超越負載工況下閉式液壓系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺設(shè)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(tǒng)方面的實驗教學(xué)，讓學(xué)生了解和掌握閉式液壓系統(tǒng)起升機構(gòu)超越負載工況下的動態(tài)特性，搭建該閉式液壓實驗平臺。針對超越負載工況出現(xiàn)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(tǒng)仿真模型，分析與確定系統(tǒng)參數(shù)，并通過試驗實測數(shù)據(jù)驗證該控制算法的有效性。該平臺應(yīng)用于閉式液壓系統(tǒng)實驗教學(xué)中，具有良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 閉式液壓系統(tǒng);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(tǒng)相比較，閉式液壓控制系統(tǒng)有著結(jié)構(gòu)緊湊、傳動平穩(wěn)、效率高等特點[1]。隨著閉式液壓系統(tǒng)發(fā)展的不斷成熟，閉式液壓系統(tǒng)在工程機械與起重機械上的運用也越來越多。目前，國內(nèi)中、大噸位起重機大多采用閉式液壓系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)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(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的無級調(diào)速和換向。閉式液壓系統(tǒng)是未來的發(fā)展趨勢，當前的工程應(yīng)用也逐漸從開式系統(tǒng)向閉式系統(tǒng)過渡。

為了讓學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握先進的系統(tǒng)構(gòu)成和原理，搭建基于重物超越負載工況的閉式液壓系統(tǒng)實驗平臺。但同時閉式系統(tǒng)也有需要深入研究的內(nèi)容，如負功率等問題。重物在下降過程中，系統(tǒng)液壓油壓力較大，推動泵和發(fā)動機轉(zhuǎn)動，發(fā)動機成為吸收負功率和轉(zhuǎn)矩的裝置。當載荷重量較大時，僅僅靠發(fā)動機本身的負功率吸收能力不足以“鉗住”載荷，將導(dǎo)致發(fā)動機“飛車”和負載加速下降，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性較差[2]。

為解決此問題，在系統(tǒng)設(shè)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(xué)生掌握閉式液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)原理，并了解閉式液壓系統(tǒng)起升機構(gòu)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(chuàng)新能力。

2 實驗平臺設(shè)計

實驗平臺液壓系統(tǒng)工作原理? 閉式液壓系統(tǒng)原理如圖1所示，主要元件選型如表1所示，性能參數(shù)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(qū)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(dǎo)油源，控制制動器15的開啟與關(guān)閉。系統(tǒng)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(fā)動機帶動變量泵旋轉(zhuǎn)，將機械能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，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(zhuǎn)方向改變。馬達的反向旋轉(zhuǎn)，不是泵的高壓油驅(qū)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(fā)動機負扭矩作用。如果發(fā)動機克服不了此扭矩，吸收不了此負功率，將會出現(xiàn)“飛車”現(xiàn)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(zhuǎn)速進行監(jiān)測，采用相應(yīng)控制算法來調(diào)整泵排量，從而協(xié)調(diào)發(fā)動機轉(zhuǎn)速，避免飛車現(xiàn)象。

控制算法設(shè)計? 由此，借鑒功率極限載荷控制方法[4]，設(shè)計系統(tǒng)負扭矩控制算法。在系統(tǒng)中增加馬達轉(zhuǎn)速傳感器以及發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器。通過閉環(huán)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(fā)動機實際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速進行比較，根據(jù)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(zhuǎn)速與已修正手柄信號設(shè)定的轉(zhuǎn)速比較，將其差值模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，進行控制器調(diào)節(jié)，輸出電流信號調(diào)節(jié)變量機構(gòu)電磁閥，從而調(diào)節(jié)變量泵排量。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值時，系統(tǒng)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(fā)動機的轉(zhuǎn)速保持在合理范圍內(nèi)[5-6]。

3 建模仿真

系統(tǒng)建模? 根據(jù)閉式液壓系統(tǒng)起升機構(gòu)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(jié)果與分析? 動態(tài)特性的研究對象主要以馬達高壓側(cè)壓力以及通過馬達流量特性進行分析，仿真結(jié)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(cè)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(zhuǎn)速過快，隨后出現(xiàn)發(fā)動機“飛車”和負載加速下降現(xiàn)象。馬達穩(wěn)態(tài)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(cè)壓力和通過馬達流量波動較小，并平穩(wěn)上升。這是由于通過負反饋環(huán)節(jié)，將測得的馬達實際轉(zhuǎn)速值與發(fā)動機實際轉(zhuǎn)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(fā)動機“飛車”和負載加速下降現(xiàn)象的發(fā)生。此時，馬達高壓側(cè)壓力和馬達流量分別達到穩(wěn)定值，即55 bar、8 L/min。

4 系統(tǒng)實測結(jié)果與分析

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

系統(tǒng)的壓力、流量動態(tài)特性采用HMG3000測量儀進行實時檢測，相應(yīng)的壓力、流量傳感器連接在馬達高壓油路側(cè)。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(cè)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(wěn)定值，分別為55 bar、8 L/min，沒有出現(xiàn)“飛車”現(xiàn)象。這與仿真模型獲得仿真曲線趨勢相近，表明系統(tǒng)中的壓力控制算法是合理有效的。

5 結(jié)語

根據(jù)系統(tǒng)仿真與實測結(jié)果的對比分析，該實驗平臺已具備閉式液壓系統(tǒng)具備負載工況的實驗條件，通過實測特性曲線，可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握超越負載工況特性。實驗平臺始終堅持以學(xué)生為主體，實驗教學(xué)與科研相結(jié)合，充分發(fā)揮了閉式液壓系統(tǒng)重物下放工況實驗教學(xué)優(yōu)勢。基于超越負載工況的閉式液壓系統(tǒng)實驗平臺具有良好的教學(xué)效果，能夠提高學(xué)生的實驗積極性，增強學(xué)生的實踐動手能力。

參考文獻

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

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

[3]劉永平，苗明.防爆閥對閉式系統(tǒng)動態(tài)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(fā)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(tǒng)研究[D].遼寧：大連理工大學(xué)，2012.

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