穆洪云，羅艷蕾，鄧行，杜威，劉堯

(1.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550025；2.六盤水師范學(xué)院礦業(yè)與土木工程學(xué)院，貴州六盤水 553000)

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，農(nóng)用機(jī)械迎來(lái)了無(wú)人駕駛技術(shù)[1]，即在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械上加入傳感器和控制器進(jìn)行控制，能夠大大提高農(nóng)用機(jī)械的生產(chǎn)效率，但是對(duì)于農(nóng)用機(jī)械行駛的同步精度提出更高的要求。對(duì)于液壓驅(qū)動(dòng)的農(nóng)用機(jī)械，要求它行駛時(shí)具有良好的直線行駛性、高準(zhǔn)確性，必須提高驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)的同步精度。對(duì)于液壓系統(tǒng)的同步控制，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究[2-13]，譚頓等人[14]提出一種基于改進(jìn)粒子群算法的雙液壓馬達(dá)同步控制策略，仿真結(jié)果顯示該方法能夠有效減少系統(tǒng)超調(diào)量與同步誤差，并且能夠提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。陳靖等人[15]提出一種同步閥+電磁比例閥的液壓驅(qū)動(dòng)地盤，為農(nóng)用機(jī)械底盤設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。丁海港等[16]提出一種抗時(shí)變偏載的負(fù)載敏感變速分流同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以有效提高執(zhí)行元件的同步精度。

本文作者在以上研究的基礎(chǔ)上提出一種農(nóng)用機(jī)械負(fù)載敏感分流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時(shí)具備負(fù)載敏感系統(tǒng)和分流閥的優(yōu)點(diǎn)，與閉環(huán)反饋同步控制相比，該系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟(jì)性，能夠滿足農(nóng)用機(jī)械高直線行駛性、高準(zhǔn)確性的要求。

1 系統(tǒng)原理分析

1.1 液壓工作原理分析

如圖1所示，該系統(tǒng)為開式系統(tǒng)，采用了閥后壓力補(bǔ)償技術(shù)，當(dāng)多路閥處于左位或右位工作時(shí)均能實(shí)現(xiàn)壓力補(bǔ)償功能。動(dòng)力源3帶動(dòng)負(fù)載敏感泵1轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生高壓油，從負(fù)載敏感泵1出來(lái)的高壓油通過分流閥4分別進(jìn)入多路閥5.1和5.2，當(dāng)多路閥5.1和5.2處于中位時(shí)，高壓油直接通過冷卻器10和過濾器11流回油箱12，實(shí)現(xiàn)卸荷功能；當(dāng)多路閥5.1和5.2處于左位工作時(shí)，高壓油分別通過壓力補(bǔ)償閥6.1和6.3進(jìn)入液壓馬達(dá)9.1和9.2，液壓馬達(dá)9.1和9.2開始轉(zhuǎn)動(dòng)，從液壓馬達(dá)9.1和9.2出來(lái)的低壓油分別通過單向閥7.2和7.4進(jìn)入多路閥5.1和5.2，再通過冷卻器10和過濾器11流回油箱12。當(dāng)冷卻器10和過濾器11發(fā)生堵塞時(shí)，低壓油通過單向閥7.5和7.6流回油箱12。

1.2 壓力補(bǔ)償原理與分流原理分析

取壓力補(bǔ)償閥分析壓力，則：

(1)

Δpn=pP-pn

(2)

取分流閥和多路閥分析流量，則：

(3)

式中：qn為通過閥芯流量；Cdn為流量系數(shù)；An為分流閥和多路閥閥芯開口面積；m為指數(shù)。

2 系統(tǒng)建模

2.1 負(fù)載敏感泵建模

根據(jù)圖1中負(fù)載敏感泵1工作原理，利用AMESim中的HCD庫(kù)建立如圖2所示模型，系統(tǒng)仿真前，柱塞油缸下腔在彈簧力的作用下流回油箱，變量泵排量最大。開機(jī)后負(fù)載壓力引至負(fù)載敏感閥彈簧腔，兩端受力平衡pP=pLS+3 MPa，負(fù)載敏感閥閥口關(guān)閉，變量泵的斜盤傾角維持在某一位置，提供比例溢流閥閥所需的流量。流量增加過程，當(dāng)節(jié)流閥開口增大，閥口的節(jié)流作用減弱，Δp減小，負(fù)載敏感閥兩端壓差Δp=pP-pLS<3 MPa,負(fù)載敏感閥閥芯向上移動(dòng)，柱塞缸下腔流量流回油箱，閥芯往下移動(dòng)，變量泵排量增加。流量減少過程，當(dāng)節(jié)流閥開口減小時(shí)，閥口的節(jié)流作用加強(qiáng)，Δp增大，負(fù)載敏感閥兩端壓差Δp=pP-pLS>3 MPa,負(fù)載敏感閥閥芯向下移動(dòng)，流量進(jìn)入柱塞缸下腔，變量馬達(dá)排量減小。高壓待機(jī)狀態(tài)，pP=pLS,3 MPa彈簧力將負(fù)載敏感閥推向上位，變量泵持續(xù)輸出的流量將導(dǎo)致出口壓力迅速上升并超過30 MPa，壓力切斷閥克服30 MPa彈簧力，閥芯往下移動(dòng)，使壓力油流入柱塞缸下腔，推動(dòng)斜盤傾角處于排量幾乎為0的位置，變量泵提供保持高壓狀態(tài)下系統(tǒng)內(nèi)泄漏的流量。

在圖2中，節(jié)流閥模擬負(fù)載流量需求，比例溢流閥模擬外負(fù)載變化。設(shè)定節(jié)流量口直徑為7 mm，負(fù)載壓力為0～20 MPa，仿真時(shí)間為5 s，則節(jié)流閥閥前、閥后壓力和流量如圖3所示?？芍合到y(tǒng)在0.6 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定后閥前閥后壓差為3 MPa。隨著負(fù)載的增加，流量不再發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)流量與負(fù)載無(wú)關(guān)。

2.2 分流閥建模

根據(jù)分流閥的工作原理，建立如圖4所示模型，液壓油通過1口分別進(jìn)入中間的2個(gè)容腔，其中左側(cè)的容腔連接質(zhì)量塊左腔，并且通過節(jié)流閥連接右側(cè)彈簧腔，另一側(cè)容腔同理。當(dāng)2口和3口的負(fù)載相同時(shí)，閥芯位于中間，兩腔閥芯開口大小相等，流量相等；當(dāng)2口壓力增大時(shí)，需要更大流量，閥芯向左移動(dòng)，左側(cè)閥芯開口增大，流量增加，右側(cè)閥芯開口減小，流量減小，使得2口和3口的流量相等，其他工況同理。

2.3 多路閥建模

根據(jù)多路閥的工作原理建立如圖5所示模型，3口為進(jìn)油口，2口和4口為出油口，1口和5口為回油口，右端比例電磁體可以根據(jù)輸入的電信號(hào)的大小輸出對(duì)應(yīng)的力，推動(dòng)閥芯移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)左位、中位和右位工作。

2.4 系統(tǒng)建模

根據(jù)農(nóng)用機(jī)械液壓驅(qū)動(dòng)原理(圖1)，建立如圖6所示模型?？紤]農(nóng)用機(jī)械在行駛過程中實(shí)際情況，在液壓馬達(dá)9.1和9.2后增加了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。忽略系統(tǒng)泄漏，設(shè)置仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

3 仿真分析

3.1 同步分析

設(shè)定仿真時(shí)間為5 s，步長(zhǎng)為0.01 s，進(jìn)行仿真，分析液壓馬達(dá)9.1和9.2的同步轉(zhuǎn)速曲線和同步誤差曲線，仿真結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可知：當(dāng)多路閥全開時(shí)，系統(tǒng)在0.9 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，液壓液馬達(dá)9.1轉(zhuǎn)速為369 r/min，液壓馬達(dá)9.2轉(zhuǎn)速為371 r/min，達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速前液壓馬達(dá)9.1和9.2最大的同步誤差為851 r/min，達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，液壓馬達(dá)9.1和9.2同步誤差為2 r/min；當(dāng)多路閥半開時(shí)，系統(tǒng)在0.8 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，液壓液馬達(dá)9.1轉(zhuǎn)速為88 r/min，液壓馬達(dá)9.2轉(zhuǎn)速為87 r/min，達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速前液壓馬達(dá)9.1和9.2最大的同步誤差為466 r/min，達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，液壓馬達(dá)9.1和9.2同步誤差為1 r/min。故該系統(tǒng)在偏載啟動(dòng)時(shí)，能夠迅速達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，并且同步精度高，能夠應(yīng)對(duì)農(nóng)用機(jī)械復(fù)雜的啟動(dòng)環(huán)境。

3.2 魯棒性分析

為了分析系統(tǒng)的魯棒性，在t=2.5 s時(shí)，將液壓馬達(dá)9.1外負(fù)載轉(zhuǎn)矩減少50 N·m，將液壓馬達(dá)9.2外負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加50 N·m，仿真結(jié)果分別如圖9和圖10所示。

由圖9和圖10可知：當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，系統(tǒng)在0.7 s內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定，當(dāng)多路閥全開時(shí)，最大同步誤差為179 r/min，當(dāng)多路閥半開時(shí)，最大同步誤差為280 r/min。故該系統(tǒng)具有較好的魯棒性，能夠滿足農(nóng)用機(jī)械復(fù)雜的行駛環(huán)境要求。

4 結(jié)論

提出一種農(nóng)用機(jī)械負(fù)載敏感分流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。仿真結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快和同步精度高的優(yōu)點(diǎn)，在偏載啟動(dòng)時(shí)，無(wú)論多路閥全開還是半開，液壓馬達(dá)均能在0.9 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后同步誤差小于2 r/min。該系統(tǒng)具有較好的魯棒性，當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，系統(tǒng)能在0.7 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)能夠適應(yīng)農(nóng)用機(jī)械偏載啟動(dòng)和負(fù)載突變的工況，滿足現(xiàn)代農(nóng)用機(jī)械在行駛過程中所要求的高直線行駛性、高準(zhǔn)確性，為現(xiàn)代農(nóng)用機(jī)械底盤設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。