高壓變排量數字液壓缸驅動技術研究

代立明

（山西天地煤機裝備有限公司，太原030006）

0 引 言

最新的液壓驅動壓力機不僅允許高的工作頻率，還可以實現高負載及對運動或力的精確控制。此類驅動器的最新驅動技術可分為兩大類：1）比例閥的阻力控制。通常配備用于降低損失的負載傳感概念，用于較小力和中等力的系統。2）具有大排量和高功率需求的系統。例如，板坯定型壓力機采用可變排量的主控制泵或由變速電動機驅動的泵。對于具有高壓力、高功率和高頻率要求的大型壓力機，其主控制驅動器的主要缺點是：為了滿足所需的流量，需要大量的可變排量泵。但是大量的泵與其電驅動器、必要的輔助設備相結合需要很大的安裝空間。然而，這種額外的空間及壓力機上或其附近的設備可能會給設計、操作、安裝、維護和安全帶來難題[1]。

1 概念示意

本文提出了一種處理這種大功率需求系統的改進概念，需要靠近壓力機的可變排量單元數量少得多。圖1（a）顯示了一般布置。該概念將現場連續運行的可變驅動器與簡單的數字液壓缸單元結合在一起，這些數字液壓缸單元從一個置于遠處并連續輸送流量的恒壓供應系統中獲得動力。切換引起的流量波動由靠近切換閥的蓄能器補償，連續運行的子系統為模擬驅動器，可切換子系統為助力驅動器。后一個子系統分為兩個助力驅動器，以高亮的區域表示，并標記為助力驅動I 級和II 級。每一個助力驅動器都由普通的3/2 方向轉換閥和差動缸（CI和CII）組成，它們連接到由過程力F 加載的連接架上。其余的模擬驅動器由1 個差動缸CA、1 個變量泵P、1 個蓄能器和一些止回閥組成。此外，CI、CII和CA的環形腔室連接到公共回流管線。因此，正確的泵操作要求這些環型面積之和和CA的活塞面積相等。就像許多液壓動力消耗高的生產工廠所做的那樣，高壓和低壓的恒定壓力供應可通過遠程站實現。

圖1 高壓變排量數字液壓缸驅動技術概念示意圖

在基本控制策略的方面，只有以特定方式啟動模擬和助力驅動器，才能在整個預期作用力范圍內獲得連續的作用力[2]。在2 個助力驅動器都禁用的情況下，可通過輸入α（即泵排量）改變模擬驅動器及其相關的力來影響力分布（如圖1（b））。一旦超過力的閾值，便會啟用第一個助力器驅動器。在沒有任何進一步干擾的情況下，假設差動缸有一個瞬時壓力變化，由于助力的突然變化，合力FC=FA+FI+FII將會不連續。為了防止系統出現此類不良響應，模擬驅動器的壓力必須在同一時間瞬間反轉，以補償不穩定的助力器性能。如果達到了模擬級和第一級助力器的可接受最大力水平，則可以對第二級助力驅動重復整個過程。假設助力驅動器可承受的力設計為模擬驅動器的2 倍，圖1（b）描繪了理想的完整切換順序。

2 建模與控制

圖2（a）說明了模型的基本設置及其組件的布置，與第1 節中描述的概念設置相反。所應用的模型包括5 個大小相等的差動缸。因此，為了確保在泵的進口和出口處有適當的流量平衡，5 個氣缸的面積比必須為1/5。此外，由于實際設備中力對稱的原因，助力器由氣缸對組成，由高亮的區域表示，并由帶有輸入u1和u2的切換閥驅動。系統壓力和油箱壓力PH和PL為理想的壓力源，還可以用于止回閥限制泵的進出口壓力大小。

由于助力驅動器是數字設備，可變驅動器是模擬設備，因此控制被分為幾部分，但仍相互依賴。模擬驅動器由前饋部分和反饋部分組成。助力驅動器由開關邏輯（Switching Logic）控制。這種控制結構遵循基本功能原理，根據所需速度v 控制適當的旋轉斜盤傾角來控制運動，如果需要更大的作用力，則打開助力器（如圖2（b））。當然，系統的穩定性主要是受到流體可壓縮性和其他系統缺陷影響。

前饋分量符合期望速度，反饋成分通過一個簡單的PI結構和控制參數kP和kI將實際位置x 調整為所需的軌跡xd。暫時減小期望速度可以抵消助力的快速增加及在位置x 上產生的超調，這是通過在切換時刻疊加脈沖來實現的。由于更改期望速度時泵的速度限制，上述補償功能可滿足上述切換后果的抵消。寬度對應于助力驅動中的壓力建立時間。因此，僅將矩形高度Ai作為新的控制參數。在實驗過程中通過反復試驗發現了合適的值。數字驅動器的切換閥的觸發點（如圖2（a））由切換邏輯確定。它的輸入是過程力和當前位置，其參數是力和位置的閾值。

圖2 數字液壓驅動建模與控制

3 試驗設置及結果

3.1 試驗臺架設置

與第2 節的系統模型相比，試驗臺具有一些明顯的區別：首先，高壓PH和低壓PL的壓力大小相互依賴。這種依賴性是由于在整個實驗室中只用一個動力單元實現了低壓壓力pL的升高，從而提供了供給壓力PS和儲罐壓力PT。高壓PH設定為PS。如圖3（a）所示，通過流量控制閥和卸壓閥創建了低壓PL。由于補油系統，溢流閥和流量控制閥的動態能力有限，由助力驅動器切換引起的PL突然變化會影響PH值，反之亦然。在工業驅動中，2 個壓力將獨立實現[3]。其次，過程力不是由材料成型過程產生的，而是由負載缸和前饋伺服閥施加的。相應的設置顯示在圖3（b）中。伺服閥輸入是一個隨時間變化的信號，由要求定義，以實現分別針對所需位置xd和速度vd的正確值Pload。最后，重要差異由傳輸線中的壓降引起，尤其是助力驅動器的切換需要非常高的體積流量，由于傳輸線表現出容積約束行為，所有液壓油流量供應線都會因瞬時流量需求而出現波動[4]。

圖3 高低壓試驗臺設置

3.2 實驗結果

圖4（a）顯示了使用熱軋板坯定型壓力機按比例縮小的占空比進行的試驗臺測量。該占空比以正弦形變軌跡實現，選擇起始點為x=50 mm，結束點為x=110 mm。同樣，實際變形始于x=70 mm。期望位置與測量位置的比較顯示出令人滿意的一致性，誤差小于3 mm。 如前所述，使用負載缸模擬鍛造力。因此，相應的伺服閥控制流出的體積流量并因此控制負載壓力Pload。實現最大過程力Fpr≈49 kN 需承受Pload≈15 MPa 的負載壓力。如圖4（b）所示的第1 行和第2 行，當助力驅動器都關閉時，在變形過程結束時會出現輕微的超調（e<0）。這是由于過程力和組合有效力減小速度不平衡引起的。如果過程力的減小速度快于合力，則壓力機將超過其所需位置，反之亦然。必須指出的是，這個特殊的超調問題只是測試設備的特定問題，這是由Fload的實驗模擬得出的。在實際工作條件下，鍛造力始終與鍛造深度和鍛造速度協調[5]。因此，在該情況下，關閉助力驅動器后不會發生超調。

4 結 論

圖4 熱軋板坯定型壓力機數字液壓缸驅動試驗結果

本文介紹了一種新穎的液壓驅動器，該驅動器結合了可變排量控制和液壓數字控制技術，可在較高的工作頻率下提供較大的力和額定功率。試驗臺實驗揭示了增壓驅動器恒壓供應系統的弱點。特別是在切換助力驅動器時，高壓水平明顯下降。該問題可以通過靠近切換閥的液壓蓄能器及從蓄能器到切換閥的足夠大的管路來克服。