劉　濤　宋　濤　姚　輝

1.河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島，0660042.先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島，066004

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泵-缸復(fù)合結(jié)構(gòu)新型動(dòng)態(tài)流量計(jì)

劉濤1,2宋濤1,2姚輝1,2

1.河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島，0660042.先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島，066004

針對目前復(fù)雜類型的高頻動(dòng)態(tài)流量精確測量的難題，采用泵-缸復(fù)合結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一種新型動(dòng)、靜態(tài)流量綜合測量流量計(jì)。該流量計(jì)的無載液壓缸部分動(dòng)態(tài)性能好，負(fù)責(zé)高頻流量成分的測量；計(jì)量泵部分可連續(xù)往復(fù)計(jì)量，負(fù)責(zé)低頻穩(wěn)態(tài)流量的計(jì)量。計(jì)量泵用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過對計(jì)量泵的角速度控制，來使無載缸的平衡位置歸零。通過對無載缸速度以及計(jì)量泵角速度的測量，可以綜合得到被測復(fù)雜動(dòng)態(tài)流量。在流量計(jì)三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用AMESim構(gòu)建流量計(jì)物理模型，利用MATLAB完成流量計(jì)控制系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行聯(lián)合仿真，對復(fù)合結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)流量計(jì)的動(dòng)態(tài)性能以及設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。

動(dòng)態(tài)流量計(jì)；泵-缸復(fù)合結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)仿真；位置控制

0　引言

動(dòng)態(tài)流量的測量對于評價(jià)伺服閥、比例閥等液壓元件以及液壓控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性測試非常重要。由于油液流動(dòng)狀態(tài)的復(fù)雜性，以及流量計(jì)自身運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，市場上的多數(shù)流量計(jì)都不能直接用于動(dòng)態(tài)流量的測量。

液壓系統(tǒng)中流量計(jì)主要有三種類型：壓差/壓力式流量計(jì)、轉(zhuǎn)子式流量計(jì)、無載液壓缸流量計(jì)。在通過壓差/壓力進(jìn)行動(dòng)態(tài)流量測量方面，文獻(xiàn)[1-2]提出了通過文丘里管或多孔孔板結(jié)構(gòu)兩端壓力，同時(shí)結(jié)合液壓管路動(dòng)態(tài)模型來確定管路瞬時(shí)流量的計(jì)算方法。華南理工大學(xué)交通學(xué)院也開發(fā)了一種智能化差壓式雙向流量計(jì)。通過電磁式位移傳感器可以測出閥芯位移，再采用單片機(jī)來進(jìn)行信號處理以解決流量與位移的非線性問題，也能進(jìn)行一定的動(dòng)態(tài)流量測量。此外，文獻(xiàn)[3-4]提出了基于軟測量技術(shù)的虛擬動(dòng)態(tài)流量計(jì)模型，在流量測量中引入軟測量技術(shù),以層流流量計(jì)的基本結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)建立動(dòng)態(tài)層流流量模型。文獻(xiàn)[5-6]針對動(dòng)態(tài)流量軟測量中算法效率低及容易陷入局部極小的問題，結(jié)合遺傳算法與BP算法各自的優(yōu)勢，提出了一種測量動(dòng)態(tài)流量適應(yīng)性更強(qiáng)的協(xié)同遺傳BP算法。壓差式流量計(jì)響應(yīng)快，但動(dòng)態(tài)模型難以建立，且存在流量頻率越高、壓差振蕩幅度越大的問題，因此，測量的精度一般不高。

在通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)流量測量方面，王松等[7]提出了渦輪流量計(jì)的動(dòng)態(tài)流量測量方法，先求出渦輪流量計(jì)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，然后通過時(shí)域特性和頻域特性分析出響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較長、頻帶較窄的問題，應(yīng)用零極點(diǎn)相消原理對其進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償[7]。文獻(xiàn)[8-9]基于傳統(tǒng)齒輪流量計(jì)設(shè)計(jì)了行星齒輪流量計(jì)，并推導(dǎo)出行星齒輪內(nèi)嚙合和外嚙合變位系數(shù)的計(jì)算方法，據(jù)此進(jìn)行結(jié)構(gòu)合理化設(shè)計(jì)，通過進(jìn)一步降低流量脈動(dòng)來實(shí)現(xiàn)高壓動(dòng)態(tài)流量的測量。這種流量計(jì)的改進(jìn)方法雖然在一定程度上提高了自身的動(dòng)態(tài)性能，但沒有從根本上解決流量計(jì)主要計(jì)量元件慣性大、響應(yīng)慢的問題，因而適用的頻寬范圍有局限性。

目前在電液伺服閥動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)中廣泛應(yīng)用的是無載液壓缸，其動(dòng)態(tài)特性好、泄漏小、精度高，通過測試液壓缸活塞速度即可得到流量信號。但由于無載缸的行程限制，不能用于有偏置的動(dòng)態(tài)流量連續(xù)測量，即便是掃頻法測量伺服閥頻率特性，也需對伺服閥增加位置控制信號使無載缸平衡位置歸零。本文設(shè)計(jì)了一種泵-缸復(fù)合結(jié)構(gòu)的新型動(dòng)態(tài)流量計(jì)，建立了泵-缸復(fù)合結(jié)構(gòu)流量計(jì)機(jī)電液聯(lián)合仿真模型，并進(jìn)行了測試過程仿真。

1　流量計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

流量計(jì)工作原理如圖1所示。無載缸與計(jì)量泵并聯(lián)連接，無載液壓缸部分動(dòng)態(tài)性能好，負(fù)責(zé)高頻流量成分的測量；計(jì)量泵部分可連續(xù)往復(fù)計(jì)量，負(fù)責(zé)低頻穩(wěn)態(tài)流量的計(jì)量。計(jì)量泵用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過對計(jì)量泵的角速度控制，使無載缸的平衡位置歸零。利用速度傳感器采集活塞速度信號及電機(jī)轉(zhuǎn)速信號，傳入計(jì)量模塊進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算得出被測流量值并實(shí)時(shí)顯示，被測流量計(jì)算公式為

Qt=vA+nV

(1)

式中，v為無載缸速度；A為無載缸作用面積；n為計(jì)量泵轉(zhuǎn)速；V為計(jì)量泵排量。

圖1　流量計(jì)工作原理

流量計(jì)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。無載伺服缸與計(jì)量泵采用板式集成的方法連接在一起，通過閥板中鉆出的孔道使計(jì)量泵的進(jìn)出油口與無載缸頂面開出的連接油孔互通。 計(jì)量泵與伺服電機(jī)間采用插入式連接結(jié)構(gòu)，電機(jī)軸的另一端安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，對泵的角位移及角速度進(jìn)行測量。無載缸采用雙出桿設(shè)計(jì)，兩桿端部分別安裝速度傳感器和位置傳感器。在無載缸缸體上預(yù)設(shè)測試油腔及連接孔，用于連接閥類液壓元件或管路進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能測試。

1.旋轉(zhuǎn)編碼器　2.電機(jī)　3.過渡板　4、15.連接工作腔5、10.測試工作腔　6.速度傳感器　7、11.油缸工作腔　8.油管9.密封塞　12.位移傳感器　13.測試閥板連接孔　14.無載缸16.過渡閥板　17.計(jì)量泵圖2　流量計(jì)結(jié)構(gòu)模型圖

2　流量計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

流量計(jì)控制系統(tǒng)原理如圖3所示，連接在無載缸活塞桿上的位置傳感器檢測無載缸活塞位移，經(jīng)平均化濾波處理后送入無載缸位置控制器?；钊恢玫脑O(shè)定值為零，意味著活塞位置在流量作用下偏離腔體中位時(shí)，流量計(jì)系統(tǒng)將不斷調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過改變流經(jīng)計(jì)量泵的流量，使活塞能始終圍繞中位的小范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。

圖3　控制系統(tǒng)原理

信號處理模塊對指定時(shí)間段T內(nèi)的活塞位移信號進(jìn)行處理，公式如下：

(2)

經(jīng)此處理，在進(jìn)行動(dòng)態(tài)流量測量，尤其是伺服閥等閥類液壓元件動(dòng)態(tài)性能測試時(shí)，可以避免時(shí)刻改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，提高計(jì)量泵轉(zhuǎn)速控制的穩(wěn)定性。

3　復(fù)合流量計(jì)機(jī)電液聯(lián)合仿真建模

利用AMESim構(gòu)建流量計(jì)機(jī)液系統(tǒng)仿真模型，如圖4所示。主要參數(shù)設(shè)定如下：齒輪計(jì)量泵排量為4.75 mL/r，額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min，根據(jù)功率及轉(zhuǎn)速要求，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。計(jì)量泵及電機(jī)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1.03×10-2kg·m2，無載缸活塞直徑為50 mm，質(zhì)量為0.5 kg，活塞桿直徑為20 mm。

圖4　流量計(jì)仿真系統(tǒng)

利用MATLAB中Simulink設(shè)計(jì)控制部分，并將AMESim流量計(jì)機(jī)液系統(tǒng)仿真模型以C函數(shù)模塊嵌入其中構(gòu)建機(jī)電液聯(lián)合仿真模型，如圖5所示。

圖5　控制系統(tǒng)仿真圖

信號處理模塊中指定時(shí)間段T取0.1 s，即每過0.1 s重新進(jìn)行一次平均化濾波處理，加權(quán)系數(shù)a為0.5，b為0.35，c為0.15；流量計(jì)量模塊主要按照式(1)對采集到的活塞位移及計(jì)量泵轉(zhuǎn)速信息進(jìn)行運(yùn)算處理，得到被測流量大?。籔ID中三個(gè)參數(shù)分別為kP=0.85，kI=1.2，kD=0.03。

4　復(fù)合流量計(jì)測試過程仿真

利用Simulink信號源模擬輸入的被測流量曲線如圖6所示，包含10 Hz的正弦分量和低頻變化分量。圖7所示為無載液壓缸的活塞位移曲線，圖中活塞的實(shí)際位移曲線存在著周期性波動(dòng)，均值處理曲線為經(jīng)過均值濾波處理后的曲線，作為無載缸位置反饋信號送入計(jì)量泵轉(zhuǎn)速控制器，提高了控制穩(wěn)定性。

圖8、圖9所示分別為無載缸活塞運(yùn)動(dòng)速度曲線和計(jì)量泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線。

圖6　被測流量曲線

圖7　活塞位移曲線

圖8　活塞運(yùn)動(dòng)速度曲線

圖9　電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

當(dāng)被測流量穩(wěn)態(tài)部分不變時(shí)，活塞在正弦形式波動(dòng)的動(dòng)態(tài)部分作用下其運(yùn)動(dòng)速度形式也為同頻率下的正弦運(yùn)動(dòng)，并可一直保持在腔體中位附近往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在此階段，活塞位移的平均值在指定時(shí)間段內(nèi)為零，因而電機(jī)轉(zhuǎn)速將無需時(shí)刻調(diào)整，電機(jī)保持在相應(yīng)轉(zhuǎn)速上。 當(dāng)穩(wěn)態(tài)部分發(fā)生變化時(shí)，活塞平均位移指定時(shí)間段內(nèi)不為零，電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。由于計(jì)量泵對活塞位置的調(diào)節(jié)作用，活塞在偏離中位較大距離后依然可以重新回到中位附近運(yùn)動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)頂缸現(xiàn)象。

泵、缸測試流量曲線如圖10所示。圖10表明無論被測測量如何變化，計(jì)量泵主要進(jìn)行被測流量穩(wěn)態(tài)部分的測量，而無載缸則進(jìn)行被測流量動(dòng)態(tài)部分的測量。實(shí)現(xiàn)了流量計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。最終得到的測試流量曲線如圖11所示。比較圖6、圖11可以看出，測得流量曲線與被測流量曲線的變化情況基本一致，流量計(jì)具有較好的動(dòng)態(tài)特性。當(dāng)穩(wěn)態(tài)部分處于穩(wěn)定階段時(shí)，測量精度較高；當(dāng)穩(wěn)態(tài)部分處于變化階段時(shí)，由于計(jì)量泵慣性的作用，測量流量的精度會(huì)受到影響。當(dāng)穩(wěn)態(tài)部分由變化階段再次進(jìn)入穩(wěn)定階段時(shí)，測得流量值經(jīng)過短暫調(diào)整依然可恢復(fù)較高測量精度，所需調(diào)整時(shí)間同樣與計(jì)量泵慣性有關(guān)。

圖10　泵、缸測試流量曲線

圖11　測得流量曲線

5　結(jié)論

(1)本文設(shè)計(jì)了一種泵-缸復(fù)合結(jié)構(gòu)的新型動(dòng)態(tài)流量計(jì)，采用板式集成方式，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。

(2)建立了泵-缸復(fù)合結(jié)構(gòu)流量計(jì)機(jī)電液聯(lián)合仿真模型，并進(jìn)行了測試過程仿真。

(3)仿真結(jié)果表明，泵-缸復(fù)合結(jié)構(gòu)流量計(jì)具有較高動(dòng)態(tài)性能，能夠?qū)θ我鈴?fù)雜流量進(jìn)行連續(xù)測量。尤其適用于對偏置高頻動(dòng)態(tài)流量的測試，既可應(yīng)用于電液伺服閥的動(dòng)特性測試[10]，也可應(yīng)用于比例流量閥等液壓元件的動(dòng)態(tài)性能測試，具有良好的應(yīng)用前景。

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(編輯陳勇)

Pump-cylinder Composite Structure New Dynamic Flowmeter

Liu Tao1,2Song Tao1,2Yao Hui1,2

1.Hebei Province Laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control,Qinhuangdao,Hebei,066004 2. Key Laboratory of Ministry of Education for Advanced Forging Press Forming Technology and Science,Qinhuangdao,Hebei,066004

Aiming at the problems of accurate measurement of the complex type of high frequency dynamic flow, a new type of dynamic and static flow meter was designed based on the composite structure of pump and cylinder. The no-load cylinder portion of flow meter had good dynamic performance, which was responsible for the measurements of high frequency flow components. The metering pump portion might measure continuously and reciprocating, which was responsible for the measurements of low-frequency and steady components. The metering pump was driven by a servo motor, and the angular velocity of metering pump was controlled to lead the equilibrium position of no-load cylinder to zero. Through the measurements of the velocities of no-load cylinder and the angular velocities of the pump, the complex dynamic flow might be obtained. Based on three-dimensional design of flowmeter, utilizing AMESim to build the flowmeter physical model, using MATLAB to complete the flowmeter control system modular design, the co-simulation of pump-cylinder composite structure flowmeter was done to verify the dynamic performance of composite structure dynamic flowmeter and the rationality of design parameters.

dynamic flowmeter; pump-cylinder composite structure; system simulation; position control

2015-12-18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51505412)；河北省自然科學(xué)基金-鋼鐵聯(lián)合研究基金資助項(xiàng)目(E2013203126)

TH39

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.15.013

劉濤，男，1973年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授。研究方向?yàn)闄C(jī)電液系統(tǒng)、冶金自動(dòng)化、工業(yè)過程數(shù)據(jù)分析等。發(fā)表論文30余篇。宋濤，男，1992年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。姚輝，男，1992年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。