雙泵交叉傳感功率控制系統建模與特性分性

陳聞，孫康，王軍鋒

(江西理工大學應用科學學院，江西贛州341000)

液壓系統動力匹配及控制技術在國外起步較早，發展較快，很多技術在國外使用后很快進入中國市場。在雙泵或多泵系統中，由于存在多泵之間功率分配的技術難題，如何使柴油機功率合理地分配到各泵，使各執行機構協調工作，盡可能發揮其最大效能，最大程度發揮出發動機功率成為關鍵。目前應用較廣的是總功率控制，總功率控制系統共用一個變量機構，因此各泵流量相同，當其中某泵負責的執行機構不工作時，主泵仍輸出大流量，多余流量必然會轉化為熱量。總功率控制另一個缺點是無法實現對多執行機構不同速度的控制，交叉傳感控制系統是在總功率控制和分功率控制基礎上研制出的一種新型功率控制技術。它是在分功率控制基礎上，將兩個泵工作壓力實現交叉控制，即每個泵各自有變量機構，各自流量可以不同，當其中一個泵的功率利用小于總功率的50%時，多余功率可被另一個泵利用，當兩個泵的功率利用系數都達到50%時，每個泵都利用總功率的50%。交叉傳感控制技術集中了總功率控制和分功率控制的優點，摒棄了它們的缺點，較為理想。

交叉傳感功率控制既具有根據每一液壓泵的負載大小調整液壓泵輸出的能力，又能充分利用柴油機的功率。但是交叉傳感功率控制液壓泵的工作曲線只能沿著最大功率線，而不能在最大功率線下方內變化。目前，交叉傳感功率控制并不是單獨起作用，而是與其他控制方法結合起來，對雙泵功率之和進行限制，例如交叉傳感功率控制與正、負流量控制的組合［1］。

1 雙泵交叉傳感功率控制系統系統原理

雙泵交叉傳感控制系統原理如圖1所示，兩個泵各自的排量不僅與自身輸出壓力有關，同時還與另外一臺泵的輸出壓力有關。它是通過兩個變量泵工作壓力相互交叉控制實現的，每個泵的出口壓力通過活塞變為另一臺泵LR 閥杠桿的驅動力矩之一，與此臺泵的壓力共同作用于杠桿。交叉傳感功率控制并不是單獨起作用，而是與其他控制方法結合起來，圖1所示的交叉傳感功率控制就是與正流量控制的組合，其中X1、X2 分別為兩個泵的先導壓力輸入口，兩泵各自的排量與X1、X2 上所加的壓力成正比，當負載壓力進一步升高時，交叉傳感功率控制將優先于正流量控制起作用，限制雙泵的吸收扭矩。

圖1 雙泵交叉傳感功率控制結構及原理

正流量控制原理:正流量控制的目的是為了用容積調速代替定量系統中的節流調速，以提高系統效率，其原理是用先導壓力直接控制泵排量。在控制中，隨著先導壓力的增加，泵排量也相應增加。如圖1所示，在先導控制X1 口上施加一先導壓力后，泵排量在正流量控制閥的作用下保持在一定位置，使排量與先導壓力成正比。

2 雙泵交叉傳感功率控制系統數學模型

(1)正流量閥特性方程

正流量閥閥芯運動方程［2］:

(2)斜盤及柱塞運動的微分方程如下:

斜盤傾角減小，排量減小:

斜盤傾角增大，排量增大:

(3)反饋杠桿合力矩方程(雙泵交叉恒功率控制方程)

3 雙泵交叉傳感功率控制系統建模

AMESim 軟件采用的建模方法類似于功率鍵合圖法［3－4］，但更先進一些。相似之處在于二者都采用圖形方式來描述系統中各元件的相互關系，能夠反映元件間的負載效應及系統中功率流動情況，元件間均可反向傳送數據。規定的變量一般都是具有物理意義的變量，都遵從因果關系;不同之處在于AMESim 更能直觀地反映系統的工作原理。用AMESim 建立的系統模型與系統工作原理圖幾乎一樣，而且元件之間傳遞的數據個數沒有限制，可以對更多的參數進行研究，所建立模型如圖2所示。

參照德國Rexroth 公司A11V075LRDS 變量泵實際參數，系統模型主要參數為:系統最高壓力為36 MPa，預設柴油機轉速為2 200 r/min，柱塞泵排量為75 mL/r，正流量控制閥、恒功率閥及壓力切斷閥閥芯位移為1 mm，變量活塞位移為22 mm，變量活塞大小活塞直徑分別為28 與17 mm［5－6］。

圖2 雙泵交叉傳感功率控制系統模型

4 雙泵交叉傳感功率控制系統特性分析

(1)正流量控制響應特性

當多路換向閥處于手柄調節時，正流量壓力信號傳至控制滑閥上，手柄作用力作為正流量控制閥輸入信號，分別設置手柄輸入信號為0，20，120，130，150，170 N，得到系統壓力流量響應曲線如圖3(a)所示。可以看出:隨著手柄輸入力的增大，即在大流量需求的情況下，系統能夠以大流量響應;反之，系統能夠減小流量與輸入相適應。兩泵各自的排量與所承擔的負載成正比，如圖3(a)中的橫線所示;當負載壓力進一步升高時，交叉傳感功率將優先于正流量控制起作用，限制雙泵的吸收扭矩，進入恒功率控制區，如圖3(a)中的弧線所示。

圖3(b)所示為雙泵在正流量控制下的功率分配，由此可知，功率曲線只有在正負流量控制下才可以進入最大功率曲線下方。泵a 是在正流量控制不起作用時的情況，泵b 是在不同手柄輸入力下的正流量控制。可知:在同一負載下，泵b 可以在較小的功率值下運行，適應負載需求，節省能量;泵a 功率基本保持不變，只在泵b 功率趨于0 時部分吸收其功率。

圖3 正流量控制系統流量響應與功率特性圖

(2)交叉傳感功率控制雙泵與負載相關的功率吸收特性分析

在恒定的等流量下，分別給系統設置不同的負載，如圖4(a)中曲線1 ～4所示，其中，泵b 的負載對應圖4(a)中曲線1 ～4 變化，泵a 的負載為圖(a)中曲線2 不變，得到雙泵交叉傳感控制的功率分配情況，如圖4(b)所示。由于P功= pQ，圖4(b)中1a－1b 至4a－4b 曲線下方所包圍的面積代表雙泵的總功率大小，由于paQ +pbQi= P功總，當每臺泵所對應的負載增加，此臺泵所分配到的原動機的功率也隨之增大，另一臺泵所設置的負載較小，因此分配到的原動機功率較小，而雙泵的總功率是恒定的。

圖4 不同負載下的雙泵功率吸收轉化圖

圖4(b)中o－o 軸是雙泵功率的等分線。從圖中可知，由于泵b 負載在不斷地增大，而泵a 的負載則保持恒定，泵b 吸收的發動機功率是在不斷增大的，圖中的泵b 壓力流量特性曲線是在不斷地向o－o 軸的右端移動，所代表的功率(曲線面積)在不斷地增大，但是1a－1b 至4a－4b 曲線下方所圍總面積4 種情況是相等的。

(3)雙泵與正流量相互交叉傳感功率控制特性分析

雙泵在一定的負載下，分別對泵b 設置不同的手柄輸入力，而泵a 設置成正流量控制全開狀態(即最大流量狀態)，得到雙泵的功率吸收情況如圖5(a)所示;再對泵a、泵b 均設置成不同的手柄輸入力狀態，進行交叉狀態分析，得到雙泵功率分配如圖5(b)所示。

圖5 正流量控制下的同時動作雙泵功率特性

從圖5(a)中可以看出，泵b 正流量控制手柄輸入力變化時，其功率小于最大功率(圖中直角部分所缺面積即為功率差值)，可以實現在一定負載下的節能指標，而此時泵a 能夠部分吸收泵b 進入恒功率區后(圖中直角后面的弧段部分)的功率值。這種情況對應于工程機械的雙泵同時動作大流量需求與小流量需求配合情況，例如在全速行走時工作裝置的回收等;

從圖5(b)中可以看出，泵a 與泵b 均在正流量控制手柄輸入力下進行動作，此時，雙泵功率與泵出口流量成正比，并且，雙泵均能在最大功率曲線下方進行工作，實現系統內部的節能目標。這種情況對應于工程機械雙泵同時動作工作裝置均為小流量時的情況，例如在某一位置上的工作裝置間相互配合動作(各液壓支架的同時打開等)。

5 結論

文中建立了雙泵交叉傳感功率控制系統的數學模型及其直觀有效的AMESim 模型，模型仿真結果表明:

(1)系統流量響應與手柄輸入力大小成正比，符合正流量控制規律，功率曲線在正流量控制下可以進入最大功率曲線下方，實現節能目標;

(2)在一定流量下，雙泵功率吸收值大小與負載大小成正比，負載大的泵自動吸收負載小的泵的剩余功率，但雙泵總功率保持恒定;

(3)在一定的負載下，雙泵可實現同時動作的多種組合，正流量控制起作用的泵功率值小于單泵最大功率，正流量控制全開狀態泵部分吸收剩余功率。

綜上所述，仿真結果得出了雙泵交叉傳感功率控制系統在不同工況及參數下的響應特性，并且根據仿真結果可以認為所建立的系統模型是比較準確的，在今后的工作中可以將其進一步應用于各種通用的液壓系統仿真中，做為系統的動力元件，有較大的工程實用價值。

【1】王炎.液壓挖掘機負荷傳感系統的仿真研究及節能分析［D］.長沙:中南大學，2009.

【2】吳根茂.新編使用電液比例技術［M］.杭州:浙江大學出版社，2006.

【3】馬長林.基于AMESim 的電液伺服系統仿真與優化研究［J］.液壓氣動與密封，2006(1):32－34.

【4】盧寧，付永領，孫新學.基于AMESim 的雙壓力柱塞泵的數字建模與熱分析［J］.北京航空航天大學學報，2006(9):33－36.

【5】劉榛.電液比例負載敏感徑向柱塞變量泵控制的研究［D］.蘭州:蘭州理工大學，2005.

【6】李竟成，曹秉剛，史維祥，等.電液比例負載敏感控制徑向柱塞泵控系統研究［J］.機床與液壓，2001(5):72－75.