崔煥星，張冒，程珮珮，何朝明

(西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，四川成都 610031)

現(xiàn)場混裝炸藥車液壓控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

崔煥星，張冒，程珮珮，何朝明

(西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，四川成都 610031)

現(xiàn)場混裝炸藥車生產(chǎn)的炸藥質(zhì)量很大程度上取決于各物料的配比及敏化器的轉(zhuǎn)速，液壓控制系統(tǒng)多采用電液比例閥調(diào)節(jié)馬達轉(zhuǎn)速控制各生產(chǎn)原料的配比，現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境無法滿足比例閥調(diào)控負(fù)載恒定的前提。通過在AMESim環(huán)境中建立電液比例閥調(diào)速模型，分析其對負(fù)載的響應(yīng)性能并對控制系統(tǒng)進行改進設(shè)計。仿真結(jié)果表明:優(yōu)化后的控制系統(tǒng)能夠消除負(fù)載波動對轉(zhuǎn)速的影響，為現(xiàn)場乳化混裝炸藥車液壓控制系統(tǒng)設(shè)計提供依據(jù)。

炸藥混裝車;電液比例閥;負(fù)載;AMESim

與制造及使用成品炸藥相比，現(xiàn)場混裝炸藥車生產(chǎn)制備炸藥具有機械自動化程度高、勞動強度低和安全性更高的特點。通過炸藥混裝車控制系統(tǒng)精確控制各組料的配比及裝藥計量和安全監(jiān)控，是保證炸藥質(zhì)量和裝量，獲得較好爆炸效果的保證。

液壓控制系統(tǒng)是現(xiàn)場混裝炸藥車的執(zhí)行機構(gòu)，它的優(yōu)劣直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量［1］。液壓馬達的調(diào)速一般有泵控與閥控兩種形式，但在混裝車上一個泵要給幾條回路供油，僅為控制一個馬達的轉(zhuǎn)速就改變油泵的排量勢必會對其他回路產(chǎn)生干擾。文獻 ［2］選用電液比例換向閥控制各配料泵驅(qū)動馬達的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，比例換向閥能夠調(diào)節(jié)通過流量與輸入電信號成比例，但需保證閥進出口兩端壓差恒定。在實際應(yīng)用中較難實現(xiàn)，比如原料裝入貯存罐內(nèi)時不均勻、料箱內(nèi)的配料逐漸減少等都會在混裝過程中引起輸送泵兩端壓差不穩(wěn)定。

1 閥控液壓系統(tǒng)建模

現(xiàn)場生產(chǎn)時，傳感器將配料泵的轉(zhuǎn)速反饋給PLC，由PLC經(jīng)過PID運算后將控制信號傳給與比例閥配套的比例放大器［3］。閥控液壓馬達調(diào)速的實驗系統(tǒng)盡可能地貼近實際系統(tǒng)，由電機、主油泵、電液比例換向閥、馬達及控制回路、負(fù)載回路組成。在AMESim中利用元件庫建立系統(tǒng)模型［4－5］，如圖1所示:主回路中的液壓馬達通過聯(lián)軸器與負(fù)載泵連接，泵的速度通過傳感器反饋回控制回路，由PID控制器輸出信號調(diào)節(jié)換向閥的開口。

圖1 液壓系統(tǒng)模型

2 仿真與分析

仿真時需先設(shè)定各個元器件的參數(shù):油液密度850 kg/m3;電機額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min;主油泵的排量為100 mL/r，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min;溢流閥的壓力為12 MPa;馬達的排量為100 mL/r，額定轉(zhuǎn)速為220 r/min;負(fù)載壓力6 MPa;仿真時間10 s，步長0.001 s，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 速度響應(yīng)結(jié)果

方波信號響應(yīng)仿真中加速時馬達轉(zhuǎn)速設(shè)定值由60 r/min階躍至80 r/min;減速時，設(shè)定值從 80 r/min降至60 r/min。由圖2可以看出，在負(fù)載恒定時，馬達在電液比例換向閥的控制下能夠很快地響應(yīng)系統(tǒng)設(shè)定值的變化，穩(wěn)定前有一定的超調(diào)，穩(wěn)定后系統(tǒng)跟蹤性較好。

比例閥的流量方程:

式中:Cd為流量系數(shù)，w為窗口面積梯度，ρ為液壓油密度，x為閥芯位移。

馬達和負(fù)載的力矩平衡方程［6］:

式中:Dm為馬達排量;p1為高壓側(cè)油腔壓力;Jt為馬達及負(fù)載折算到馬達軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量;Bm為馬達及負(fù)載總黏性阻尼系數(shù);G為負(fù)載的扭簧剛度;TL為負(fù)載力矩。

由式(1)、(2)可以看出當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時必然會引起馬達一端油口的壓力變化，而壓力變化會對比例閥的閥芯位移x造成干擾。

在實際生產(chǎn)過程中，外界工作條件的變化會對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。仿真中在馬達工作時對負(fù)載添加正弦干擾，如圖3中虛線所示。

圖3 加負(fù)載干擾后系統(tǒng)的響應(yīng)

其他參數(shù)不變得到系統(tǒng)響應(yīng)曲線。結(jié)果表明當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)載不穩(wěn)定時，馬達的轉(zhuǎn)速也會出現(xiàn)波動。由于系統(tǒng)要求實現(xiàn)各物料精確配比，若僅依靠電液比例換向閥控制馬達的轉(zhuǎn)速顯然不能滿足穩(wěn)定要求。

3 改進系統(tǒng)模型

換向閥進口壓力由溢流閥確定，出口壓力受馬達壓力的影響。因此，改進原系統(tǒng)的設(shè)計，對換向閥出口做壓力補償。在AMESim環(huán)境中通過基于物理模型的圖形簡化方式由基礎(chǔ)的模塊構(gòu)建復(fù)雜元器件模型［7］，借助AMESim下的液壓元件設(shè)計庫建立補償閥的模型，接入液壓系統(tǒng)，如圖4所示，補償閥的左端活塞直徑10 mm，右端壓力腔活塞直徑15 mm，桿直徑5 mm，彈簧剛度20 N/mm，閥芯質(zhì)量模塊質(zhì)量0.03 kg，黏性摩擦系數(shù)為100 N/m/s。

圖4 加壓力補償后的系統(tǒng)模型

在不改變仿真參數(shù)的前提下再次進行仿真，得到結(jié)果如圖5所示。在系統(tǒng)加入補償閥之后系統(tǒng)能夠?qū)Ρ壤龘Q向閥的出口壓力做補償，這樣就能夠消除負(fù)載擾動對馬達轉(zhuǎn)速的影響，在速度設(shè)定值變化時，流量的瞬間超調(diào)減小，是速度換接也更加平穩(wěn)。

圖5 優(yōu)化后的馬達轉(zhuǎn)速

在生產(chǎn)過程中有時需要馬達反轉(zhuǎn)，例如螺桿泵及敏化器的驅(qū)動馬達。在仿真系統(tǒng)中設(shè)定馬達轉(zhuǎn)速由60 r/min階躍至－60 r/min，得到系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖6。未加入補償閥的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)控制換向閥快速動作，實現(xiàn)馬達反轉(zhuǎn)，加入補償閥的系統(tǒng)卻不能夠?qū)崿F(xiàn)反轉(zhuǎn)。這是因為在馬達正轉(zhuǎn)時，補償閥的負(fù)載信號通道 (LS)接在馬達的進油口油路上，但當(dāng)換向后，卻接在了馬達出油口油路上，直接與油箱相連，失去了壓力補償作用。

圖6 系統(tǒng)控制馬達反轉(zhuǎn)響應(yīng)曲線

為解決這一問題，在馬達出油口及進油口回路上加裝一個梭閥，電液比例換向閥的出口壓力由梭閥回饋給壓力補償閥，確保最大的負(fù)載壓力能夠得到回饋。再次進行仿真結(jié)果如圖7所示，表明系統(tǒng)能夠很好的消除系統(tǒng)負(fù)載波動對馬達調(diào)速的影響，在換向時也能夠快速響應(yīng)，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

圖7 加梭閥后的系統(tǒng)仿真曲線

4 結(jié)論

利用AMESim對系統(tǒng)進行仿真，能夠真實地反映液壓元器件及系統(tǒng)的性能。在分析現(xiàn)場乳化混裝炸藥車電液比例換向閥調(diào)速系統(tǒng)基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進行改進，并在AMESim環(huán)境下進行仿真實驗。仿真結(jié)果表明，改進后的控制系統(tǒng)能夠消除負(fù)載擾動對系統(tǒng)調(diào)速性能的影響，實現(xiàn)快速響應(yīng)，穩(wěn)定后速度平穩(wěn)。該控制系統(tǒng)對其他負(fù)載敏感的液壓控制系統(tǒng)同樣具有參考價值。

［1］仲峰，苗濤，劉侃.混裝乳化炸藥車裝藥控制系統(tǒng)關(guān)鍵關(guān)鍵問題的研究［J］.爆破，2011，12(4):90－92.

［2］張妮娜.現(xiàn)場混裝炸藥車液壓控制系統(tǒng)的壓制［D］.大連:大連海事大學(xué)，2012.

［3］WANG Meng，CHENG Peng.The Research on Simulation and Control Method of Direct-Operated Electro-hydraulicProportional-reducingValve［C］.ElectricalandControlEngineering(ICECE)，2011 International Conference on，2011:1362－1365.

［4］付永領(lǐng).祁小野.AMESim系統(tǒng)建模和仿真［M］.北京:航空航天大學(xué)出版社，2006.

［5］YU Mengli，YU Zhuoping，XIONG Lu.Clean.Modeling and Simulationg Based on AMEsim of Vehicle ESP Hydraulic Control Unit［C］.Computer Science and Automation Engineering(CSAE)，2012 IEEE International Conference on，2012:242－246.

［6］鄧克，席素義.變量泵－定量馬達容積調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)化研究［J］.鍛壓設(shè)備與制造技術(shù)，2009(03):113－115.

［7］PARK S H，ALAM K，JEONG Y M，et al.Modeling and Simulation of Hydraulic System for a Wheel Loader using AMESim［C］.ICCAS-SICE，2009:2991－2996.

Optimization Design of Hydraulic Control System Used for Local Mix-load Explosive Vehicle

CUI Huanxing，ZHANG Mao，CHENG Peipei，HE Chaoming
(School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

The quality of the dynamite produced by local mix-load explosive vehicle was vary much depended on the proportion of the materials and speed of the sensitized device.The motor speed in the hydraulic control system was adjusted by using the electro-hydraulic proportional valve，because of the complex environment，the premises of a constant load during the proportional valve was controlled and adjusted could not be met.The control model of electro-hydraulic proportional valve was established in AMESim environment，then analyzed its ability to response performance of the load，and optimized the design of control system.The results of simulation show that optimized control system can eliminate the impact of fluctuating load on the speed，and provide basis for the design about hydraulic control system used for local mix-load explosive vehicle.

Mix-load explosive vehicle;Electro-hydraulic proportional valve;Load;AMESim

TD235;TH137

A

1001－3881(2014)9－074－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.09.020

2013－04－11

國家自然科學(xué)基金資助項目 (51275431)

崔煥星 (1988—)，男，碩士研究生，研究方向為液壓系統(tǒng)設(shè)計、智能控制。E－mail:cuihuanxing@126.com。