超越負(fù)載工況下閉式液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

王欣 姜振楠 李萬(wàn)里 申展超 魏蘇杰

摘? 要 為加強(qiáng)閉式液壓系統(tǒng)方面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生了解和掌握閉式液壓系統(tǒng)起升機(jī)構(gòu)超越負(fù)載工況下的動(dòng)態(tài)特性，搭建該閉式液壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。針對(duì)超越負(fù)載工況出現(xiàn)的問(wèn)題，采用負(fù)扭矩控制算法。在Simulink模塊中搭建帶有負(fù)扭矩控制算法的閉式液壓系統(tǒng)仿真模型，分析與確定系統(tǒng)參數(shù)，并通過(guò)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該控制算法的有效性。該平臺(tái)應(yīng)用于閉式液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，具有良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 閉式液壓系統(tǒng);液壓仿真;負(fù)扭矩控制;實(shí)驗(yàn)平臺(tái);MATLAB;Simulink

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.423? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）01-0019-04

1 引言

與開(kāi)式液壓系統(tǒng)相比較，閉式液壓控制系統(tǒng)有著結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)平穩(wěn)、效率高等特點(diǎn)[1]。隨著閉式液壓系統(tǒng)發(fā)展的不斷成熟，閉式液壓系統(tǒng)在工程機(jī)械與起重機(jī)械上的運(yùn)用也越來(lái)越多。目前，國(guó)內(nèi)中、大噸位起重機(jī)大多采用閉式液壓系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)雙向變量液壓泵來(lái)改變油路中油液的流量和方向，從而實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的無(wú)級(jí)調(diào)速和換向。閉式液壓系統(tǒng)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，當(dāng)前的工程應(yīng)用也逐漸從開(kāi)式系統(tǒng)向閉式系統(tǒng)過(guò)渡。

為了讓學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握先進(jìn)的系統(tǒng)構(gòu)成和原理，搭建基于重物超越負(fù)載工況的閉式液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。但同時(shí)閉式系統(tǒng)也有需要深入研究的內(nèi)容，如負(fù)功率等問(wèn)題。重物在下降過(guò)程中，系統(tǒng)液壓油壓力較大，推動(dòng)泵和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)成為吸收負(fù)功率和轉(zhuǎn)矩的裝置。當(dāng)載荷重量較大時(shí)，僅僅靠發(fā)動(dòng)機(jī)本身的負(fù)功率吸收能力不足以“鉗住”載荷，將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)“飛車(chē)”和負(fù)載加速下降，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性較差[2]。

為解決此問(wèn)題，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入負(fù)扭矩控制算法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證控制算法的有效性。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)便于學(xué)生掌握閉式液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)原理，并了解閉式液壓系統(tǒng)起升機(jī)構(gòu)的超越負(fù)載工況特性，加深對(duì)負(fù)扭矩控制算法的理解，提高動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)液壓系統(tǒng)工作原理? 閉式液壓系統(tǒng)原理如圖1所示，主要元件選型如表1所示，性能參數(shù)如表2所示。變量泵8與變量馬達(dá)14直接進(jìn)行連接，直接對(duì)變量馬達(dá)14進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，形成一個(gè)閉合的液壓回路。補(bǔ)油泵9油源作為制動(dòng)器15的先導(dǎo)油源，控制制動(dòng)器15的開(kāi)啟與關(guān)閉。系統(tǒng)油路裝有防爆閥11，主要作用是在該高壓管路爆裂時(shí)切斷油路，防止管路里的液壓油外泄，避免重物下墜[3]。

在負(fù)載起升工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)變量泵旋轉(zhuǎn)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能，輸出的高壓油流入變量馬達(dá)高壓腔，推動(dòng)馬達(dá)和卷?yè)P(yáng)旋轉(zhuǎn)，重物被提起。

在負(fù)載下降工況下，液壓油的流動(dòng)方向改變，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)方向改變。馬達(dá)的反向旋轉(zhuǎn)，不是泵的高壓油驅(qū)使的，而是負(fù)載的自重作用引起。則馬達(dá)相當(dāng)于工作在泵的工況，輸出的高壓油流入泵中，會(huì)給發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)扭矩作用。如果發(fā)動(dòng)機(jī)克服不了此扭矩，吸收不了此負(fù)功率，將會(huì)出現(xiàn)“飛車(chē)”現(xiàn)象，負(fù)載將類(lèi)似自由落體式地下降，造成事故。

為此，需要對(duì)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用相應(yīng)控制算法來(lái)調(diào)整泵排量，從而協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，避免飛車(chē)現(xiàn)象。

控制算法設(shè)計(jì)? 由此，借鑒功率極限載荷控制方法[4]，設(shè)計(jì)系統(tǒng)負(fù)扭矩控制算法。在系統(tǒng)中增加馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器。通過(guò)閉環(huán)負(fù)反饋方式對(duì)重物下降速度進(jìn)行控制，如圖2所示。

首先，將發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，根據(jù)其差值對(duì)控制變量泵排量的手柄信號(hào)進(jìn)行修正;之后，將馬達(dá)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與已修正手柄信號(hào)設(shè)定的轉(zhuǎn)速比較，將其差值模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，進(jìn)行控制器調(diào)節(jié)，輸出電流信號(hào)調(diào)節(jié)變量機(jī)構(gòu)電磁閥，從而調(diào)節(jié)變量泵排量。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)其變量泵的排量進(jìn)行控制，保證在大負(fù)載下降工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在合理范圍內(nèi)[5-6]。

3 建模仿真

系統(tǒng)建模? 根據(jù)閉式液壓系統(tǒng)起升機(jī)構(gòu)的工作原理，利用MATLAB的Simulink模塊建立閉式液壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)仿真模型，如圖3所示，手柄控制模塊仿真模型如圖4所示。

仿真結(jié)果與分析? 動(dòng)態(tài)特性的研究對(duì)象主要以馬達(dá)高壓側(cè)壓力以及通過(guò)馬達(dá)流量特性進(jìn)行分析，仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

從圖5的仿真曲線可以得出，負(fù)載在下降工況初始階

段，馬達(dá)高壓側(cè)壓力和通過(guò)馬達(dá)流量的變化波動(dòng)較大，分別達(dá)到350 bar和6.5 L/min。此時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)快，隨后出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)“飛車(chē)”和負(fù)載加速下降現(xiàn)象。馬達(dá)穩(wěn)態(tài)流量和壓力分別為11.8 L/min、55 bar。

從圖6的仿真曲線可以得出，在增加負(fù)扭矩控制算法后，馬達(dá)高壓側(cè)壓力和通過(guò)馬達(dá)流量波動(dòng)較小，并平穩(wěn)上升。這是由于通過(guò)負(fù)反饋環(huán)節(jié)，將測(cè)得的馬達(dá)實(shí)際轉(zhuǎn)速值與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速值反饋回來(lái)，實(shí)時(shí)改變手柄信號(hào)，控制變量泵排量，從而避免重物下降過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)“飛車(chē)”和負(fù)載加速下降現(xiàn)象的發(fā)生。此時(shí)，馬達(dá)高壓側(cè)壓力和馬達(dá)流量分別達(dá)到穩(wěn)定值，即55 bar、8 L/min。

4 系統(tǒng)實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)臺(tái)二維設(shè)計(jì)圖如圖7所示，所搭建的閉式液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖8所示，主要由操作室、起升卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)以及吊載起升架四部分組成。其動(dòng)力和液壓系統(tǒng)組成如圖9所示。

系統(tǒng)的壓力、流量動(dòng)態(tài)特性采用HMG3000測(cè)量?jī)x進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，相應(yīng)的壓力、流量傳感器連接在馬達(dá)高壓油路側(cè)。測(cè)量?jī)x器與測(cè)量位置如圖10所示。

測(cè)試工況的外負(fù)載為2 t，對(duì)外負(fù)載進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)，通過(guò)測(cè)試儀測(cè)試出馬達(dá)高壓側(cè)的壓力與流量特性曲線如圖11所示。從圖中可以看出，其壓力和流量值逐步達(dá)到穩(wěn)定值，分別為55 bar、8 L/min，沒(méi)有出現(xiàn)“飛車(chē)”現(xiàn)象。這與仿真模型獲得仿真曲線趨勢(shì)相近，表明系統(tǒng)中的壓力控制算法是合理有效的。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)系統(tǒng)仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已具備閉式液壓系統(tǒng)具備負(fù)載工況的實(shí)驗(yàn)條件，通過(guò)實(shí)測(cè)特性曲線，可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握超越負(fù)載工況特性。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)始終堅(jiān)持以學(xué)生為主體，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研相結(jié)合，充分發(fā)揮了閉式液壓系統(tǒng)重物下放工況實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢(shì)?；诔截?fù)載工況的閉式液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有良好的教學(xué)效果，能夠提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

參考文獻(xiàn)

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