓缸工作狀態(tài)圖，如圖5所示。

圖5 液壓鎖和液壓缸工作狀態(tài)圖

根據(jù)以上分析可知，陰影部分為該液壓鎖通道④-③ 開(kāi)啟區(qū)域，G點(diǎn)為油缸的開(kāi)啟點(diǎn)，油缸開(kāi)啟的條件必須滿足KC>KA，但是即使達(dá)到這個(gè)條件，若KC與KA相差不大時(shí)，可能已經(jīng)達(dá)到系統(tǒng)壓力仍然不能開(kāi)啟液壓鎖。

根據(jù)式(3)可知，因?yàn)檫€會(huì)受到B腔壓力pB的影響，液壓缸A腔壓力pA應(yīng)大于負(fù)載壓力pL。若負(fù)載壓力pL過(guò)大，液壓缸在下落過(guò)程中，液壓鎖在控制壓力p1的作用下，④-③向液壓鎖導(dǎo)通。此時(shí)在負(fù)載壓力和液壓缸B腔壓力的作用下，液壓缸下落。液壓鎖為開(kāi)關(guān)閥，彈簧剛度比較小，在控制壓力作用下為全開(kāi)狀態(tài)，節(jié)流液阻比較小。因此在負(fù)載壓力過(guò)大時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致液壓缸B腔壓力下降到小于液壓鎖彈簧預(yù)緊壓力，不能滿足液壓鎖的開(kāi)啟條件，液壓鎖突然關(guān)閉，液壓缸下落速度突然為0。此時(shí)液壓缸A腔壓力pA會(huì)陡增，液壓缸B腔壓力也被動(dòng)陡增。此時(shí)控制壓力增大，如果達(dá)到液壓鎖開(kāi)啟壓力，④-③向液壓鎖繼續(xù)導(dǎo)通，往復(fù)循環(huán)造成液壓缸工作腔壓力突變震蕩，液壓缸抖動(dòng)。

分析高低機(jī)下降過(guò)程中，隨著發(fā)射架的角度逐漸變小，發(fā)射架重力矩逐漸增大，比例換向閥的節(jié)流背壓不能適應(yīng)負(fù)載重力矩的變化，造成B腔壓力過(guò)低，造成液壓鎖的持續(xù)的開(kāi)閉現(xiàn)象，高低機(jī)抖動(dòng)。

3 改進(jìn)設(shè)計(jì)

解決該問(wèn)題的方法有兩種，一種是在液壓缸下降回路增加液阻元件，如節(jié)流閥；另一種是改變液壓鎖的彈簧剛度，使在控制壓力作用下連續(xù)開(kāi)啟，且開(kāi)啟壓力可調(diào)。

第一種方案，增加節(jié)流閥液阻元件可以使pA保持在pG以上時(shí)，可以避免液壓鎖反復(fù)開(kāi)閉的現(xiàn)象。但是如果在發(fā)射架停留在較小的發(fā)射角度時(shí)，應(yīng)對(duì)高低機(jī)進(jìn)行負(fù)載保持，液壓鎖的控制壓力卸荷，液壓鎖反向截止。此時(shí)節(jié)流閥前后的壓力均等于液壓缸A腔壓力pA，若再次啟動(dòng)使高低機(jī)縮回，發(fā)射架下落。在控制壓力作用下，液壓鎖④-③向?qū)ǎ?jié)流閥后的壓力突然降為0，造成壓力突變，系統(tǒng)不穩(wěn)。

第二種方案，通過(guò)改變液壓鎖的開(kāi)關(guān)鎖狀態(tài)，使閥芯移動(dòng)以及液阻為可控連續(xù)變化，適應(yīng)負(fù)載變化工況，避免壓力突變。

通過(guò)結(jié)構(gòu)和原理分析可以將液壓鎖的液控單向閥替換成反向型平衡閥[8-9]，如圖6所示，反向型平衡閥有3個(gè)油口p1,p2,p3，分別接負(fù)載端、回油端、控制端。閥內(nèi)設(shè)置兩級(jí)閥芯，為主閥芯和先導(dǎo)閥芯，主閥芯用于封閉負(fù)載腔和回油腔，先導(dǎo)閥芯先行開(kāi)啟，節(jié)流穩(wěn)定壓力，為主閥芯開(kāi)啟創(chuàng)造條件。負(fù)載保持狀態(tài)，負(fù)載端壓力與主閥芯開(kāi)啟壓力方向相反，負(fù)載壓力越大，主閥芯越能緊緊貼合在閥座上，其反向截流越可靠。平衡閥正向開(kāi)啟壓力受單向彈簧決定，開(kāi)啟壓力小。平衡閥還具有較大的開(kāi)啟比，即其控制壓力p3到控制活塞的有效作用面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)載壓力p1到主閥芯的有效作用面積，主閥芯的開(kāi)啟反向?qū)ɑ局皇芸刂茐毫3影響。但反向平衡閥本身不具有過(guò)載溢流功能，閥芯的開(kāi)啟不受背壓和負(fù)載壓力影響，只接受控制端壓力進(jìn)行導(dǎo)通，需單獨(dú)配置安全溢流閥防止系統(tǒng)過(guò)載。

1、2.阻尼 3.控制活塞 4.控制彈簧 5.閥座 6.先導(dǎo)閥芯7.主閥芯 8.背壓阻尼 9.單向彈簧 10.背壓腔圖6 反向平衡閥結(jié)構(gòu)原理圖

反向型平衡閥在原理上與液控單向閥類似。區(qū)別在于平衡閥在控制壓力作用下，其開(kāi)啟曲線是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程。平衡閥的雙閥芯結(jié)構(gòu)和控制彈簧的雙彈簧結(jié)構(gòu)以及背壓腔阻尼都是為了閥芯開(kāi)啟過(guò)程更平穩(wěn)，避免壓力突變?？刂瓶谧枘峤M合用于設(shè)定閥芯的開(kāi)啟壓力和關(guān)閉時(shí)間；背壓阻尼是為了防止背壓腔的流量泄漏過(guò)快，使背壓腔壓力增高，保證當(dāng)負(fù)載壓力變大到一定值后，節(jié)流口開(kāi)始減小，進(jìn)而來(lái)抵消負(fù)載壓力變大的影響。

通過(guò)工作原理分析，第二種方案提高了系統(tǒng)速度剛度，使系統(tǒng)在面對(duì)負(fù)載變化時(shí)，能保證工作速度穩(wěn)定[10]。該方案更能適應(yīng)大力矩，變負(fù)載的場(chǎng)合。

由于發(fā)射架模型為變負(fù)載工作，且在整個(gè)高低調(diào)炮過(guò)程液壓缸受力方向會(huì)發(fā)生變化，需要雙向的負(fù)載保持和下落控制。借鑒雙液控單向閥組成的液壓鎖原理，采用雙反向平衡閥交叉控制方案。

平衡閥由無(wú)泄漏主閥、旁路溢流閥以及控制阻尼組成，旁路溢流閥可單獨(dú)調(diào)定溢流壓力。雙反向平衡閥交叉控制是將一平衡閥的進(jìn)油口與另一平衡閥的控制口相連，同時(shí)另一平衡閥的進(jìn)油口與該平衡閥的控制口相連，并通過(guò)阻尼的匹配，實(shí)現(xiàn)對(duì)主閥開(kāi)啟壓力控制及響應(yīng)時(shí)間控制[11-12]。

4 仿真分析

針對(duì)改進(jìn)后的方案重新構(gòu)建模型進(jìn)行仿真分析，平衡閥部分仿真模型[13]如圖7所示。

液壓系統(tǒng)其他參數(shù)設(shè)定不變，進(jìn)行仿真分析。

如圖8所示，通過(guò)仿真分析可知，改進(jìn)后液壓泵輸出的壓力平穩(wěn)，無(wú)較大壓力波動(dòng)；高低機(jī)在升起和定位鎖定以及下落過(guò)程中均未出現(xiàn)爬行振動(dòng)等現(xiàn)象；高低機(jī)工作腔壓力趨于連續(xù)穩(wěn)定，流量工作連續(xù)穩(wěn)定，無(wú)明顯沖擊現(xiàn)象產(chǎn)生； 整個(gè)俯仰調(diào)炮響應(yīng)速度快，滿足工作要求；在模擬發(fā)射前后發(fā)射架角度變位較小，鎖定可靠，發(fā)射架在下落過(guò)程中高低機(jī)抖動(dòng)現(xiàn)象消失，問(wèn)題得到解決。

圖7 雙平衡閥仿真模型

圖8 改進(jìn)后的模型仿真結(jié)果

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

將改進(jìn)后的方案，進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可知，在30次試驗(yàn)過(guò)程中，均未出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，實(shí)際調(diào)炮到位均滿足要求。且經(jīng)過(guò)測(cè)量高低機(jī)兩工作腔壓力變化無(wú)明顯壓力沖擊現(xiàn)象，調(diào)炮到位后的鎖定可靠。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

從仿真和原理分析了火箭發(fā)射中液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中調(diào)節(jié)抖動(dòng)的原因，并提出了基于雙反向平衡閥交叉互聯(lián)控制的閥控式液壓系統(tǒng)在大推力小力臂條件下液壓鎖的一種模式，經(jīng)過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)，原理分析，仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，該平衡鎖定方式有效，解決了俯仰調(diào)節(jié)過(guò)程的抖動(dòng)問(wèn)題，該模式是發(fā)射裝置高低平衡鎖定應(yīng)用中非常有效的一種方式，適合受力力臂小，負(fù)載變化大且出現(xiàn)正反兩個(gè)方向的場(chǎng)合。