位移-力反馈式电比例轴向柱塞泵流量控制特性研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

38 液压与气动 2013年第 l0期DOI：10．11832／j．issn．1000-4858．2013．10．010位移．力反馈式电比例轴向柱塞泵流量控制特性研究万 畅 ，徐建江Flow Control Characteristic Research on Electro—proportional AxialPiston Pump with Displacement·-force·-feedback PrincipleWAN Chang ，XU Jian-jiang(1．塔里木大学 机电学院，新疆 阿拉尔 843300；2．新疆 自治区现代农业工程重点实验室，新疆 阿拉尔 843300；3．浙江宁波广天赛克思液压有限公司，浙江 宁波 315021)摘 要：针对电比例泵控问题，基于位移．弹簧．力反馈变量控制原理，给出了一种新型电比例轴向柱塞泵的结构，并说明其变量工作原理，该泵主要功能为电比例流量控制；建立了位移一弹簧一力反馈变量机构的数学模型；利用MATLAB／Simulink仿真该泵的电流一流量控制动态特性曲线。对样机进行了试验，电流一流量控制动态特性试验曲线与仿真曲线相符合，电流．流量控制静态特性曲线符合 ISO标准。

关键词：位置．力反馈；电比例；轴向柱塞泵中图分类号：TH137．51 文献标志码：B 文章编号：1000-4858(2013)10-0038-04引言电液控制技术有阀控和泵控两大类 J。阀控液压系统存在节流损失大、能量效率低等问题，而采用无节流损失的泵控液压技术能从根本上有效地解决节能问题 J。电液比例变排量泵实现了泵排量和控制信号的比例控制功能，在泵控液压回路中广泛应用 。

针对上述问题，给出了一种位移．弹簧．力反馈型电比例变量泵的结构，为研究该泵的电流．流量控制特性，建立了变量机构的数学模型，在 MATLAB／Simulink软件中做了仿真，并进行了样机试验。

1 电比例轴向柱塞泵的工作原理如图1所示，该柱塞泵由基泵和设于该基泵上方的变量机构组成。变量机构又包括变量活塞、变量控制阀，变量活塞和变量控制阀是通过反馈杆、反馈弹簧收稿 日期：2013436—17作者简介：万畅(1979一)，男，湖北天门人，讲师，硕士，主要从事液压与气动教学及科研工作。

检入系统。在检系统时，布管组件以自动检入的方式检人 PDM系统。布管组件不需要也不能生成物料编码。

2 结论通过对 Pro／E Piping管道模块的研究，结合现用的PDM系统，得出了一种三维布管及其数据管理的方法。依据本方法，可以比较合理地进行管道三维布管以及将管道模型与工程图检人 PDM系统中进行数据管理。

本液压管道三维布管技术可以推广到化工与船舰管道的布置。

参考文献 ：[1] 高志恒．基于三维模型的管路布置方法[J]．四川兵T学报 ，2011，(2)：153—154.

[2] 金涛，陈敏，单岩，等．用 Pro／Engineer进行化工配管设计[J]．计算机辅助设计与制造 ，1993，(3)：60—62.

[3] 于国清，李玉洁，郭骏，等．三维管路系统 CAD的设计与实现[J]．暖通空调 HV&AC，2002，(4)：79—81.

[4] 吴双，赵永旗．利用三维配管建模软件进行通信 =三维设计[J]．石油工程建设，2010，(12)：88—89.

2013年第 1O期 液压与气动 39相联。通过比例电磁铁的电磁力变化，控制阀芯的位移，从而控制进入变量活塞腔内的油液，使变量活塞左右移动，从而控制斜盘的摆动角度；与此同时，安装在变量活塞上的反馈杆来反馈变量活塞的位移，通过压缩反馈弹簧传递力给阀芯，使阀芯处于一个新的平衡位置，从而实现了泵的排量与比例电磁铁输入信号的线性比例关系。

r? 一一～ ? ～ ? 图 1 电比例变量泵工作原理 图2 变量机构的数学模型建模基于如下假设_4 J：系统中所用弹簧质量为零，不计管路中的流动损失，油箱的表压力为零，系统中所有的控制阀均为零开口阀。如图 1所示，分析系统封闭容腔为 ，包括变量活塞容腔、变量活塞和变量控制阀之间的容腔。变量活塞容腔在工作过程中是变化的，随着活塞位置的不同，容腔的大小也不同。

流经变量控制阀口流量方程经过线性化，并进行拉氏变换 ：Q (s)=K。 (s)一Kcp (s) (1)式中，Q (s)为流人变量控制阀的流量 q 对应的拉式变换；K 为流量增益；Kc为阀的流量一压力系数； (s)为阀口开口量 对应的拉式变换；p ．(s)为变量活塞腔的压力P。．对应的拉式变换。

流经变量控制阀口的流量即容腔 的流量，此流量连续性方程：g 鲁+ +CplP (2)式中，q 为流入变量控制阀的流量；E 为与压力有关的液压油弹性模量 ；C ．为泄漏系数； 为变量活塞的行 程；A 为控 制活塞面积 ；p 为变量 活塞腔 的压力。

系统封闭容腔体积：= +A 。 (3)式中， 为变量活塞的初始容积，假定活塞位移很小，即l A1 。I<< ，则 ，将上式代人后得到：c 鲁+ ㈩式(4)其增量的拉式变换为：Q (s)：A1 sX (s)+ 印 (s)+CplP (s) (5)2．1 变量活塞的数学模型变量活塞的力平衡方程为：+ 鲁 (6)式中，P 为变量活塞腔压力；A 为变量活塞面积；F为斜盘作用在变量活塞上的力； 为变量活塞质量为变量活塞与活塞套之间的粘阻系数； 为变量活塞行程。

斜盘的力矩平衡方程为：F r0=K1 FoX。+P A2r0 (7)式中， 为反馈弹簧的刚度；ro为变量活塞中心到泵中心的距离，复位缸活塞中心到泵中心的距离也是 r0；为反馈弹簧的压缩量， = 。；p 为泵出口压力；A为复位活塞的面积。

将 ：。= 。代人上式(7)后得：Fwa=K1 。+P A2 (8)将式(8)代人式(6)后得：Az + 鲁 (9)将式(9)线性化并拉氏变换可以得到：PL(s)A1=(M。s +As+K1) 。(s)+P (s)A2(10)由式(1)、(5)、(1O)消去中间变量 Q (S)、P (S)，可得活塞的输出位移为：X p 一等( +丧s)ps(s，A2]／矗s3+ 。+ 矗( + 。+等+ )s+(Gpl 筹](11)液压与气动 2013年第 l0期式中， ： +c ，通常 ≥<<1，c ．<1，则上式(11)可简化为：一 等( + Vo s)ps(s 】／V o
s3 +。
+ 螽(1+A 2 K )s+K ] (12)~EI2．2 变量控制阀的数学建模图2中， 是圆孔阀口实际开 口量； 是阀口直径。单个圆孑L阀口的通流面积 A ( )是一个弓形面积 ．可 得 .

= 譬[arc0s( 一 卜2(t一 )√≥一(鲁) ] c ，此阀实际共有 4个圆孔、4个弓形面积为 A( )= 4A (X )，全部弓形面积梯度为：= 等 =8 √ 一(詈) =8瓣 (14)变量控制阀为双边滑阀，它与变量活塞构成了三通阀控缸。其压力流量方程式为：当 v≥0时，g =cd v√ L (15)当 v≤0时，吼一Ca v√吾(ps—p )(16)式(15)、(16)中，q。 为圆孔阀口流量；C 为流量系数；P为为液压油的密度；p 、P 分别为泵出口压力和变量活塞腔的压力。

圆孔阀口的流量增益：Kq=乳圆孔阀VI的压力增益：『 [南]圆孑L阀口的流量一压力系数：=乩Kq 8ca 瓜 一(阀芯的力平衡方程为：K ’i一0．57Wx (P 一PI )一LCdW~／2p(p 一P[ )d d ddt +／ +Klxp十 +K (20)式(20)中，K 为电磁铁的电磁力比例系数；i为通入电磁铁的电流； 为进油窗口与控制窗口问的距离； 为阀芯的质量；厂为阀芯运动的粘性阻力系数；K 为反馈弹簧的刚度； 为预压缩弹簧的刚度；左边第一项是电磁力，第二项是稳态液动力，第三项是瞬态液动力；右边第一项是质量惯性力，第二项是阀心运动的粘性阻力，第三项是反馈弹簧的弹簧力，第四项． 为反馈弹簧的预压缩力，第五项是预压缩弹簧的弹簧力。

忽略瞬态液动力，将式(20)线性化后，托氏变换可以得到 ：Ki‘，(S)一g [P (S)一P (S)]=[MfS + +k + ] (S)+K1 (S) (21)式(21)中，g1=0．57Wxvo，k =0．57V／(pso—P J)，其中 们为平衡位置处阀口开口量；p∞、P。分别为阀芯处于平衡时的泵出口压力和变量活塞腔的压力。

3 仿真与样机试验结果表 1 仿真及样机主要参数参数名称 参数值反馈弹簧刚度 K，／N·mm 1．216变量控制阀预压缩弹簧刚度 ／N·nlnl 21．938变量活塞面积A ／m 6．026×10变量活塞初始容积 Vo／m 5．735×10复位活塞面积A2／m 1．327×l0I4变量活塞质量 M ／kg O．17变量活塞中心到泵中心距离Fo／rn 0．075反馈弹簧预压缩力U,／N 7．32013年第1O期 液压与气动 41(续表)参数名称 参数值变量控制阀阀芯的质量 M ／kg 0．035电磁铁的电磁力比例系数 K；／N·A 88．28变量控制阀阀口直径 d／m 4×10一泵出口压力Ps／MPa 103．1 仿真分析利用 MATLAB／Simulink软件建立动态数学模型，如图3所示。

图3 电比例变量泵数学模型封装结构图4是泵出口压力P 为 10 MPa，输入频率为0．1Hz的脉冲信号，输入电流为 550 mA时的仿真曲线。

动态响应时间为 125 ms，最大超调量为7％。

图4 电比例变量泵动态仿真 曲线3．2 样机试验根据ISO17559．2003{~液压传动．电气控制液压泵测定特性的试验方法》对电控泵进行试验。图5是泵出口压力P。为 10 MPa，输入频率为 0．1 Hz的脉冲信号，输入电流为 550 mA时测试获得的动态性能曲线。

动态响应时间为 150 ms，最大超调量为9％。对比图4和图 5曲线，在相同的给定参数下，仿真与实际的试验曲线接近。

图 5 电比例变量泵动态测试 曲线静态性能测试时，泵最大排量71 mL／r，驱动电机转速 1500 r／min，泵出口压力 P 为 10 MPa。图 6显示：该电比例泵随电流 100 mA到 600 mA变化，泵输出流量从 0到 106 IMmin成线性变化，最大滞环为3．8％，符合 IS017559-2003电控泵的滞环小于 5％的要求。

10O90807O‘ 20l0