多舉缸液壓起豎系統(tǒng)的同步升舉設計

洪學峰,李承宇,王勒銘,王 崴

(1. 空軍工程大學研究生院,陜西 西安 710051;2. 武漢理工大學機電工程學院,湖北 武漢 430070;3. 空軍工程大學防空反導學院,陜西 西安 710051)

1 引言

在實際的工程中,液壓的起豎裝置往往不是用一個液壓缸進行舉升工作,而是由多個液壓缸配合共同完成對目標物的升舉工作。對于多舉缸的液壓起豎裝置,首先要保證的就是實現(xiàn)多個舉缸的同升同降,即要保證每個液壓舉缸起豎的速度要保持一致。但是,現(xiàn)實的工程里,多舉缸的起豎系統(tǒng)的目標物的質量分布不一定均勻,這樣就使得不同液壓舉缸上的負載大小也不相同。而且,即使目標物是質量分布均勻的物體,其在進行起豎工作的進程中不可避免的也會有外部的干擾,這樣仍然會對多舉缸的起豎過程造成影響,同樣會使得不同的液壓舉缸上的負載大小會有不同。當液壓舉缸上的負載不同時,勢必會導致舉缸的升舉速度不同,這樣就會導致目標物無法按原有設想的運動過程進行舉升,嚴重的還會導致目標物變形、撕裂、掉落,甚至會使整個起豎裝置損害報廢,產生極大的危險,造成不可挽回的經濟損失和人員傷亡。針對此種情況,設計一種同步回路應用在多舉缸的液壓起豎系統(tǒng)上,用于解決不同液壓舉缸上負載不同導致的舉缸的升舉速度不同的問題。

2 智能調節(jié)式液壓同步回路設計[1]

首先,對問題先明確化。要解決的問題是,由于多舉缸液壓起豎系統(tǒng)升舉的目標物應附加在不同舉缸上的負載的差異,引起的舉缸的升舉速度差異,使得同一時間下目標物不同位置的舉缸的升舉位移不同,從而導致升舉工作失敗,產生極大危險。然后再對問題的分析,可知引起升舉工作失敗的直接原因是液壓舉缸的升舉位移不同,產生位移不同的原因是因為不同舉缸的升舉速度不同從而在同樣的時間下舉缸的運動位移有所差異,而導致速度不同的原因是不同舉缸的附加負載不一樣。最后面對分析的結果,要想解決這一問題無非從一下幾個方面入手。第一,解決不同舉缸的負載不同問題。第二,解決在不同負載的條件下,舉缸舉升速度不同的問題。第三,改變不同舉缸作用的時間,即在不同舉缸的速度不同的條件下,保證在同一的時間中舉缸的舉升位移相同。

在現(xiàn)實的工程中,要想保證不同的液壓舉缸的負載保持相同是很困難的,通過對舉缸補充負載的方式在面對較重的目標物就很浪費能量,而且此種方法在受到外界干擾時極易失效。而要使不同負載下舉缸速度一致,通常是通過對負載大、速度慢的舉缸補充能量,這樣造成的能量損失不說,多舉缸上負載差異多樣,這就對補充能量損失的控制系統(tǒng)要求很高了,所以此方案并不容易實現(xiàn)。而改變不同舉缸的作用時間的方案,操作簡單,控制方便,抗干擾和穩(wěn)定性也能滿足工作需求。綜上所述,面對此問題,解決方案定為通過改變不同舉缸的作用時間來保證在同一時間下舉缸的舉升位移相同。

2.1 具體設計方案[2]

此設計的設計思想簡單論述為:當負載小、速度快的液壓舉缸的舉升位移超過了負載大、速度慢的舉缸時,控制裝置通過切斷供油路停止對速度快的液壓舉缸供油使得速度快的舉缸停止舉升動作,直到速度慢的液壓舉缸的舉升位移與速度快的舉缸一致時,控制裝置才會再次接通供油路。以此循環(huán)保證各個液壓舉缸的舉升位移保持一致。

那么面向本文所設計的具體的方案時,其方案的工作原理為:由于不同液壓缸負載存在差異,造成液壓缸位移的不同步,該不同步經過測試,同樣體現(xiàn)在伺服閥出油口壓力的不同步,因此可以通過智能電磁比例換向閥測量壓力差,反饋給計算機進行閉環(huán)控制,算法流程圖如圖1所示。

圖1 設計算法流程

其液壓同步控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示,智能電磁比例換向閥中的壓力傳感器檢測壓差信息,傳送給數(shù)字計算機進行信息比對、信息處理,然后將反饋信息輸送給智能電磁比例換向閥進行相應的伺服調節(jié)。

圖2 液壓同步控制系統(tǒng)原理圖

2.2 基于AMESim的建模與仿真[3-5]

為了驗證此設計理念的可行性,對設計的智能調節(jié)式的液壓同步系統(tǒng)進行基于AMESim的建模與仿真。

由于此仿真是為了驗證兩個液壓舉缸的同步效果,所以在不影響同步效果的前提下,對AMESim建模進行了一些簡化。采用了Signal、Mechanical和Hydraulic庫中的模塊進行搭建,根據文中論述,建立整體系統(tǒng)液壓原理模型如圖3所示。

圖3 液壓同步回路AMESim仿真模型

在元件參數(shù)設定時,由于管道較短,則可忽略液壓系統(tǒng)中的管道效應。設置仿真時間為10s,通信間隔為0.001s。各模型元件主要參數(shù)如下:

1)負載與液壓缸等效質量M=100kg;

2)液壓缸負載壓力差ΔF=50N;

3)液壓缸初始位置為中位X=0.15m;

4)閥節(jié)流孔通量均為20L/min;

5)泵轉速為1000r/min,排量為100cc/r,動力源轉速為1500r/min;

6)溢流閥壓力設定為150bar。

基于上述內容進行仿真,得出的仿真結果如下:

當不用上述的設計的智能調節(jié)舉缸同步的系統(tǒng)時,可得如圖4所示的仿真結果。結果顯示系統(tǒng)存在較大的壓力差,且位移曲線存在明顯的不同步。

圖4 普通的同步回路中不同負載下位移曲線和壓力曲線

使用本文設計的智能液壓調節(jié)同步系統(tǒng)進行仿真后,結果如圖5所示,可以明顯看出位移曲線以及壓力曲線有著明顯的趨近。

圖5 本文設計下不同負載下位移曲線和壓力曲線

對仿真結構進行分析,可以得出使用了本文設計的智能液壓調節(jié)同步系統(tǒng)后,確實可以做到在不同的負載下液壓舉缸的同步升舉,但是其同步控制的過程中存在一些明顯的系統(tǒng)震蕩與沖擊。在計算機控制智能電磁換向閥通斷的過程中,其在由通到斷或由斷到通的時候會產生較高的流量脈沖和壓力脈沖。這種流量和壓力脈沖會大量的浪費能量,還會因為脈沖而導致這個系統(tǒng)的相應變得不準確,而且脈沖本身就會對系統(tǒng)的硬件造成一定的損傷,影響系統(tǒng)的壽命。為了解決這一問題本文做出了如下的設計補充。

3 液壓軟開關設計

通過電路上使用電路軟開關解決電壓和電流脈沖的啟發(fā),本文設計一種適用于液壓的液壓軟開關以解決在液壓的回路中由于壓力脈沖和流量脈沖導致的能量損失和系統(tǒng)響應不及時、不準確的問題。

3.1 液壓軟開關工作原理及其數(shù)學模型[6,7]

液壓軟開關的工作原理與電路中的軟開關的工作原理類似。液壓軟開關是通過液容(C)、液阻(R)、液感(L)到達電路中電容(C)、電阻(R)、電感(L)的控制效果。為了更直觀的闡述液壓軟開關控制的原理,更方便理解,本文對其控制過程建立數(shù)學模型。首先,因只對液壓軟開關的工作流程和使用效果進行探究,所以只需要建立一個基本的液壓軟開關控制單元來探究即可,去除其他的不必要的元器件,在不影響軟開關的工作效能的前提下簡化回路,得出一個最基本的控制單元為圖6所示。

圖6 軟開關基本控制單元

液壓軟開關整個控制過程分為四個狀態(tài)。

第一狀態(tài)與第二狀態(tài)的情況如表1、表2所示。

表1 第一狀態(tài)表

表2 第二狀態(tài)表

第一狀態(tài),為系統(tǒng)的一般狀態(tài)。

第二狀態(tài),液壓RLC參與到為系統(tǒng)提供流量的工作中,此時系統(tǒng)的流量為液壓泵與RLC共同提供。此情況下軟開關基本控制單元的流量關系如圖7所示,而液壓RLC中的流量時間變化圖如圖8所示(該階段液壓RLC產生的流量為紅色部分所示)。

圖7 軟開關基本控制單元

圖8 液壓RLC中時間—流量圖

第三狀態(tài)的情況較為復雜,此時軟開關基本控制單元的流量關系與液壓RLC中的流量隨時間變化如圖9,10所示。

圖9 軟開關基本控制單元

如圖10所示,整個第三狀態(tài)的要分成三個階段來進行描述。為了跟清晰的表達出三個階段的過程與關系,做出表3對第三狀態(tài)進行梳理、總結。

表3 第三狀態(tài)具體情況分析表

圖10 液壓RLC中時間—流量圖

第四狀態(tài)的情況如表4。

表4 第四狀態(tài)表

4 液壓RLC的建模與仿真[8]

首先,確定出液壓RLC的參數(shù),經過幾次建模、仿真的試錯,最終確定螺旋線半徑為28mm,高度為11.5mm。液感半徑為3mm,長度為87.5mm。液容容積為0.85L。按此參數(shù)建出的三維模型如圖11所示。

圖11 液壓RLC三維模型

其次,確定回路中所用液壓油的密度為860kg/m3。

動力粘度為20.5×10-6m2/s。最后,將輸入壓力規(guī)定為一個入口初速度為1.204m/s的正弦壓力。在明確以上的參數(shù)后,依據以上數(shù)據做出仿真,得出設計的液壓RLC的仿真結果如圖12所示。

圖12 液壓RLC中的流量—時間圖

5 液壓軟開關應用于液壓系統(tǒng)的仿真結果[9,10]

為了驗證液壓軟開關是否具有實際的功能性。下面,將液壓軟開關應用到液壓系統(tǒng)中去,并對液壓系統(tǒng)進行仿真,依據仿真結果分析出運用液壓軟開關后的實際效果。對運用液壓軟開關的液壓系統(tǒng)圖如圖13所示。

圖13 液壓系統(tǒng)圖

液壓系統(tǒng)的仿真過程與之前在分析液壓軟開關的基本控制單元的數(shù)學模型的建立過程相似。具體流程如圖14所示。

圖14 液壓系統(tǒng)工作流程圖

通過仿真結果,可以得出在液壓系統(tǒng)如果運用了液壓軟開關,那么其中幾個閥通斷的過程里其功率隨時間的變化如圖15所示。

圖15 加入軟開關后液壓系統(tǒng)功率圖

那么,接下的仿真就是去除液壓軟開關采用一般的硬開關后,同樣的液壓系統(tǒng)再進行一次仿真,同樣得出幾個閥在通斷的過程中其功率隨時間的變化如圖16所示。

圖16 沒有加入軟開關時液壓系統(tǒng)功率圖

通過兩個時間—功率圖,可以很明顯的看成,運用了液壓軟開關后液壓系統(tǒng)的功率消耗最大的點其功率為78W,整個過程中液壓系統(tǒng)消耗的功為559J,而去除了軟開關后,液壓系統(tǒng)的功率消耗最大的點其功率為170W,整個過程中液壓系統(tǒng)消耗的功為1397J。通過數(shù)據,可以很明顯的得到在液壓回路中運用液壓軟開關具有很大的節(jié)能性,對液壓系統(tǒng)工作過程中瞬時的壓力和流量脈沖也有很好的減緩作用。

6 總結

總結整個設計過程,為了解決在不同的負載條件下,多舉缸的液壓系統(tǒng)舉升的同步性設計了一種智能電磁換向閥,通過控制不同舉升速度的舉缸供油回路的通斷來調節(jié)多個舉缸的舉升位移,實現(xiàn)在同一時間條件下多舉缸舉升位移的一致性。同時,為了解決在智能電磁換向閥控制回路通斷的過程中,由于回路的頻繁通斷而產生的壓力脈沖和流量脈沖,導致出現(xiàn)能量損耗、響應不及時等問題。設計了一種用于液壓系統(tǒng)的軟開關,通過仿真結果顯示,液壓軟開關參與液壓系統(tǒng)后對以上問題的改善具有明顯的積極作用。