(山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272000)

隨著全球能源日趨緊張，各國均在新能源、節(jié)能等項(xiàng)目方面積極推進(jìn)，工程機(jī)械也在向智能、節(jié)能方向發(fā)展。工程機(jī)械設(shè)備在建筑施工、礦山行業(yè)等領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用，工程機(jī)械設(shè)備智能控制主要表現(xiàn)在“機(jī)-電-液-智”耦合控制上，節(jié)能主要表現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)及液壓系統(tǒng)功率匹配上，工程機(jī)械設(shè)備正向數(shù)字化、一體化方向發(fā)展。智能、節(jié)能型產(chǎn)品的研發(fā)與設(shè)計(jì)在國外均已開展，我國在這方面起步較晚。本文重點(diǎn)介紹數(shù)字溫控風(fēng)扇系統(tǒng)在工程機(jī)械上的研究及應(yīng)用。

1 傳統(tǒng)溫控風(fēng)扇系統(tǒng)介紹

傳統(tǒng)工程機(jī)械主要采用閉式行走系統(tǒng)，原理圖如圖1 所示。閉式系統(tǒng)有能夠輸出較大扭矩和推力、運(yùn)動(dòng)均勻穩(wěn)定、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，但是液壓油往復(fù)循環(huán)，油液升溫較快。工程機(jī)械液壓系統(tǒng)最佳理想油溫50±5℃，系統(tǒng)油溫過高會(huì)造成油液黏度降低，導(dǎo)致油液變質(zhì)，影響液壓元件的穩(wěn)定性，因此對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的液壓油進(jìn)行及時(shí)有效的降溫顯得至關(guān)重要。

圖1 工程機(jī)械閉式容積系統(tǒng)

工程機(jī)械最開始的溫控風(fēng)扇系統(tǒng)是用靠發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶輪直接帶動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，這種無法滿足冷卻功能，并伴隨能量浪費(fèi)；隨后又出現(xiàn)一種液壓式風(fēng)扇系統(tǒng)，即靠單獨(dú)齒輪泵驅(qū)動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，在實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)時(shí)借用電磁換向閥，這種系統(tǒng)在一定程度上起到了節(jié)能作用，但是風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制精度不高，節(jié)能有限，響應(yīng)速度較慢，效率較低，傳統(tǒng)溫控風(fēng)扇系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 傳統(tǒng)溫控風(fēng)扇系統(tǒng)

2 數(shù)字溫控風(fēng)扇系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字溫控風(fēng)扇系統(tǒng)主要解決風(fēng)扇泵在啟動(dòng)時(shí)不需要發(fā)動(dòng)機(jī)提供太大的扭矩，并根據(jù)液壓系統(tǒng)溫度及馬達(dá)轉(zhuǎn)速反饋實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇系統(tǒng)的無級(jí)調(diào)節(jié)，真正實(shí)現(xiàn)智能、節(jié)能控制，其原理圖如圖3所示。

圖3 數(shù)字電液溫控風(fēng)扇系統(tǒng)

溫控風(fēng)扇系統(tǒng)的最終的執(zhí)行元件是液壓馬達(dá)，馬達(dá)轉(zhuǎn)速是由進(jìn)出馬達(dá)的油液流量決定的，因此在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一個(gè)流量調(diào)節(jié)閥。在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一個(gè)O 型中位機(jī)能的三位四通滑閥式換向閥來改變風(fēng)扇馬達(dá)來進(jìn)出油液方向，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇正反轉(zhuǎn)。不僅可以實(shí)現(xiàn)換向，而且可以通過改變閥芯的位移實(shí)現(xiàn)流量的變化。選擇數(shù)字方向流量閥作為溫控風(fēng)扇系統(tǒng)的控制元件；在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了壓力補(bǔ)償閥來保證數(shù)字方向流量閥進(jìn)出口壓差恒定，有效避免風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)慣性及風(fēng)扇泵出口壓力變化引起的換向閥進(jìn)出口壓差的變化，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。風(fēng)扇馬達(dá)上裝有轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，在油冷器上裝有溫度傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)油液溫度，所有監(jiān)測信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)化器反饋給控制器與數(shù)字閥控制信號(hào)比對(duì)，準(zhǔn)確控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能、智能控制。

3 數(shù)字溫控風(fēng)扇統(tǒng)模型建立

3.1 步進(jìn)電機(jī)數(shù)學(xué)建模

步進(jìn)電機(jī)是將控制器提供的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸的輸出轉(zhuǎn)角位移，得到其力矩方程、電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)方程、凸輪式機(jī)械轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)角位移方程如下。

其中，Tb為步進(jìn)電機(jī)的力矩，Nm；Ti為步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，Nm；Z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；θm為旋轉(zhuǎn)磁場的角位移，°；θ為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角位移，°；Tf為凸倫摩擦力力矩；Jb為轉(zhuǎn)子及負(fù)載的綜合轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kgm2；Bb為阻尼系數(shù)，Ns/m；e為凸輪的偏心距；xv為凸輪式機(jī)械轉(zhuǎn)換器輸出的直線位移。

3.2 壓力補(bǔ)償閥數(shù)學(xué)建模

壓力補(bǔ)償閥是一種定差減壓閥，它工作原理是通過遠(yuǎn)程控制口來調(diào)節(jié)進(jìn)口壓力，以保證進(jìn)口壓力和遠(yuǎn)程控制口的壓力差不變。得到壓力補(bǔ)償閥閥芯受力平衡方程、流量連續(xù)性方程、閥出口流量方程、左腔流量方程、阻尼孔流量方程如下。

其中，My為壓力補(bǔ)償閥閥芯當(dāng)量質(zhì)量，By為壓力補(bǔ)償閥阻尼，Ns/m；ky為閥彈簧剛度，N/m；xy0為彈簧初始位移，m；xy為彈簧閥芯運(yùn)動(dòng)位移，m；kys為液動(dòng)力剛度；Cyd為閥口流量系數(shù)；Dy為閥座孔直徑，m；α為閥口射流角；py為進(jìn)油腔壓力，Pa；pL為遠(yuǎn)程控制口壓力，Pa；Ay為左右兩腔橫截面積，m2；qy1為從壓力補(bǔ)償閥左腔流出的油液流量，m3/s；qyt為從壓力補(bǔ)償閥出口流出的油液流量，m3/s。

3.3 減壓閥數(shù)學(xué)建模

通過分析得到減壓閥的閥芯受力平衡方程、流量連續(xù)性方程、出口流量方程、閥芯上阻尼孔的流量方程如下。

其中，Mj為閥芯當(dāng)量質(zhì)量，kg；xj為定閥芯位移，m；Bj為閥芯運(yùn)動(dòng)阻尼，Ns/m；kj為定值減壓閥的彈簧剛度，N/m；xj0為定值減壓閥的彈簧預(yù)壓縮量，m；kjs為液動(dòng)力系數(shù)；Cjd為定值減壓閥的流量系數(shù)；Dj為定值減壓閥的閥座孔直徑，m；Pj、Pjt為分別是定值減壓閥進(jìn)油口和出油口壓力，Pa；Aj為定值減壓閥出油腔油壓作用面積，m2；qj為流入定值減壓閥的流量，m3/s；qjt為流出定值減壓閥的流量，m3/s；qj1為阻尼孔流量，m3/s；Vj0為控制腔體積，m3。

3.4 數(shù)字閥主閥的數(shù)學(xué)建模

分析得到數(shù)字方向流量閥主閥芯的力平衡方程、主閥的流量連續(xù)性方程、流量閥的流量、阻尼孔流量方程如下。

其中，M為閥芯當(dāng)量質(zhì)量，kg；x為閥芯位移，m；B為閥芯運(yùn)動(dòng)阻尼，Ns/m；k為主閥的彈簧剛度，N/m；x0為主閥彈簧預(yù)壓縮量，m；ks為液動(dòng)力系數(shù)；p為油液進(jìn)口壓力，Pa；PL為主閥A（B）口的壓力，Pa；p1、p2為左腔和右腔壓力，Pa；A1、A2為分別是主閥左腔和右腔橫截面積，m2；q為流入的油液流量，m3/s；A為主閥腔面積，m2；V0為進(jìn)油腔體積，m3；kq為主閥的流量系數(shù)；kc為主閥的流量-壓力系數(shù)。

3.5 液壓馬達(dá)數(shù)學(xué)建模

數(shù)字方向流量閥的線性化流量方程、液壓馬達(dá)流量連續(xù)性方程、風(fēng)扇馬達(dá)軸所受的力矩平衡方程如下。

其中，Dm為液壓馬達(dá)的每弧度排量，m3/rad；θm為液壓馬達(dá)的角位移，rad；Cm為液壓馬達(dá)總的泄漏系數(shù)；Jm為折算到液壓馬達(dá)軸上的負(fù)載和馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和，kgm2；Bm為黏性阻尼系數(shù)，Ns/m；K為負(fù)載扭轉(zhuǎn)彈簧剛度，Nm/rad；TL為作于馬達(dá)軸上的外負(fù)載力矩；Vm0為總?cè)莘e，m3。

3.6 速度傳感器數(shù)學(xué)建模

傳感器的數(shù)學(xué)建模是采用近似的線性方法，忽略一些非關(guān)鍵性因素，把傳感器簡化特性不隨時(shí)間變化的線性系數(shù)。用線性時(shí)不變控制理論來表述傳感器的固有特性，可以看成比例環(huán)節(jié)

其中，K為速度傳感器比例增益。

將式（1）～（18）式進(jìn)行拉氏變換，根據(jù)簡化原則對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行簡化合并，得到數(shù)字電液控制溫控風(fēng)扇系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖，如4 圖所示。該系統(tǒng)輸入量為電量脈沖信號(hào)，輸出量為數(shù)字方向流量閥閥芯位移，即步進(jìn)電機(jī)接收到多少脈沖信號(hào)，閥芯就移動(dòng)相應(yīng)比例的位移量。

圖4 數(shù)字電液溫控風(fēng)扇系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖

4 數(shù)字電液溫控風(fēng)扇系統(tǒng)仿真分析及論證

在MATLAB/Simulink 軟件環(huán)境下進(jìn)行分析，設(shè)傳感器增益為1，并代入其它參數(shù)（以靜壓推土機(jī)作為仿真對(duì)象，因涉及整機(jī)液壓系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)，暫不作詳述）。在仿真軟件環(huán)境下構(gòu)造模型；得到數(shù)字電液溫控風(fēng)扇系統(tǒng)模型的閉環(huán)Bode圖、單位階躍信號(hào)曲線如圖5、圖6 所示。

由圖5 可知，此系統(tǒng)有正的幅值裕度（即所得到的相頻特性曲線沒有與-180°線相交，則說明系統(tǒng)幅值裕量趨于+∞）及正的相位裕度（即所得到的幅頻特性曲線在0 點(diǎn)時(shí)，對(duì)應(yīng)的相頻特性曲線在-180°線以上），系統(tǒng)穩(wěn)定性很好。

由圖6 可知，數(shù)字電液溫控風(fēng)扇系統(tǒng)階躍響應(yīng)信號(hào)曲線上升時(shí)間為0.015s，達(dá)到峰值時(shí)間為0.024s，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間為0.15s，由此可以看出系統(tǒng)響應(yīng)很快，系統(tǒng)靈敏度高。

5 結(jié)語

圖5 數(shù)字電液溫控風(fēng)扇系統(tǒng)閉環(huán)Bode圖

圖6 數(shù)字電液溫控風(fēng)扇系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)

從控制理論上講系統(tǒng)的相位裕度和幅值裕度都有一個(gè)理想的選擇范圍，過大或者過小都會(huì)影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性；單位階躍響應(yīng)的峰值，超調(diào)量為54.7%，系統(tǒng)的超調(diào)量過大，說明溫控風(fēng)扇系統(tǒng)平穩(wěn)，但是平穩(wěn)性不理想，數(shù)學(xué)模型中系統(tǒng)的阻尼比越小，則超調(diào)量就越大。為了能有效地消除振蕩；可以將智能控制器如模糊PID 控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等引入系統(tǒng)，來保證系統(tǒng)良好的平穩(wěn)性，這種控制方式可以作為后續(xù)的研究方向。從溫控系統(tǒng)上講，此數(shù)字溫控系統(tǒng)響應(yīng)快，穩(wěn)定并可以實(shí)時(shí)監(jiān)測兩側(cè)馬達(dá)的速度及系統(tǒng)油液溫度，很好地解決工程機(jī)械液壓系統(tǒng)油溫高的問題，真正實(shí)現(xiàn)智能、節(jié)能。