液壓挖掘機液壓控制系統(tǒng)原理及壓力補償閥數(shù)學(xué)模型概述

楊婷婷 張璇

摘 要 在對液壓挖掘機液壓控制系統(tǒng)的組成和工作原理認真分析的基礎(chǔ)上，建立具有普適性的系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的系統(tǒng)動力學(xué)模型、傳遞函數(shù)方塊圖模型，為今后建立整個液壓控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型提供依據(jù)，也是模型理論分析和仿真驗證的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 液壓控制系統(tǒng);動力學(xué)模型;方塊圖模型

引言

本文基于某中型液壓挖掘機負荷傳感液壓系統(tǒng)，在分析了液壓系統(tǒng)的組成與工作原理的基礎(chǔ)上，通過建立液壓系統(tǒng)中關(guān)鍵部件可變壓力補償閥的受力平衡方程，進而建立其液壓系統(tǒng)動力學(xué)模型，最終建立液壓挖掘機負荷傳感液壓系統(tǒng)可變壓力補償閥的方塊圖模型，為今后建立整個液壓控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型打下基礎(chǔ)，同時為模型的理論分析和仿真研究提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

液壓挖掘機負荷傳感控制系統(tǒng)主要由主泵、控制閥（多路閥）、執(zhí)行機構(gòu)和液壓管道四部分組成，主要功能是從主油泵供應(yīng)高壓油，推動油缸和液壓馬達進行挖掘、行走和回轉(zhuǎn)。液壓挖掘機負荷傳感控制系統(tǒng)組成如圖2.1所示。

主泵主要由兩個彎軸型變量柱塞泵組成，為整個系統(tǒng)提供高壓油，如圖1.1所示?？刂崎y為KVMX?—25型多路閥，主要由回轉(zhuǎn)控制閥、左右行走控制閥、鏟斗控制閥、動臂控制閥、斗桿控制閥、可變壓力補償閥、節(jié)流閥、補償安全閥、梭閥和輔助閥組成，主要功能是控制整個液壓回路中液壓油的油壓、流量和流向，每個主控制閥都帶有可變壓力補償閥，當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)進行復(fù)合動作時，執(zhí)行元件可以以一定速比運動而不互相干擾，保證復(fù)合動作的協(xié)調(diào)性。執(zhí)行機構(gòu)主要由工作機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)和行走機構(gòu)組成，其中工作機構(gòu)由鏟斗油缸、動臂油缸和斗桿油缸組成，由液壓缸來驅(qū)動;回轉(zhuǎn)機構(gòu)由回轉(zhuǎn)馬達組成;行走機構(gòu)由左、右兩個行走馬達組成，回轉(zhuǎn)機構(gòu)、行走機構(gòu)均由液壓馬達驅(qū)動，主要完成液壓挖掘機挖掘、滿斗舉升、回轉(zhuǎn)、卸載及行走等動作[1]。

圖1.2為負荷傳感控制系統(tǒng)工作原理圖，該系統(tǒng)為負荷傳感控制系統(tǒng)，從變量泵和主控閥進入執(zhí)行元件的流量不受負載影響，在保證復(fù)合動作的同時，又使各執(zhí)行元件互不干涉，同時，結(jié)合液壓泵控制系統(tǒng)，減少了溢流損失。

負荷傳感控制系統(tǒng)中，通過梭閥的作用，最高負載壓力不但被傳感到變量液壓泵上，同時也被傳感到各執(zhí)行元件的可變壓力補償閥上，使位于變量泵與執(zhí)行元件之間的控制閥節(jié)流孔壓差始終保持相等（一般為規(guī)定值），這樣就保證了各執(zhí)行元件所獲得的流量始終與節(jié)流孔面積成正比，使得所有執(zhí)行元件以相同速比減速，從而保證各執(zhí)行元件動作的協(xié)調(diào)性[2]。

2 建立數(shù)學(xué)模型

負荷傳感系統(tǒng)控制閥為KVMX?—25型多路閥，主要由換向閥（主控制閥）、節(jié)流閥、可變壓力補償閥、梭閥網(wǎng)絡(luò)組成。由于系統(tǒng)中斗桿控制閥、動臂控制閥、鏟斗控制閥、回轉(zhuǎn)控制閥和行走控制閥結(jié)構(gòu)相同，數(shù)學(xué)建模過程相同，他們同各自的可變壓力補償閥及其輔助元件組成各自的控制回路，共同并聯(lián)在液壓網(wǎng)絡(luò)上，因此，本節(jié)對斗桿控制閥組中的可變壓力補償閥進行分析[3]。

2.1 可變壓力補償閥數(shù)學(xué)模型

忽略可變壓力補償閥自身重力，壓力補償閥的閥芯受力平衡方程：

（2-1）

式中：——壓力補償閥閥芯下腔作用力，，

——壓力補償閥閥芯上腔作用力，，

——壓力補償閥閥芯穩(wěn)態(tài)液動力，

，

——閥芯質(zhì)量，

——流量系數(shù)

——速度系數(shù)

——壓力補償閥進油口壓力，

——壓力補償閥出油口壓力，

——壓力補償閥的閥芯受力面積，

——黏性阻尼系數(shù)，

設(shè)壓力補償閥工作在某穩(wěn)定工作點，列出式（2-1）線性化方程，得：

（2-2）

其中：，

根據(jù)體積彈性模量公式[4]：

（2-3）

得出：

（2-4）

因此，壓力補償閥流量連續(xù)方程為：

（2-5）

壓力補償閥出口壓力-流量方程為：

（2-6）

式中： ——面積梯度

——油液密度，

——多路閥的主控制閥流入可變壓力補償閥的流量，

——可變壓力補償閥閥芯腔容積，

由于壓力補償閥出口壓力-流量方程為非線性方程，設(shè)壓力補償閥在某穩(wěn)定狀態(tài)時相應(yīng)變量為（），式（2-6）的線性化方程為[5]：

（2-7）

式中：——流量增益，

——流量-壓力系數(shù)，

對式（2-2）、（2-7）進行拉氏變換，得：

（2-8）

式中： ，

（2-9）

式中：為液動力剛度，

根據(jù)式（2-8）、（2-9），畫出可變壓力補償閥的傳遞函數(shù)方塊圖，如圖2.1所示：

以上以鏟斗液壓回路為例，建立了液壓挖掘機負荷傳感液壓系統(tǒng)可變壓力補償閥的傳遞函數(shù)方塊圖模型，為今后建立整個液壓挖掘機負荷傳感液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立打下基礎(chǔ)。

參考文獻

[1]王慧，楊婷婷，王超，等.二次調(diào)節(jié)伺服加載試驗臺轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的動態(tài)魯棒補償[J].機床與液壓，2008，（10）：92-94.

[2] 李洪人.液壓控制系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1990：76.

[3] 沙道航.電液伺服系統(tǒng)魯棒最優(yōu)控制的研究[J].機床與液壓，199， （5）：16-18.

[4] 王占林.近代液壓控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997：107.

[5] 史忠科.魯棒控制理論[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003：51.

作者簡介

楊婷婷（1985-），女，遼寧阜新人;畢業(yè)院校：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，專業(yè)：機械，學(xué)歷：研究生，碩士學(xué)位，現(xiàn)就職單位：阜新市轉(zhuǎn)型升級（突破遼西北戰(zhàn)略）服務(wù)中心，研究方向：機械工程、機電液一體化。

張璇（1983-），女，遼寧阜新人;畢業(yè)院校：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，專業(yè)：工程，學(xué)歷：研究生，碩士學(xué)位，現(xiàn)就職單位：阜新高新技術(shù)開業(yè)開發(fā)區(qū)。