代立明

（山西天地煤機(jī)裝備有限公司，太原030006）

0 引 言

最新的液壓驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)不僅允許高的工作頻率，還可以實(shí)現(xiàn)高負(fù)載及對(duì)運(yùn)動(dòng)或力的精確控制。此類驅(qū)動(dòng)器的最新驅(qū)動(dòng)技術(shù)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(fù)載傳感概念，用于較小力和中等力的系統(tǒng)。2）具有大排量和高功率需求的系統(tǒng)。例如，板坯定型壓力機(jī)采用可變排量的主控制泵或由變速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的泵。對(duì)于具有高壓力、高功率和高頻率要求的大型壓力機(jī)，其主控制驅(qū)動(dòng)器的主要缺點(diǎn)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(qū)動(dòng)器、必要的輔助設(shè)備相結(jié)合需要很大的安裝空間。然而，這種額外的空間及壓力機(jī)上或其附近的設(shè)備可能會(huì)給設(shè)計(jì)、操作、安裝、維護(hù)和安全帶來(lái)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(tǒng)的改進(jìn)概念，需要靠近壓力機(jī)的可變排量單元數(shù)量少得多。圖1（a）顯示了一般布置。該概念將現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)運(yùn)行的可變驅(qū)動(dòng)器與簡(jiǎn)單的數(shù)字液壓缸單元結(jié)合在一起，這些數(shù)字液壓缸單元從一個(gè)置于遠(yuǎn)處并連續(xù)輸送流量的恒壓供應(yīng)系統(tǒng)中獲得動(dòng)力。切換引起的流量波動(dòng)由靠近切換閥的蓄能器補(bǔ)償，連續(xù)運(yùn)行的子系統(tǒng)為模擬驅(qū)動(dòng)器，可切換子系統(tǒng)為助力驅(qū)動(dòng)器。后一個(gè)子系統(tǒng)分為兩個(gè)助力驅(qū)動(dòng)器，以高亮的區(qū)域表示，并標(biāo)記為助力驅(qū)動(dòng)I 級(jí)和II 級(jí)。每一個(gè)助力驅(qū)動(dòng)器都由普通的3/2 方向轉(zhuǎn)換閥和差動(dòng)缸（CI和CII）組成，它們連接到由過(guò)程力F 加載的連接架上。其余的模擬驅(qū)動(dòng)器由1 個(gè)差動(dòng)缸CA、1 個(gè)變量泵P、1 個(gè)蓄能器和一些止回閥組成。此外，CI、CII和CA的環(huán)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(huán)型面積之和和CA的活塞面積相等。就像許多液壓動(dòng)力消耗高的生產(chǎn)工廠所做的那樣，高壓和低壓的恒定壓力供應(yīng)可通過(guò)遠(yuǎn)程站實(shí)現(xiàn)。

圖1 高壓變排量數(shù)字液壓缸驅(qū)動(dòng)技術(shù)概念示意圖

在基本控制策略的方面，只有以特定方式啟動(dòng)模擬和助力驅(qū)動(dòng)器，才能在整個(gè)預(yù)期作用力范圍內(nèi)獲得連續(xù)的作用力[2]。在2 個(gè)助力驅(qū)動(dòng)器都禁用的情況下，可通過(guò)輸入α（即泵排量）改變模擬驅(qū)動(dòng)器及其相關(guān)的力來(lái)影響力分布（如圖1（b））。一旦超過(guò)力的閾值，便會(huì)啟用第一個(gè)助力器驅(qū)動(dòng)器。在沒(méi)有任何進(jìn)一步干擾的情況下，假設(shè)差動(dòng)缸有一個(gè)瞬時(shí)壓力變化，由于助力的突然變化，合力FC=FA+FI+FII將會(huì)不連續(xù)。為了防止系統(tǒng)出現(xiàn)此類不良響應(yīng)，模擬驅(qū)動(dòng)器的壓力必須在同一時(shí)間瞬間反轉(zhuǎn)，以補(bǔ)償不穩(wěn)定的助力器性能。如果達(dá)到了模擬級(jí)和第一級(jí)助力器的可接受最大力水平，則可以對(duì)第二級(jí)助力驅(qū)動(dòng)重復(fù)整個(gè)過(guò)程。假設(shè)助力驅(qū)動(dòng)器可承受的力設(shè)計(jì)為模擬驅(qū)動(dòng)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(shuō)明了模型的基本設(shè)置及其組件的布置，與第1 節(jié)中描述的概念設(shè)置相反。所應(yīng)用的模型包括5 個(gè)大小相等的差動(dòng)缸。因此，為了確保在泵的進(jìn)口和出口處有適當(dāng)?shù)牧髁科胶猓? 個(gè)氣缸的面積比必須為1/5。此外，由于實(shí)際設(shè)備中力對(duì)稱的原因，助力器由氣缸對(duì)組成，由高亮的區(qū)域表示，并由帶有輸入u1和u2的切換閥驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)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(jìn)出口壓力大小。

由于助力驅(qū)動(dòng)器是數(shù)字設(shè)備，可變驅(qū)動(dòng)器是模擬設(shè)備，因此控制被分為幾部分，但仍相互依賴。模擬驅(qū)動(dòng)器由前饋部分和反饋部分組成。助力驅(qū)動(dòng)器由開(kāi)關(guān)邏輯（Switching Logic）控制。這種控制結(jié)構(gòu)遵循基本功能原理，根據(jù)所需速度v 控制適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)斜盤傾角來(lái)控制運(yùn)動(dòng)，如果需要更大的作用力，則打開(kāi)助力器（如圖2（b））。當(dāng)然，系統(tǒng)的穩(wěn)定性主要是受到流體可壓縮性和其他系統(tǒng)缺陷影響。

前饋分量符合期望速度，反饋成分通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的PI結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)kP和kI將實(shí)際位置x 調(diào)整為所需的軌跡xd。暫時(shí)減小期望速度可以抵消助力的快速增加及在位置x 上產(chǎn)生的超調(diào)，這是通過(guò)在切換時(shí)刻疊加脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于更改期望速度時(shí)泵的速度限制，上述補(bǔ)償功能可滿足上述切換后果的抵消。寬度對(duì)應(yīng)于助力驅(qū)動(dòng)中的壓力建立時(shí)間。因此，僅將矩形高度Ai作為新的控制參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了合適的值。數(shù)字驅(qū)動(dòng)器的切換閥的觸發(fā)點(diǎn)（如圖2（a））由切換邏輯確定。它的輸入是過(guò)程力和當(dāng)前位置，其參數(shù)是力和位置的閾值。

圖2 數(shù)字液壓驅(qū)動(dòng)建模與控制

3 試驗(yàn)設(shè)置及結(jié)果

3.1 試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)置

與第2 節(jié)的系統(tǒng)模型相比，試驗(yàn)臺(tái)具有一些明顯的區(qū)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(gè)實(shí)驗(yàn)室中只用一個(gè)動(dòng)力單元實(shí)現(xiàn)了低壓壓力pL的升高，從而提供了供給壓力PS和儲(chǔ)罐壓力PT。高壓PH設(shè)定為PS。如圖3（a）所示，通過(guò)流量控制閥和卸壓閥創(chuàng)建了低壓PL。由于補(bǔ)油系統(tǒng)，溢流閥和流量控制閥的動(dòng)態(tài)能力有限，由助力驅(qū)動(dòng)器切換引起的PL突然變化會(huì)影響PH值，反之亦然。在工業(yè)驅(qū)動(dòng)中，2 個(gè)壓力將獨(dú)立實(shí)現(xiàn)[3]。其次，過(guò)程力不是由材料成型過(guò)程產(chǎn)生的，而是由負(fù)載缸和前饋伺服閥施加的。相應(yīng)的設(shè)置顯示在圖3（b）中。伺服閥輸入是一個(gè)隨時(shí)間變化的信號(hào)，由要求定義，以實(shí)現(xiàn)分別針對(duì)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(qū)動(dòng)器的切換需要非常高的體積流量，由于傳輸線表現(xiàn)出容積約束行為，所有液壓油流量供應(yīng)線都會(huì)因瞬時(shí)流量需求而出現(xiàn)波動(dòng)[4]。

圖3 高低壓試驗(yàn)臺(tái)設(shè)置

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4（a）顯示了使用熱軋板坯定型壓力機(jī)按比例縮小的占空比進(jìn)行的試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量。該占空比以正弦形變軌跡實(shí)現(xiàn)，選擇起始點(diǎn)為x=50 mm，結(jié)束點(diǎn)為x=110 mm。同樣，實(shí)際變形始于x=70 mm。期望位置與測(cè)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(fù)載缸模擬鍛造力。因此，相應(yīng)的伺服閥控制流出的體積流量并因此控制負(fù)載壓力Pload。實(shí)現(xiàn)最大過(guò)程力Fpr≈49 kN 需承受Pload≈15 MPa 的負(fù)載壓力。如圖4（b）所示的第1 行和第2 行，當(dāng)助力驅(qū)動(dòng)器都關(guān)閉時(shí)，在變形過(guò)程結(jié)束時(shí)會(huì)出現(xiàn)輕微的超調(diào)（e<0）。這是由于過(guò)程力和組合有效力減小速度不平衡引起的。如果過(guò)程力的減小速度快于合力，則壓力機(jī)將超過(guò)其所需位置，反之亦然。必須指出的是，這個(gè)特殊的超調(diào)問(wèn)題只是測(cè)試設(shè)備的特定問(wèn)題，這是由Fload的實(shí)驗(yàn)?zāi)M得出的。在實(shí)際工作條件下，鍛造力始終與鍛造深度和鍛造速度協(xié)調(diào)[5]。因此，在該情況下，關(guān)閉助力驅(qū)動(dòng)器后不會(huì)發(fā)生超調(diào)。

4 結(jié) 論

圖4 熱軋板坯定型壓力機(jī)數(shù)字液壓缸驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

本文介紹了一種新穎的液壓驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器結(jié)合了可變排量控制和液壓數(shù)字控制技術(shù)，可在較高的工作頻率下提供較大的力和額定功率。試驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)揭示了增壓驅(qū)動(dòng)器恒壓供應(yīng)系統(tǒng)的弱點(diǎn)。特別是在切換助力驅(qū)動(dòng)器時(shí)，高壓水平明顯下降。該問(wèn)題可以通過(guò)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(lái)克服。