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        車(chē)載移動(dòng)泵站液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究①

        2021-12-21 03:17:58臧克江黃建祥謝煌生陳木鳳楊炫松
        關(guān)鍵詞:液壓泵馬達(dá)泵站

        臧克江,黃建祥,謝煌生,金 璐 ,陳木鳳,楊炫松,葉 婷

        (1.龍巖學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院,福建 龍巖 364012;2.龍巖市海德馨汽車(chē)有限公司,福建 龍巖 364000)

        0 引 言

        移動(dòng)泵站是相對(duì)固定泵站而言的。固定泵站是指用于灌溉、排澇以及調(diào)水等功能的大型泵站,裝機(jī)容量大,流量大、固定不可移動(dòng)的水利設(shè)施工程,而移動(dòng)泵站是指流量比較大、可移動(dòng),用于應(yīng)急、搶險(xiǎn)救災(zāi)的供排水裝備[1]。移動(dòng)泵站的能源來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī),因此移動(dòng)泵站是一個(gè)靈活、機(jī)動(dòng)的獨(dú)立設(shè)備。移動(dòng)泵站可為自走式和拖掛兩種形式,就目前發(fā)展趨勢(shì)而言,車(chē)載移動(dòng)泵站是發(fā)展趨勢(shì)。移動(dòng)泵站的核心部件是吸水動(dòng)力單元,包括吸水管部分、水泵、水泵驅(qū)動(dòng)部分以及排水管等構(gòu)成[2]。早期的水泵驅(qū)動(dòng)部分為電動(dòng)機(jī),這就需要一套發(fā)電系統(tǒng)把發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能,再通過(guò)調(diào)節(jié)控制,提供給電動(dòng)機(jī)。由于電動(dòng)機(jī)在水環(huán)境下工作,需要高等級(jí)防護(hù),給移動(dòng)泵站安全工作帶來(lái)困難。高壓大流量液壓元件給大功率能量傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用帶來(lái)方便,目前有液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)泵代替電機(jī)驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)泵站的可能,這種優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)泵站有高的安全性,同時(shí),在相同功率條件下,液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)泵站可以實(shí)現(xiàn)輕量化。本文對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)的車(chē)載移動(dòng)泵站的能量匹配系統(tǒng)進(jìn)行分析,在此基礎(chǔ)上,以一種車(chē)載移動(dòng)泵站為例進(jìn)行吸水動(dòng)力單元系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算,并通過(guò)AMEsim進(jìn)行仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證,此項(xiàng)工作將為車(chē)載移動(dòng)泵站液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一種方法。

        1 車(chē)載泵站排水系統(tǒng)工作原理

        圖1為車(chē)載泵站排水動(dòng)力系統(tǒng)與控制框圖,圖中雙線箭頭“?”表示能量傳輸與轉(zhuǎn)換的方向,單線箭頭“→”為控制信號(hào)。右端液壓馬達(dá)與水泵構(gòu)成了吸水動(dòng)力單元,在框圖中用雙點(diǎn)劃線將其框起來(lái),在系統(tǒng)中是一個(gè)獨(dú)立部件。

        圖1 車(chē)載泵站排水系統(tǒng)動(dòng)力與控制框圖

        在本系統(tǒng)中,液壓泵直接與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸直接相聯(lián),液壓泵將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液壓能;液壓馬達(dá)與水泵直接相聯(lián),水泵將液壓馬達(dá)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成輸送水的動(dòng)能和壓力能;液壓泵、控制閥以及液壓馬達(dá)構(gòu)成了液壓傳動(dòng)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)從發(fā)動(dòng)機(jī)到水泵的能量傳輸與轉(zhuǎn)換;控制系統(tǒng)對(duì)可以對(duì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制,也可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制,從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與水泵的動(dòng)力參數(shù)調(diào)節(jié)控制,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的最佳匹配。

        2 液壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        車(chē)載泵站排水動(dòng)力系統(tǒng)的液壓傳動(dòng)及控制原理如圖2所示。本液壓系統(tǒng)采用開(kāi)式容積控制系統(tǒng),變量泵控制定量馬達(dá),液壓馬達(dá)與水泵直接連接,液壓泵與發(fā)動(dòng)機(jī)連接,通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)控制泵的轉(zhuǎn)速,通過(guò)調(diào)節(jié)液壓泵的排量使液壓馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)在水泵設(shè)計(jì)工作點(diǎn)速度上。設(shè)置了電磁溢流閥,可以調(diào)節(jié)電磁溢流閥的動(dòng)作時(shí)間控制系統(tǒng)啟動(dòng)平穩(wěn)性,并作為液壓系統(tǒng)的安全閥。

        圖2 液壓傳動(dòng)及控制原理圖

        3 動(dòng)力傳遞系統(tǒng)參數(shù)分析

        由圖1可以看出,車(chē)載泵站排水系統(tǒng)動(dòng)力傳動(dòng)過(guò)程是通過(guò)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能傳遞給水泵的,發(fā)動(dòng)機(jī)是這個(gè)能量系統(tǒng)的輸入端,水泵能量的輸出端,也就是執(zhí)行端,能量傳遞各個(gè)環(huán)節(jié)的動(dòng)力參數(shù)由輸出端來(lái)決定,因此,分析本系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)參數(shù)必須從水泵動(dòng)力參數(shù)開(kāi)始[3][4]。

        一般已知水泵的設(shè)計(jì)工作點(diǎn)參數(shù):水泵流QW(m3/h),水泵轉(zhuǎn)速n(r/min),水泵揚(yáng)程HW(m)。由以上已知參數(shù)可以推導(dǎo)出水泵的動(dòng)力參數(shù)公式(1),(2):

        NWO=ρgHWQW

        (1)

        (2)

        式(1),式(2)中:NWO為水泵的輸出功率,kw;TW為水泵輸入扭矩,N·m;ηW為水泵設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的效率。

        由于水泵與液壓馬達(dá)直接連接,因此有NW=NMO,TW=TM,nM=n。液壓馬達(dá)與水泵動(dòng)力參數(shù)匹配公式(3)-(6):

        (3)

        NMI=2πnMTM

        (4)

        (5)

        (6)

        式(3)-式(6)中:NW為水泵輸入功率,kw;NMO為液壓馬達(dá)輸出功率,kw;TM為液壓馬達(dá)輸出扭矩,N·m;nM為液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速,r/min;NMI為液壓馬達(dá)輸入功率,kw;ηMm為液壓馬達(dá)的機(jī)械效率;ηMv為液壓馬達(dá)的容積效率;QM為液壓馬達(dá)輸入流量,l/min;ΔpM為液壓馬達(dá)進(jìn)出口壓力差,Mpa;VM為液壓馬達(dá)的排量,ml/r)

        液壓泵與液壓馬達(dá)匹配公式(7)-(11):

        NPO=NMI

        (7)

        (8)

        NPI=2πnPTP

        (9)

        (10)

        (11)

        式(7)-式(11)中:NPO為液壓泵輸出功率,kw;NPI為液壓泵輸入功率,kw;ηPm為液壓泵的機(jī)械效率;ηPv為液壓泵的容積效率;TP為液壓泵輸出扭矩,N·m;nP為液壓泵轉(zhuǎn)速,r/min;VP為液壓泵的排量,ml/r;QM為液壓泵輸入流量,l/min;Δpp為液壓泵進(jìn)出口壓力差,Mpa。

        液壓泵與發(fā)動(dòng)機(jī)直接連接,因此,TP=TEnP=nENPI=NE,式中:NE為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率,kw;TE為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩,N·m;nE為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min)。

        4 實(shí)例計(jì)算與仿真

        4.1 參數(shù)確定及液壓元件選擇

        某車(chē)載移動(dòng)泵站的設(shè)計(jì)工作點(diǎn):水泵流QW=3000m3/h,水泵轉(zhuǎn)速n=1150r/min,水泵揚(yáng)程Hw=12m。在計(jì)算過(guò)程中,水泵設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的效率水ηW=0.83;液壓馬達(dá)的機(jī)械效率ηMm=0.95,液壓馬達(dá)的容積效率ηMv=0.95;液壓泵的機(jī)械效率ηPm=0.95,液壓泵的容積效率ηPv=0.95,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速nE=2000r/min。

        計(jì)算得到:水泵的輸出功率NWO=98.10kw;水泵輸入扭矩TW=983.12N·m。

        由以上動(dòng)力匹配關(guān)系選擇液壓系統(tǒng)的主要元件參數(shù)。若液壓系統(tǒng)壓力取pP=32Mpa,通過(guò)計(jì)算,液壓馬達(dá)的排量為VM=203.09ml/r,液壓泵的排量為VP=129.34ml/r。選取液壓泵與液壓馬達(dá)的主要性能參數(shù)如表1。

        表1 液壓泵與液壓馬達(dá)主要參數(shù)

        4.2 仿真分析

        為了獲得設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工作特性參數(shù)和驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性,建立了如圖3所示的AMEsim系統(tǒng)模型。系統(tǒng)中采用回轉(zhuǎn)負(fù)載代替水泵,通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼比確定水泵的轉(zhuǎn)矩Tw;轉(zhuǎn)速傳感器將水泵的轉(zhuǎn)速反饋給控制端;為了快速得到計(jì)算結(jié)果,采用了PID環(huán)節(jié),并在PID前添加了一個(gè)比例環(huán)節(jié),對(duì)速度比較信號(hào)進(jìn)行了變換;由于液壓泵與液壓馬達(dá)間距離較遠(yuǎn),在計(jì)算過(guò)程中對(duì)管路的液組、液容以及液壓體的慣性進(jìn)行了考慮,高、低壓管路總長(zhǎng)為30m,油管內(nèi)徑為30mm,溢流閥設(shè)置壓力為32Mpa,液壓泵的轉(zhuǎn)速為2000r/min,液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為1150r/min。當(dāng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為1150r/min時(shí),回轉(zhuǎn)負(fù)載產(chǎn)生的摩擦扭矩為T(mén)W=983.12N·m[5]。

        圖3 液壓傳動(dòng)及控制仿真原理圖

        4.3 仿真結(jié)果與分析

        在模型中設(shè)置仿真時(shí)間為10s,時(shí)間步長(zhǎng)為 0.01s,開(kāi)始仿真。液壓馬達(dá)速度曲線圖和液壓泵與液壓馬達(dá)壓力曲線圖,如圖 4、圖 5所示。由于液壓馬達(dá)選型為排量為210ml/r,因此,系統(tǒng)工作壓力降低為31.5Mpa左右,由于考慮了管路的損失,從圖5液壓泵與液壓馬達(dá)壓力曲線仿真結(jié)果可以看出,液壓馬達(dá)的出口壓力比液壓泵的出口壓力低0.3Mpa左右。

        圖4 液壓馬達(dá)速度曲線

        圖5 液壓泵與液壓馬達(dá)壓力曲線

        由于液壓管路的容積效應(yīng),使液壓系統(tǒng)工作進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)需要一段時(shí)間,啟動(dòng)瞬間會(huì)有系統(tǒng)震動(dòng)現(xiàn)象[6]。

        5 試驗(yàn)測(cè)試

        對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試,試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖6所示。在泵的出口處安裝壓力傳感器,通過(guò)can通訊軟件進(jìn)行時(shí)時(shí)5ms一幀進(jìn)行接收,并繪制出時(shí)時(shí)曲線圖;初始連接好測(cè)試設(shè)備后,進(jìn)行開(kāi)始采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行矯正,再進(jìn)行調(diào)制到運(yùn)行工作狀態(tài)。在水泵出水口處采用多普勒超聲流量測(cè)試儀進(jìn)行流量測(cè)試;圖7和圖8分別為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2000r/min時(shí)液壓泵工作壓力曲線和水泵出口流量曲線,從圖中可以看出,當(dāng)發(fā)動(dòng)轉(zhuǎn)速達(dá)到2000r/min運(yùn)行穩(wěn)定后,液壓泵負(fù)載為31.56MPa,水泵的進(jìn)水流量值達(dá)到2982.42m/h,已經(jīng)達(dá)到了初始設(shè)計(jì)值,與仿真分析值非常吻合。

        圖6 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

        圖7 液壓泵工作壓力曲線

        圖8 水泵出口流量曲線圖

        6 結(jié) 語(yǔ)

        對(duì)水泵的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的液壓傳動(dòng)控制系統(tǒng)能量傳輸與轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行了分析,確定了各個(gè)環(huán)節(jié)的動(dòng)力參數(shù)關(guān)系,并進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算,對(duì)實(shí)例系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究,驗(yàn)證了計(jì)算與仿真的正確性。為了快速得到計(jì)算結(jié)果,采用了PID環(huán)節(jié),并在PID前添加了一個(gè)比例環(huán)節(jié),對(duì)速度比較信號(hào)進(jìn)行了變換;由于液壓泵與液壓馬達(dá)間距離較遠(yuǎn),在計(jì)算過(guò)程中對(duì)管路的液組、液容以及液壓體的慣性進(jìn)行了考慮。通過(guò)理論計(jì)算與仿真結(jié)果的對(duì)比,并進(jìn)行了試驗(yàn),驗(yàn)證了仿真的可靠性,同時(shí),仿真過(guò)程中可以加入液阻、液容等參數(shù),使設(shè)計(jì)結(jié)果更接近工程實(shí)際。

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