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定量泵变转速控制差动缸系统特性的研究

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  • 发布时间:2014-10-01
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定量泵变转速控制系统是-种节能环保型液压控制系统,它融合了电动技术与液压技术的优点↑年来,日本、欧美等发达国家已经将其研究成果应用于实际。美国在飞行器机载作动系统中还率先采用了-体化 电动静液压作动器 (Electro-Hydrostatic Actuator,EHA)[1-z],法国空客A380上也首次采用了EHA E,实现了作动器通过导线的功率电传,取消了飞机上的集中液压系统源,提高了飞行器的整体性能,使飞行器的操纵和控制方式发生了巨大变化,适应了未来飞机液压系统 的发展趋势31。

差动缸是两腔面积有差的单出杆液压缸,具有输出力大、单边滑动密封的效率及可靠性高、占用空间孝制造简单、成本低等优点,所以成为应用最为广泛的线性液压执行器。但由于两腔面积有差。致使其进出口流量不相等。而引起两腔气蚀和超压现象。成为实现节能型泵控差动缸系统必须解决的首要问题。为此,国收稿日期:2012-12-10作者简介:李建国(1978-),男,山西永济人,助理工程师,硕士,现主要从事液压技术与质量管理工作。

内外学者提出了双泵控制差动缸回路以及采用液控单向阀补偿控制方案I41,-v-.I6l翻。前者无疑增加了系统成本,而后者由于采用液控单向阀补偿控制,使系统油路复杂化。为此,发展中的EHA的执行器多为双出杆对称液压缸。因此,进-步优化泵控差动缸系统具有十分重要的意义。

本文研究了两种定量泵变转速控制差动缸系统:①普通定量泵变转速控制差动缸系统,即通过电磁换向阀补偿控制差动缸两腔流量;②新配流定量泵变转速控制差动缸系统,即利用双作用叶片泵/马达的结构特点,采用新配流原理对其进行改造,将 A、B、T口分别与差动缸无杆腔、有杆腔及充压油箱连接.以实现新配流定量泵与差动缸的流量匹配。图 l是新配流定量泵的配流结构,本文利用 Matlab/Simulink软件对两种系统分别建模,并对其仿真结果进行比较分析。

图 1 新配流 定量泵 的配流结构21液压 气动 与密 封/2013年 第 O5期1 系统组成及工作原理1.1 普通定量泵变转速控制差动缸系统普通定量泵变转速控制差 动缸系统组成 如 图 2a所示 。

工作时,指令装置发出电压信号作用于系统,差动缸便输出位移或力,位移或力由传感器检测并转换为反馈电压,并与给定的电压信号比较得到偏差电压信号经计算机控制单元后传递给伺服电机调速系统,伺服电机驱动定量泵输出相应的流量作用于差动缸上,使其位移朝着减小误差的方向变化,直至位移信号与给定信号-致为止。

差动缸活塞运动过程中的流量补偿是通过检测位移偏差电压来控制电磁换向阀。当活塞杆伸出时,位移偏差电压为正值 ,可使右位电磁铁通电,差动缸有杆腔与充压油箱接通,有杆腔不足的油液可通过充压油箱提供 ,直至位移偏差电压为零,右位电磁铁断电,弹簧对中使阀芯回到中位,差动缸两腔压力保持稳定;当活塞杆缩回时,位移偏差电压为负值,可使左位电磁铁通电,差动缸无杆腔与充压油箱接通,无杆腔多余的油液可排人充压油箱,直至位移偏差电压为零,左位电磁铁断电,弹簧对中使阀芯回到中位,差动缸两腔压力保持稳定。从而在控制背压的过程中,补偿了差动缸流量的不对称。避免了气蚀、超压现象的发生。充压油箱通过两个单向阀为系统补油,防止气蚀现象发生。为了防止系统过载。设置了两个溢流阀。

1.2 新配流定量泵变转速控制差动缸系统新配流定量泵变转速控制差动缸系统组成如图2b所示 。

(a)普通定量泵变转速控制差动缸系统 (b)新配藏定量泵变转递弪制差动缸系统1-普通定量泵 2-二位三通电磁换向阀 3-单向阀4-溢流阀 5-差动缸 6-充压油箱 7-新配流定量泵图 2 两种定量泵变转速控制差动缸系统原理 图当活塞杆伸出时,有杆腔内的油液压入新配流定量泵 B口,同时,充压油箱内的油液也压人泵 T口,然后油液经泵的 A口排出至无杆腔;当活塞杆缩回时,无杆腔内的油液压人泵 A口,然后油液分别经泵 B、T口排22出至差动缸有杆腔及充压油箱,从而实现了单泵直接控制差动缸的目的,另外,在泵 T El压、排油过程中,也实现了闭式泵控系统油液的自动换热。由于没有采用阀来补偿控制流量,使系统更节能,结构更紧凑。

2 系统仿真模型的建立MATALAB自从推出 2007a版本后 .Simulink拈库中新增了机械、电气、液压等仿真拈集合(SimscapeBlockset),实现了在统-软件平台上的多物理敞模与仿真。

在 Simulink软件平台上,首先根据矢量控制原理网,采用电流内环、速度外环的双闭环调速方案建立了伺服电机 id0的矢量控制系统子模型,其次 ,利用Simscape拈库中的液压组件,建立了液压子系统模型。整个系统采用PID控制。最后,通过信号转换拈再将各模型连接。图3、图4分别是普通定量泵及新配流定量泵变转速控制差动缸系统模型。

图 3 普通定量泵变转速控制差动缸系统模型图4 新配流定量泵变转速控制差动缸系统模型3 系统仿真及分析充压油箱主要作用是为差动缸运动过程中产生的Hvdraulics Pneumatics& Seals/NO.05.2013流量差提供所需油液或储存多余的油液。充压油箱实际上可用气囊式蓄能器来代替,首先向蓄能器充人氮气,直至气体压力保持在 0.8MPa,并按系统原理图接入系统,调定蓄能器溢流阀压力为 1MPa。表 1为系统模型参数。

表 1 系统模型参数提供差动缸运动过程中所需的油液体积为:V(31 16-1526)40010-60.636L若考虑系统油液泄漏,可选取蓄能器压力最高时储存的油液为 1L,则:pl0.8MPa,pelMPa,V2V1-1若将蓄能器工作过程视为等温过程,根据 p V p:V:,则 V。5L,即为蓄能器的容积。

假设活塞杆端受负载推力为 2kN,并分别对其在3.5~4.5s和 7.5~8.5s施加 18kN的干扰推力和 10kN的干扰拉力。

符号标注说明: 为输出位移 , 为期望位移, 为差动缸输出速度,F为输出力 , 为负载力 ,P 为无杆腔压力,P 为有杆腔压力。

图5是普通定量泵变转速控制差动缸系统仿真结果,图5a是系统位移及速度响应曲线,图5b是差动缸两腔压力及力响应曲线。

- 0砖星出工 : 4- -1O8642O时间f/s(a)位移及速度响应曲线时间f/s(b)差动缸两腔压力及力响应曲线图 5 普通定量泵变转 速控 制差动缸 系统仿真结果图6是新配流定量泵变转速控制差动缸系统仿真结果,图 6a是系统位移及速度响应曲线,图6b是差动缸两腔压力及力响应曲线。

- 0时星出lO86420时间珧(a)位移及速度响应曲线:。 - 夕 、 - -t 、 ,F l堇时间f/s(b)差动缸两腔压力及力响应曲线图 6 新配流定量泵变转速控 制差动缸 系统仿真结果由仿真结果可以看出,两种系统都有较强抗负载扰动性,且稳态误差很校前者在活塞杆缩回时动态响应较快 ,但压力冲击较大,这是因为在电磁换向阀左位电磁铁通电时,差动缸无杆腔直接与充压油箱连通,使得差动缸运动过程中背压迅速减小:后者在活塞杆伸出、缩回时速度基本相同,且压力冲击较小,这是因为在差动缸运动全过程中,泵与差动缸实现了流量匹配。

4 系统消耗功率比较图7是普通定量泵和新配流定量泵消耗功率曲线比较图。

由图7可以看出,当差动缸活塞杆伸出时,两个泵的功率消耗基本-致;当差动缸活塞杆缩回时,前者消23液压 气动 与 密'/2013年 第 05期耗功率明显多于后者 ,这是因为此时后者泵的出油E1分为两个,-个接充压油箱,-个接差动缸有杆腔,从而使得泵轴负载扭矩减少,同时还实现了系统油液回油箱换热,因此,后者结构配置大大降低了系统的总装机功率。

时I闭图7 两种系统的泵消耗功率比较5 结论(1)两种系统均实现了差动缸的有效控制;(2)新配流定量泵变转速控制差动缸系统具有结构紧凑,无节流损失,可实现系统油液自动换热 ,并能对差动缸进行运动对称性控制的优点:(3)仿真结果对其进-步试验与应用研究具有-定的指导意义。

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