超越負載工況下閉式液壓系統實驗教學平臺設計

王欣 姜振楠 李萬里 申展超 魏蘇杰

摘? 要 為加強閉式液壓系統方面的實驗教學，讓學生了解和掌握閉式液壓系統起升機構超越負載工況下的動態特性，搭建該閉式液壓實驗平臺。針對超越負載工況出現的問題，采用負扭矩控制算法。在Simulink模塊中搭建帶有負扭矩控制算法的閉式液壓系統仿真模型，分析與確定系統參數，并通過試驗實測數據驗證該控制算法的有效性。該平臺應用于閉式液壓系統實驗教學中，具有良好的教學效果。

關鍵詞 閉式液壓系統;液壓仿真;負扭矩控制;實驗平臺;MATLAB;Simulink

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）01-0019-04

1 引言

與開式液壓系統相比較，閉式液壓控制系統有著結構緊湊、傳動平穩、效率高等特點[1]。隨著閉式液壓系統發展的不斷成熟，閉式液壓系統在工程機械與起重機械上的運用也越來越多。目前，國內中、大噸位起重機大多采用閉式液壓系統，通過調節雙向變量液壓泵來改變油路中油液的流量和方向，從而實現執行機構的無級調速和換向。閉式液壓系統是未來的發展趨勢，當前的工程應用也逐漸從開式系統向閉式系統過渡。

為了讓學生學習和掌握先進的系統構成和原理，搭建基于重物超越負載工況的閉式液壓系統實驗平臺。但同時閉式系統也有需要深入研究的內容，如負功率等問題。重物在下降過程中，系統液壓油壓力較大，推動泵和發動機轉動，發動機成為吸收負功率和轉矩的裝置。當載荷重量較大時，僅僅靠發動機本身的負功率吸收能力不足以“鉗住”載荷，將導致發動機“飛車”和負載加速下降，使得系統穩定性較差[2]。

為解決此問題，在系統設計中加入負扭矩控制算法，并通過實驗驗證控制算法的有效性。該實驗平臺便于學生掌握閉式液壓系統的系統原理，并了解閉式液壓系統起升機構的超越負載工況特性，加深對負扭矩控制算法的理解，提高動手能力和創新能力。

2 實驗平臺設計

實驗平臺液壓系統工作原理? 閉式液壓系統原理如圖1所示，主要元件選型如表1所示，性能參數如表2所示。變量泵8與變量馬達14直接進行連接，直接對變量馬達14進行驅動，形成一個閉合的液壓回路。補油泵9油源作為制動器15的先導油源，控制制動器15的開啟與關閉。系統油路裝有防爆閥11，主要作用是在該高壓管路爆裂時切斷油路，防止管路里的液壓油外泄，避免重物下墜[3]。

在負載起升工況下，發動機帶動變量泵旋轉，將機械能轉化為液壓能，輸出的高壓油流入變量馬達高壓腔，推動馬達和卷揚旋轉，重物被提起。

在負載下降工況下，液壓油的流動方向改變，馬達旋轉方向改變。馬達的反向旋轉，不是泵的高壓油驅使的，而是負載的自重作用引起。則馬達相當于工作在泵的工況，輸出的高壓油流入泵中，會給發動機負扭矩作用。如果發動機克服不了此扭矩，吸收不了此負功率，將會出現“飛車”現象，負載將類似自由落體式地下降，造成事故。

為此，需要對馬達的轉速進行監測，采用相應控制算法來調整泵排量，從而協調發動機轉速，避免飛車現象。

控制算法設計? 由此，借鑒功率極限載荷控制方法[4]，設計系統負扭矩控制算法。在系統中增加馬達轉速傳感器以及發動機轉速傳感器。通過閉環負反饋方式對重物下降速度進行控制，如圖2所示。

首先，將發動機實際轉速與設定轉速進行比較，根據其差值對控制變量泵排量的手柄信號進行修正;之后，將馬達的實際轉速與已修正手柄信號設定的轉速比較，將其差值模擬量轉化為數字量，進行控制器調節，輸出電流信號調節變量機構電磁閥，從而調節變量泵排量。當發動機轉速超過設定值時，系統自動對其變量泵的排量進行控制，保證在大負載下降工況下發動機的轉速保持在合理范圍內[5-6]。

3 建模仿真

系統建模? 根據閉式液壓系統起升機構的工作原理，利用MATLAB的Simulink模塊建立閉式液壓實驗平臺仿真模型，如圖3所示，手柄控制模塊仿真模型如圖4所示。

仿真結果與分析? 動態特性的研究對象主要以馬達高壓側壓力以及通過馬達流量特性進行分析，仿真結果如圖5、圖6所示。

從圖5的仿真曲線可以得出，負載在下降工況初始階

段，馬達高壓側壓力和通過馬達流量的變化波動較大，分別達到350 bar和6.5 L/min。此時轉速過快，隨后出現發動機“飛車”和負載加速下降現象。馬達穩態流量和壓力分別為11.8 L/min、55 bar。

從圖6的仿真曲線可以得出，在增加負扭矩控制算法后，馬達高壓側壓力和通過馬達流量波動較小，并平穩上升。這是由于通過負反饋環節，將測得的馬達實際轉速值與發動機實際轉速值反饋回來，實時改變手柄信號，控制變量泵排量，從而避免重物下降過程中發動機“飛車”和負載加速下降現象的發生。此時，馬達高壓側壓力和馬達流量分別達到穩定值，即55 bar、8 L/min。

4 系統實測結果與分析

實驗臺二維設計圖如圖7所示，所搭建的閉式液壓系統實驗平臺如圖8所示，主要由操作室、起升卷揚機構、液壓系統以及吊載起升架四部分組成。其動力和液壓系統組成如圖9所示。

系統的壓力、流量動態特性采用HMG3000測量儀進行實時檢測，相應的壓力、流量傳感器連接在馬達高壓油路側。測量儀器與測量位置如圖10所示。

測試工況的外負載為2 t，對外負載進行升降運動，通過測試儀測試出馬達高壓側的壓力與流量特性曲線如圖11所示。從圖中可以看出，其壓力和流量值逐步達到穩定值，分別為55 bar、8 L/min，沒有出現“飛車”現象。這與仿真模型獲得仿真曲線趨勢相近，表明系統中的壓力控制算法是合理有效的。

5 結語

根據系統仿真與實測結果的對比分析，該實驗平臺已具備閉式液壓系統具備負載工況的實驗條件，通過實測特性曲線，可以讓學生學習和掌握超越負載工況特性。實驗平臺始終堅持以學生為主體，實驗教學與科研相結合，充分發揮了閉式液壓系統重物下放工況實驗教學優勢。基于超越負載工況的閉式液壓系統實驗平臺具有良好的教學效果，能夠提高學生的實驗積極性，增強學生的實踐動手能力。

參考文獻

[1]劉永平.閉式液壓系統二次起升動態特性仿真與分析[D].遼寧：大連理工大學，2012.

[2]劉幫才.超越負載工況下輪式起重機起升系統特性研究[D].長春：吉林大學，2011.

[3]劉永平，苗明.防爆閥對閉式系統動態特性影響的仿真分析[J].機床與液壓，2013，41（9）：150-153，162.

[4]柳波，何清華，楊忠炯.發動機—變量泵功率匹配極限負荷控制[J].中國機械工程，2007（4）：500-503.

[5]鮮亞平.超越負載工況下履帶起重機閉式液壓系統研究[D].遼寧：大連理工大學，2012.

[6]鮮亞平，王殿龍，曹旭陽，等.大噸位起重機閉式液壓系統負轉矩控制研究[J].建筑機械，2012（8）：78-84，87.