恒压变量泵系统的电液数字控制研究

恒压变量泵系统的电液数字控制研究

Ξ

刘　忠1,杨襄璧1,伍劲松2,张　新3

(11中南工业大学机电工程学院液压工程机械研究所,长沙市410083;21株洲工学院;31长沙矿山研究院)

摘要:本文研究了一种基于高速开关阀控制的恒压变量泵系统,通过理论与试验研究表明,这种系统具有结构简单、响应迅速、控制精确等特点,为今后液压系统电液数字控制的发展提供了理论基础和技术指导。

关键词:恒压变量泵;高速开关阀;变量机构;压力控制系统;数字控制

0　恒压变量泵的工作原理

系统压力p 作用于滑阀右端,与其左端的调压弹簧相平衡,当压力因负载变化使平衡破坏时,若压力作用大于调压弹簧的调定力,便使滑阀向左偏离平衡

位置,压力油液进入变量缸的大端,移动泵的斜盘机构,减少泵的输出流量,因而使负载压力即系统压力

p 降低,该压力反馈至滑阀右端,直至达到重新平衡,

即阀口关闭为止。反之,如果压力作用小于弹簧的调定力,则滑阀由弹簧作用而向右偏移,将液压缸大端泄压,由小端压力作用使泵的斜盘机构反向移动,增加泵的输出流量,因而系统压力上升,直至使滑阀与调压弹簧相平衡为止。这种自动调压过程会使系统压力p 不随负载变化而保持一个恒定值(即调定值p t )。当泵的工作压力p 不超过其调定压力p t 时,泵以最大流量Q max 工作,如特性曲线AB 段;当泵的工作压力

p b =p t 时,泵可以在Q =0至Q =Q max 任意流量下工

作,如特性曲线BC 段;当负载过大,要求p 超过p t 时,泵便停止输出流量,不能在p >p t 下工作。恒压变量泵工作原理如图1所示

:

(a )液压原理(b )压力流量特性

图1　恒压变量泵工作原理图

1　恒压变量泵电液控制系统

要实现恒压变量泵的自动调节,必须满足其输出压力在模拟电信号控制下的无级变化输出。电液伺服

阀、电液比例阀和高速开关阀控制系统均能实现无级调节输出控制。电液伺服阀是一种应用历史较长的高精度控制阀,在电液伺服控制中,能达到很高的控制精度,但工作环境要求苛刻,要求油液清洁度相当高,其价格也很昂贵;电液比例阀是60年代发展起来的一种电液控制阀,其控制精度能满足一般比例控制要求,价格较伺服阀便宜,但需要各种复杂的比例放大电路,对油液清洁度也有较高要求;高速开关阀是近年来美

国、日本、德国等国研究开发出的一种新型电液控制阀,它是通过脉冲宽度调制(PW M )信号(一般由计算机或PW M 放大器产生)来控制阀的开启和关闭时间,即通过控制调制率(D =T on /T c )的大小来实现流量或压力的比例控制。它的控制方式较伺服阀、比例阀简单得多,特别适合于计算机控制,是实现电液数字控制的最佳方式之一。它的显著优点还有对油液清洁度要求不苛刻、抗污能力强、响应速度快、结构紧凑、工作可靠、重复性好、寿命长以及价格便宜等,因此具有广阔的应用前景。本文把高速开关阀应用于恒压变量泵输出压力的控制系统中,泵的输出流量则由其与负载的耦合特性决定。恒压变量泵的电液控制系统原理如图2所示

。

11恒压变量泵　21溢流阀　31压力传感器41压力传感器　51高速开关阀　61油源

图2　泵的电液控制系统原理图

在上述系统中,以高速开关阀作为先导控制阀,压力传感器3、4采样得到的压力信号通过数据采集卡(带A/D 、I/O )传输给计算机,计算机(单片机)经过比较计算产生的PW M 矩形调制波控制高速开关阀,高速开关阀的产生的先导压力信号又直接作用于恒压变量泵的调压变量机构,因此,可根据其输出先导压力的不同来达到调节恒压变量泵的输出压力的目的。由于高速开关阀压力控制回路具有比例控制的功能,通过简单的电液数字控制系统就能够实现对其压力的比例控制,并且高速开关阀具有数模(D/A )转换的功能,因此,应用它作为接口元件,计算机就可以直接控制恒压变量泵的输出压力,实现恒压变量泵输出压力的无级变化调节以满足不同液压控制系统的工作要求。

Ξ

本谭题获国家自然科学基金资助(批准号:59875085)

2　高速开关阀控制的恒压变量泵系统数学模型根据上述控制原理,参看图1、图2和图3,可构建阀控泵系统的力学模型,在这个模型中,高速开关阀和经过改造后的调压缸构成一个半桥式液压控制系统,高速开关阀的输出压力通过调压活塞作用于恒压泵的调压变量机构,根据工作需要,无级调节恒压变量泵的压力输出。为简化分析,作如下假设:

①高速开关阀的供油压力p s为常量;

②系统中小管道油液的非连续性影响忽略;

③恒压泵输油的不连续只影响泵的高频压力脉动,而不涉及恒压泵的瞬态响应过程;

④流量扰动足够小,斜盘在约束边界以内运动。

阀控泵系统数学模型如下:

(1)高速开关阀压力流量特性方程

q1=Ca1

2(p1-p k)

ρ

q2=Ca2

2(p k-p2)

ρ

a1=

πd

1h0x i(1+x i/(2h0))

(d1/2)2+(h0+x i)2

a2=

πd

1h0(x m-x i)(1+

x m-x1

2h0

) (d1/2)2+(h0+x m-x i)2 h0=R20-(d1/2)2

(2)调压腔流量连续性方程

q1-q2=V k d P k E d t

(3)控制阀力平衡方程

由牛顿定律,可分别导出控制阀芯和调压活塞力平衡方程式:

m1d2x

d t2

+B1

d x

d t

+K1x=A1p

m2d2x

d t2

+B2

d x

dt

-K1x=-A2p k

(4)变量活塞运动学方程

y=K q A d

x

K q=0165πd3gp ρ

(5)恒压变量泵输出流量方程

Q=π

4

d22ωR1

zy

πL

(6)恒压变量泵输出压力方程

Q-Q f-C L p=V

EΣ

d p

d t

C L=C s q T max 2πμ0

以上各式中:

q1,(q2%)—阀从P→A(A→T)的流量(m3/s);p1(p2)—进(回)油管路压力(MPa);p k—控制腔压力(MPa);C—阀的流量系数;ρ—油液密度(kg/m3); d1—阀孔座直径(m);a1—阀P→A的开口面积(m2);a2—阀A→T的开口面积(m2);x i—阀芯位移(m);V k—控制腔体积(m3);E—油液的体积弹性系数(N/m3);R—钢球半径(m);m1—控制阀和弹簧的当量质量(kg);m2—调压活塞质量(kg);K1—调压弹簧刚度(N/m);A1—控制阀受压端面积(m2); A2—调压活塞受压端面积(m2);x—控制阀开口量(m);B1—控制阀粘性阻尼系数;B2—调压活塞粘性阻尼系数;p—泵的输出压力(MPa);p k—控制腔压力(高速开关阀的输出压力)(MPa);y—变量缸活塞位移(m);K q—滑阀的流量增益;d2—滑阀直径(m);g—重力加速度(m/s2);d3—柱塞直径(m);

A d—变量活塞大端面积(m2);Q—恒压变量泵输出流量(m

3/s);z—柱塞个数;R

1

—柱塞分布圆直径(m);ω—泵的转速(rad/s);Q f—负载流量(m3/s); V—变量活塞压力腔及排油管容积(m3);L—销轴中心至斜盘转动轴线的最短距离(m);EΣ—油液及敏感腔总弹性系数(N/m3);C s—层流漏损系数;C L—变量缸漏损系数;q T max—泵的最大排量(m3/r);μ0—油液粘度(Pa1s)。

3　实验研究

本实验采用邵阳液压件厂生产的80PCY14-1B型恒压变量泵,对其调压变量机构进行了简单的改造,将其手动调压螺钉去掉,利用现有的调压螺纹接口,设计一个带有调压活塞的螺纹接头与之联接,通过胶管引入高速开关阀的控制压力油直接作用于调压活塞,使作用于活塞上的液压力与调压弹簧力等价,从而满足通过计算机控制高速开关阀进而直接控制恒压变量泵输出压力之目的。经改造的恒压变量泵调压变量机构如图3所示。

11调压接头21调压活塞31调压弹簧41调压阀体51弹簧座

图3　改造后的泵的调压变量机构

实验中应用的高速开关阀是由贵州红林机械厂研制的HS V-3143C2型二位三通常闭式高速开关阀,其

主要性能参数如表1所示。

表1　高速开关阀技术性能参数表

指标性能参数单位额定压力10MPa

额定流量2～9L/min

内泄漏0L/min

调制率20%～80%

最高切换频率200H z 最大功率10～50W

额定功率3～15W

开启时间315ms

关闭时间215ms

重复精度0105ms

工作温度(40～+135℃

工作寿命1×109次 高速开关阀的输出压力计算公式为:

p k=

D2

D2+(1-D)2

p s

式中,D为调制率,p s为控制油源压力。

基于此,可导出恒压变量泵的输出压力与高速开关阀控制压力(或调制率)的对应关系,如表2所示。

表2

泵输出压力p s(MPa)高速开关阀控制压力

p k(MPa)

调制率

D

000 1421950150 1531320153 1631710156 17

41100160

1841600164

　注:表中参数是根据某实际液压系统的压力要求而导出的,此系统控制油源p s为6MPa。

实验中,高速开关阀的控制口可交替地与供油口和回油口相通,若要使控制压力升高,就让控制口与供油口相通;反之,则让控制口与回油口相通。控制口压力值通过压力传感器和数据采集卡(带A/D、I/ O)反馈到计算机,计算机将反馈值与目标值比较后,将相应的控制信号经放大器送到高速开关阀,根据程序指令,产生PW M控制信号,使高速开关阀的控制口与供油或回油口相通时间的长短不同,从而控制高速开关阀的输出压力大小,同时,将此压力信号通过胶管引入经改造后的恒压变量泵的调压变量机构,如图2所示。这样,计算机就可以通过控制高速开关阀而直接控制恒压变量泵的输出压力,实现恒压变量泵的电液数字控制,满足液压系统的工作要求。采集记录各不同控制指令(PW M调制率)下对应的高速开关阀控制压力曲线和恒压变量泵输出压力曲线如图4所示。

图4　阀控恒压变量泵系统实验曲线

根据实验研究可知,高速开关阀在PW M控制信号作用下具有数模(D/A)转换的功能,可直接进行数字控制,因而在高速开关阀控制的恒压变量泵电液控制系统中,计算机可直接控制恒压变量泵的输出压力,不同的调制率对应不同的输出压力,从实验曲线可以看出:恒压变量泵的输出压力较好的跟踪了控制压力,其压力稳定时间不超过014秒。实验结果表明,本研究所设计的恒压变量泵电液控制系统,能够通过计算机实现泵的输出工作参数快速、精确的无级调节。

4　结论

恒压变量泵是一种高效、节能、大功率的液压动力源,它广泛应用于工程机械、机床工业、航空航天工业等液压系统领域。本文提出了一种恒压变量泵系统的电液数字控制理论和方法,通过引入高速开关阀(一种数字阀),运用脉冲宽度调制(PW M)技术,实现了对恒压变量泵输出工作参数的无级调节,这对于提高液压控制系统的性能、降低系统成本、便于实现电液数字控制具有重要意义。

参考文献

【1】路甬祥?电液比例控制技术?北京:机械工业出版社, 1988111

【2】苗建中?螺纹插装式高速开关阀?液压与气动,1993(6): 29～30

【3】赵怀文?液压与气动?北京:石油工业出版社,198815【4】刘　忠?基于高速开关阀的多档液压冲击器工作参数的计算机调节研究?中南工业大学硕士学位论文,1998.7

作者简介:刘　忠?博士研究生?主要研究方向:电液控制技术、液压冲击机械理论与控制

收稿时间:2000-04-30