力士樂A4VHS4電子泵仿真研究

王 銳

(中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司 液壓研究設(shè)計院，湖南 長沙 410000)

0 引言

工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中常用到流量、功率及壓力復(fù)合控制的液壓泵，相較于定量泵，這種泵具有更好的節(jié)能、防功率超、流量補(bǔ)償?shù)忍攸c，因此得到廣泛應(yīng)用。常見的力士樂A10VDFLR和A11VLRDU系列、派克PV/MLPV系列、川崎K3VDT和K5VDT系列等均是通過液壓閥及機(jī)械變量反饋裝置實現(xiàn)復(fù)合控制。其中A11VLRDU的流量[1，2]和川崎K3VDT、K5VDT[3，4]的功率調(diào)整采用了電比例，但在恒功率控制上A10VDFLR和K3V、K5V均采用了雙彈簧的結(jié)構(gòu)，其恒功率曲線是兩條折線，并不能保證嚴(yán)格的雙曲線[5-7]；A11VLRDU和PV/MLPV恒功率控制由于采用了杠桿和內(nèi)雙曲線變量活塞的特殊機(jī)械變量反饋裝置，其恒功率控制精度較好，但其壓力、流量的控制精度一般。唐維定[8]研究了一種變頻系統(tǒng)和A10V定量泵的組合裝置，具有工作效率高、動作靈敏并能夠使功率等于恒值，但成本較高。隨著大直徑泥水盾構(gòu)的出現(xiàn)，為滿足其推進(jìn)系統(tǒng)中對壓力、流量、功率的要求，力士樂A4VHS4電子泵因其控制響應(yīng)快、控制精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)被廣泛應(yīng)用其中。與常用液壓泵相比，電子泵采用電反饋控制，使得其具有閉環(huán)控制精度高、頻響快和恒功率曲線能保證嚴(yán)格雙曲線等優(yōu)點，從而被得到推廣。然而，對于這種電子液壓泵，其控制原理、控制方式國內(nèi)研究較少，其產(chǎn)品尚屬空白[9]，因此了解掌握電子泵原理技術(shù)對于廣大相關(guān)技術(shù)和科研人員在電子泵產(chǎn)品選型、系統(tǒng)設(shè)計及故障診斷等方面具有重要指導(dǎo)意義。

計算機(jī)仿真技術(shù)的出現(xiàn)很好地提高了研發(fā)效率，減少了研發(fā)成本，如盧寧等[10]應(yīng)用AMESim軟件對雙壓力柱塞泵進(jìn)行了建模與仿真，得出了其動態(tài)特性；陳海泉等[11]基于ITI-SIM軟件對液壓泵和馬達(dá)的能量和扭矩進(jìn)行了仿真分析；王勇剛[12]對SWEl5挖掘機(jī)柱塞泵在軟件中進(jìn)行建模，并得出挖機(jī)復(fù)合動作過程不協(xié)調(diào)的原因。本文在分析力士樂A4VHS4電子泵結(jié)構(gòu)原理的基礎(chǔ)上，在AMESim中搭建出仿真模型，分析得出電子泵的動態(tài)響應(yīng)特性，以掌握此類泵的特性。

1 力士樂A4VHS4電子泵結(jié)構(gòu)與控制原理分析

1.1 力士樂A4VHS4電子泵結(jié)構(gòu)

力士樂A4VHS4電子泵的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)原理如圖1所示。

1-泵軸；2-搖擺座；3-斜盤;4-回程盤；5-柱塞；6-缸體;7-配流盤；8-變量活塞；9-斜盤擺角傳感器；10-伺服閥;11-VT控制器;12-壓力傳感器

VT控制器11一般單獨安裝在電氣控制柜中作為控制核心。S為電子泵進(jìn)口，B為電子泵出口，P為電子泵先導(dǎo)口，R(L)為電子泵泄油口，其余接口為工藝口或備用口。伺服閥10自帶閥芯位移傳感器，閥芯位移信號轉(zhuǎn)換為0～10 V電壓輸入到控制器11；電子泵流量通過斜盤擺角傳感器9計算、壓力信號通過壓力傳感器12轉(zhuǎn)換成0～10 V電壓輸入到控制器11；伺服閥10自帶閥芯位移反饋，并形成小閉環(huán)，以提高伺服閥控制精度；控制器11的接口可進(jìn)行壓力、流量、功率參數(shù)的設(shè)定，由外部PLC或電位器0～10 V信號輸入設(shè)定。

力士樂電子泵的輸出流量Qf為：

(1)

其中：dz為柱塞直徑；Z為柱塞數(shù)；N為主軸轉(zhuǎn)速；γ為斜盤擺角；R0為柱塞分布圓半徑；α為柱塞旋轉(zhuǎn)角。

變量活塞位移Xf為[13]：

(2)

其中：L和β分別為變量活塞作用點到斜盤中心的長度和夾角。

由式(1) 和式(2)可知，通過斜盤擺角γ可計算出電子泵實際輸出流量Qf和變量活塞位移Xf。

1.2 電子泵控制原理

根據(jù)A4VHS4電子泵結(jié)構(gòu)得出其控制原理，如圖2所示。其中，Pwst、PQst、Ppst分別為電子泵功率、流量和壓力設(shè)定信號；Ppf1、Ppf2、Ppf分別為電子泵S口、B口壓力和工作壓力反饋信號；F1(x)、F2(x)、DG419分別為絕對值、最小值選擇、信號選擇功能器。

由于電子泵也可做閉式泵，故將Ppf1與Ppf2通過比較得出較大值Ppf，以此作為PID_1的反饋值，并形成第一個閉環(huán)。Ppst由外部輸入(通常是電位器)至PID_1，同時Pwst除以壓力反饋信號后得到的流量值與PQst進(jìn)行比較，將流量較小值作為PID_2的流量信號設(shè)定值，而Qf作為PID_2的反饋信號形成第二個閉環(huán)?？刂破髟诒容^壓力偏差與流量信號偏差后，偏差小的輸出到PID_3作為設(shè)定值，并作用于伺服閥，而斜盤擺角γ作為伺服閥反饋信號形成第三個閉環(huán)。由此可知：

(1) 當(dāng)電子泵的實際功率和壓力偏差大于流量信號偏差時，流量信號PQst起作用，即PID_2與PID_3發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，泵進(jìn)入流量環(huán)(恒流模式)。

(2) 而當(dāng)功率偏差小于流量和壓力偏差信號時Pwst起作用，即流量設(shè)定變成了功率限制下的流量，仍是PID_2與PID_3發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，泵進(jìn)入功率環(huán)(恒功率模式)。

(3) 當(dāng)壓力偏差最小時，Ppst起作用，PID_1與PID_3發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，泵進(jìn)入壓力環(huán)(恒壓模式)。

圖2 A4VHS4電子泵控制原理

2 AMESim`中電子泵的模型搭建及仿真分析

根據(jù)電子泵的工作原理在AMESim中搭建電子泵的模型,如圖3所示。

圖3 A4VHS4電子泵在AMESim中的模型搭建

2.1 A4VHS4電子泵模型參數(shù)設(shè)置

根據(jù)泥水盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)及電子泵結(jié)構(gòu)設(shè)置如下參數(shù)：

(1) 電子泵：轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，排量為71 mL/r，額定壓力為30 MPa，流量為103 L/min,額定功率為51.5 kW。

(2) 先導(dǎo)泵：恒壓變量泵，轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，排量為5 mL/r,壓力設(shè)定為10 MPa。

(3) 電子泵變量活塞：重量為5 kg,庫倫摩擦力為1 200 N/(m/s),行程為0～20 mm。

(4) 電子泵伺服閥：頻率為80 Hz,阻尼比為0.8，輸入信號為4 mA～20 mA。

2.2 三種控制模式的輸入?yún)?shù)設(shè)置

三種控制模式下的輸入?yún)?shù)設(shè)置如表1所示。

表1 三種控制模式下的輸入?yún)?shù)

2.3 三種控制模式下的仿真結(jié)果

輸入?yún)?shù)后得到的仿真結(jié)果如圖4～圖9所示。

從圖4、圖6和圖8可看出，電子泵僅需0.3 s就可達(dá)到所需的流量、壓力、功率設(shè)定值，可見其反應(yīng)較快，操控性好；同時穩(wěn)態(tài)誤差控制在5%以內(nèi)(精確度高)，振蕩小(穩(wěn)定性強(qiáng))，便于實現(xiàn)復(fù)合控制。從圖9可看出，恒功率模式下，壓力與流量與雙曲線較為接近，說明電子泵的功率控制性能較好。

3 結(jié)論

本文通過對力士樂A4VHS4電子泵進(jìn)行結(jié)構(gòu)原理分析，并在AMESim軟件中搭建了仿真模型，得到以下結(jié)論：

(1) 電子泵控制器時刻在比較壓力偏差與流量信號偏差，將兩者中值小的作用于伺服閥。

(2) 當(dāng)電子泵的實際功率和壓力偏差大于流量信號偏差時，泵進(jìn)入恒流模式。

(3) 而當(dāng)功率偏差小于流量和壓力偏差信號時，泵進(jìn)入恒功率模式。

(4) 當(dāng)壓力偏差最小時，泵進(jìn)入恒壓模式。

(5) 三種模式中，電子泵的響應(yīng)均極快，穩(wěn)定性較好，精確度高。

圖4 恒流模式下的流量響應(yīng)曲線 圖5 恒流模式下的壓力響應(yīng)曲線 圖6 恒壓模式下的壓力響應(yīng)曲線

圖7 恒壓模式下的流量響應(yīng)曲線 圖8 恒功率模式下的功率響應(yīng)曲線 圖9 恒功率模式下的壓力與流量響應(yīng)曲線