郝建軍，程昶，張志剛，葛帥帥

(1.重慶理工大學汽車零部件制造及檢測技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400054;2.重慶科學技術(shù)研究院，重慶 400050)

液壓馬達調(diào)速系統(tǒng)是工程上常用的控制系統(tǒng)，它具有負載剛度高、功率/質(zhì)量比大、響應快和性價比高等特點，被廣泛用于冶金、機床、船舶等工程機械領域［1］。但隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對其使用要求進一步提高:如高響應和高效率。目前，在閥控和泵控調(diào)速的基礎上，也出現(xiàn)閥泵聯(lián)合控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)響應快，溢流損失較小，但制造成本高、控制復雜。

為使調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)響應快，同時避免溢流損失，文中研究的液壓調(diào)速系統(tǒng)采用高速開關(guān)閥控插裝閥，此調(diào)速機構(gòu)結(jié)合高速開關(guān)閥和插裝閥各自優(yōu)點，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的大流量高頻換向，具有響應快、效率高和維護方便等特點。

1 液壓回路系統(tǒng)工作原理

基于高速開關(guān)閥的液壓馬達調(diào)速系統(tǒng)如圖1所示:控制器發(fā)送脈沖電壓作為控制信號，直接輸出給高速開關(guān)閥，再以高速開關(guān)閥為先導閥控制插裝閥。當高速開關(guān)閥通電時，插裝閥閥芯處于關(guān)閉狀態(tài)，油泵輸出的流量通過單向閥，再驅(qū)動液壓馬達，此時蓄能器蓄能。當高速開關(guān)閥斷電時，插裝閥閥芯處于打開狀態(tài)，定量泵輸出流量經(jīng)過插裝閥直接回到油箱，則定量泵停止向馬達供油，由于單向閥的存在，馬達進油端的流量不會倒流，并由蓄能器提供流量使馬達繼續(xù)轉(zhuǎn)動。高速開關(guān)閥按一定頻率，合理地分配占空比使閥體不停地打開與閉合，改變分流支路通、斷時間比例，就可以改變供給馬達流量的大小，實現(xiàn)調(diào)速。當通過旁路卸荷的流量越多，液壓馬達轉(zhuǎn)速就越慢;反之，則馬達轉(zhuǎn)速就越快。整個系統(tǒng)供油形式從動態(tài)看是脈動的，因此蓄能器除了作臨時動力外，另一個作用就是削弱壓力脈動。

圖1 液壓馬達調(diào)速回路原理圖

2 系統(tǒng)主要元件數(shù)學模型

2.1 高速開關(guān)閥的流量控制特性

高速開關(guān)閥是用數(shù)字量控制的開關(guān)閥，與伺服閥和比例閥相比，它具有工作穩(wěn)定可靠、功耗小、重復性好、抗污染能力強和價格低廉等優(yōu)點［2］。由于開關(guān)閥電磁鐵的響應能力及閥芯運動時間的影響，實際閥芯位移和脈沖信號之間存在一定的滯后。因此高速開關(guān)閥信號占空比一般控制在0.2～0.8線性區(qū)間范圍內(nèi)。

2.2 高速開關(guān)閥控插裝閥的數(shù)學模型

目前的高速開關(guān)閥流量在10 L/min以下，要獲得高壓大流量的開關(guān)閥，通常需要以小流量高速開關(guān)閥作為先導控制一個插裝閥得到。由于高速開關(guān)閥和插裝閥都工作在全開或全關(guān)的狀態(tài)，功率損失小，效率高。整個系統(tǒng)采用脈沖流量供油方式，當高速開關(guān)閥工作頻率很高時，負載壓力一般不會出現(xiàn)不穩(wěn)定振蕩情況［3］。

假設高速開關(guān)閥在占空比線性工作范圍內(nèi)能夠完全跟蹤PWM控制信號，忽略閥芯動作滯后時間，則插裝閥的流量方程［4］:

式中:q1為插裝閥出口流量 (L);

D(t)為插裝閥脈寬調(diào)制信號函數(shù);

CVd1為插裝閥的流量系數(shù);

A0為插裝閥閥口的節(jié)流面積 (mm2);

ρ為油液密度，取0.85×103kg/m3;

ps為插裝閥進口壓力 (MPa)。

高速開關(guān)閥占空比0≤u(t)≤1，則插裝閥D(t)脈寬調(diào)制信號函數(shù)可表示為:

式中:T為高速開關(guān)閥脈寬調(diào)制信號周期。

3 仿真分析

為驗證液壓馬達數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的可行性，文中通過AMESim軟件建立液壓元件模型并對系統(tǒng)進行相關(guān)分析。

該系統(tǒng)采用開環(huán)控制仿真，其主要參數(shù)為:高速開關(guān)閥閥芯最大位移3 mm，進油口直徑2 mm，球閥直徑3 mm，閥芯質(zhì)量1 g;插裝閥閥芯最大位移2 mm，進油口直徑14 mm，控制腔直徑16 mm，閥芯質(zhì)量15 g;泵排量為50 mL/r，轉(zhuǎn)速1 500 r/min;馬達排量50 mL/r。

PWM控制信號頻率分別為20、10 Hz，蓄能器初始壓力為2 MPa時，仿真結(jié)果如圖2。

圖2 液壓馬達響應圖

由圖2可知:在相同蓄能器預壓力的條件下，PWM控制信號頻率對液壓馬達工作影響較小;在高頻控制信號下，液壓馬達工作壓力脈動更小。在一定頻率下，占空比越大，插裝閥泄油量就越少，馬達進油量越多，因而轉(zhuǎn)速越快，反之馬達轉(zhuǎn)速越慢。在PWM有效占空比內(nèi)，馬達調(diào)速范圍較寬。

通過仿真分析，高速開關(guān)閥控插裝閥調(diào)速液壓系統(tǒng)的快速性較好，能夠滿足工程調(diào)速控制要求，同時系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。

影響調(diào)速系統(tǒng)速比變化特性的主要為吸振蓄能器，蓄能器初始壓力與體積是影響速比變化特性的關(guān)鍵，且主要針對降速比影響較大。如圖3所示:體積越大，升降速比越緩慢;增加泵、馬達排量會提高系統(tǒng)速比控制精度。

圖3 調(diào)速系統(tǒng)速比變化特性曲線

由圖4可知:高速開關(guān)閥開環(huán)控制調(diào)速的精度高，在0.2～0.8占空比調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，速比接近于4，線性度高，誤差較小，系統(tǒng)剛度大;而伺服閥開環(huán)調(diào)節(jié)由于溢流損失大，剛度相對較小，速度與占空比呈非線性關(guān)系。

理論上只要高速開關(guān)閥和單向閥動態(tài)性能接近于理想的高速開關(guān)閥和插裝閥，數(shù)字調(diào)速的壓力變換效率可達100%，即輸出功率等于輸入功率［5］，因此高速開關(guān)閥溢流損失小，效率高。通過效率計算公式:

圖4 開環(huán)控制傳動比與占空比關(guān)系

其中:泵、馬達仿真效率為100%，D為PWM控制占空比。因此系統(tǒng)主要為開關(guān)閥節(jié)流損失，各占空比下開關(guān)閥節(jié)流損失效率見圖5。

圖5 開關(guān)閥調(diào)速效率

通過仿真計算可得開關(guān)閥調(diào)速系統(tǒng)節(jié)流損失只有2%左右，因此系統(tǒng)效率高。數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的損耗主要有動態(tài)損耗和瞬態(tài)損耗［5］。

動態(tài)損耗是由于高速開關(guān)閥上的節(jié)流損耗、液容上的附加液阻和附加液感以及液感上的附加液容引起的損耗。改進措施:進一步提高閥通油能力，降低液感。

瞬態(tài)損耗則是由于高速開關(guān)閥的啟閉時間、液壓馬達的困油和管路內(nèi)液壓油的彈性等引起的損耗。改進措施:需要提高高速開關(guān)閥、液壓泵、馬達的頻響。

圖6 液壓變速器試驗樣機

4 總結(jié)

(1)通過分析目前液壓馬達調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速方式及特點，設計了由高速開關(guān)閥控插裝閥進行PWM控制的液壓調(diào)速系統(tǒng)。

(2)分析了該系統(tǒng)響應、速比特性及整體效率，研究表明:系統(tǒng)具有速比特性響應快、系統(tǒng)剛度大、調(diào)速范圍寬、節(jié)流損失低等特點。

(3)系統(tǒng)整體設計合理、結(jié)構(gòu)嚴謹、便于維護，故障的處理也得到簡化，具有進行更深入研究和應用的價值。

［1］馬俊功，王世富.液壓馬達速度伺服系統(tǒng)研究［J］.機床與液壓，2002(6):98-101.

［2］曾文武.基于PWM高速開關(guān)閥控制的旋轉(zhuǎn)平臺液壓系統(tǒng)的研究［J］.液壓氣動與密封，2009(3):40-42.

［3］岑順鋒，吳張永，王嫻，等.基于高速開關(guān)閥的數(shù)字式變量泵研究［J］.中國機械工程，2012，23(6):671-675.

［4］張永強，施光林.一種基于PWM的無閥口損失的液壓位置控制系統(tǒng)［J］.液壓與氣動，2012(6):13-16.

［5］顧臨怡，邱敏秀，金波，等.由液壓總線和開關(guān)液壓源構(gòu)成的新原理液壓系統(tǒng)［J］.機械工程學報，2003，39(1):84-88.