（机械电子工程专业论文）蓄能器减小液压驱动系统液压冲击的试验研究.pdf

摘要 工程机械车辆机械传动系统f 逐步破液压传动系统所以代。传统的机械传动 对负荷波动和冲击是无法解决的。液压传动可以通过不同方式来降低液压冲击对 整机效率的影响。 根据对液压驱动系统的简化分析，给出了液压驱动系统在添加蓄能器和未添 加蓄能器两种不同情况下的数学模型。基于这两种模型，对液压驱动系统进行了 动态分析。文中动态仿真和试验结果的对比分析表明：添加蓄能器是减小液压冲 击，提高能量利用率行之有效的方法之一。研究的目的在于通过分析在液压驱动 系统中利用蓄能器来对波动和冲击负荷能量给予吸收和再利用，给出在驱动系统 中合理配置蓄能器的方案。 关键词：传动系统；液压传动；蓄能器；液压冲击；动态仿真；试验研究 a b s t r a c t m e c h a i l i c a ld d v es y s t e mi sg r a d t i a l l yr 印l a c e db yt h ch y d r a u l i c “v es y s t 哪i n o o i 塔仃u c t i o nm e c h a r i i c a lv e h i c l e 。t h e 仃a d i t i o n a lm e c h a i l i c a l 缸舭s m i s s i o nc a 芏ln o t l u 把t i i en u c t i l a l i o 璐a i l ds h o c ko fl o a d 。h y d c 觚l i c 拍v es y s t e mc 锄m d u t l l e h y d m u l i cs h o c ki i n p a c to nt i l ee 衢c i e n c yo ft i l ew h o l em a c t l i r l e r yb yt h ed i 仃e f e = n t w a y s a c c _ o r d i n gt 0t h es i m p i 蚵a i l a i y s i so ft l l eh y d m u l i cd r i v es y g 嘧n ，t w od i 腑r e n t m a t h e m a t i c a im o d e l sw t l i c ha r en o ta d d e ds t o m g ed e v i c 鼯锄da d d e ds t o m g ed e “c e s i nt t l eh y d 舢l i cd r i v es y s t e ma r er c c o m m e n d e d 。a c c o r d i n gt ot h et w om a t l l 册a l i c a l m o d e l s ，p a p 盯d y n a m i c a l l y 锄a l y s i st l l eh y d r a u l i c “v es y s t 锄。1 1 他c o r r e l a t e 锄a l y s i s o f d y n a l l l i cs i i i l u l a t i o n 锄dt e s t 糟鲫ns 1 1 0 娜m a t 甜d i l l gg t o r a g ed e v i c e si so 舱o f 恤 e 厅e c t i v ew a y sw h j c hc 粗r e d u c et l l eh y d 训i cs h o c ka i l di n c r e 嬲ee 1 1 e r g yu t i l i z a 缸o n 。 n e p u 珥，0 s eo f 咖d yi s t l l a tb ya l l a l y 五n g 幽eh y d r a m i c 蹦v es y g t c mb y 也eu s eo f s t o r f 喀ed e v i c e st oa b s o r ba 1 1 dr e l l s ec i l e f g yo f h y d m u l i cs b o c k 卸df l u c t 眦t i o n sl o a d ， p a p e rg i v et l l ep r o g r a mo f m t i o n a ia l i o c a t i o no f s t o r a g ed e v i c e si l lt h eh y 出叫l i cd r i v e s y s t 锄。 k e yw o r d s ：d r i v es y s t e m ；h y d 圳l i cd r i v c ；s t o m g ed e “c e ；h y d r 砌i cs h o c k ； d y 彻m j cs i m u l a t i o n ；1 h ts t u d y 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文q 已经注明引用的内容外，对论文的 研究傲鲞重要贡献麴令人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公丌发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者虢逸衙 别年占月毋口 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密豹论文在解密后应遵守此规定) 论文l 乍者签名： 导师签名： 龟氟 彤当；铭 翮g 年g 月莎目 西年6 月8 日 第一章绪论 1 1 工程机械驱动系统概述 1 1 1 工程机械作业特点 工程机械种类繁多，大部分在野外工作，其作业特点和对机械的性能要求有 以下特殊之处1 l ： 1 工程机械作业环境恶劣，负荷波动变化较大，对系统造成较大的冲击， 导致整机运行不平稳，性能严重下降。 2 工程机械工况复杂，作业对象多变，常常在变载荷情况下工作，对机器 的可靠性和适应能力有较高的要求。因此，要保证机器连续可靠的工作，除对机 器作业实行有效的控制之外，必须进行机器动态性能的研究，知道机器的实际使 用性能。 3 工程质量是百年大计，对机械作业质量的要求越来越高，机电液一体化 技术得到了广泛的应用。作业质量控制的对策主要有两条：一方面加紧新型工作 原理机器的研究，另一方面就是采用机电液一体化技术来提高机器的性能。 1 1 2 传统机械传动特点及存在的问题 传统的机械传动方式中，存在着下列问题： 1 工程机械使用的全程调速器式发动机的特点为，不论负荷扭矩如何变 化，都维持一定的转速。因此，随着所需功率的减小，燃料消耗急剧增加( 在万 有特性上表现为低负荷点位于高耗油上) ，某一给定转速下的功率利用率( 指实 际使用功率与相同转速下所能发挥的最大功率之比) 也显著降低。 2 一般的机械变速传动系统，为使发动机的特性与负荷所要求的性能协调 一致，可以根据负荷的变化来适当调节发动机供油量( 油门) 和选择合适的档位 来满足。但是这种有级的速比调节往往会使负荷所要求的功率和转速得不到满 足，机器常常处于不合理的运转状态。 工程机械牵引系统长期以来一直存在的关键问题是：如何最简单而又适宜地 使发动机和传动系网外部负荷之间始终保持最合理的匹配。传统的机械传动和液 力机械传动都是通过不同传动比的多档位变速装置使机械适应宽广的负荷和变 速范围要求。然而档位的有级变化不能与负荷要求实现最合理的匹配，加之变换 档位的操作需要司机在适当的机进行，操作复杂且不能总是选择这一时机，因而 无法保持机械始终适应负荷变化而在最佳状态工作，机械的动力性、经济性、作 业生产率都将降低。 液压控制的目的就在于改进上述两点不足，同时，努力提高液压装置的传动 效率，根据各种外界负荷的变化，使发动机和传动系统的各项性能指标都较佳。 1 1 3 液压传动的特点及其发展的必然性 液压传动没有固定的传动比，不仅可以改善工程机械底盘的布局和通过能 力，便于实现自动化等，更重要的是，可以和发动机一起吸收外界的波动载荷， 甚至可以独立吸收外载荷的波动，以改善发动机的工作环境。 与机械传动相比，液压传动具有以下优点”l ： 1 在同等功率下，液压装置的体积小，质量轻，结构紧凑。例如液压马达 的体积和质量只是同等功率电动机的1 2 左右。 2 液压装置工作比较稳定。由于质量轻，惯性小，反应快，液压装置易于 实现快速启动、制动和频繁的换向。液压装置的换向频率在实现往复回转运动时 可达5 5 0 次，m i l l ，实现往复直线运动时可达1 0 0 0 次m i l i 。 3 液压装置能在较大范围内实现无级调速，它还可以在运动的过程中进行 调速。 4 液压传动易于实现自动化。这是因为它对液体压力、流量或流动方向易 于进行调节或控制的缘故。当将液压控制和电气控制、电子控制或气动控制结合 起来使用时，整个传动装置能实现很复杂的顺序动作，接受远程控制。近年来液 压传动和微电子技术密切结合，得以在尽可能小的空间内传递出尽可能大的功率 并加以精确控制。 5 液压装置易于实现过载保护。液压缸和液压马达能长期在失速状态下工 作而不会过载，这是电气传动装置和机械传动装置无法办到的。液压元件能自行 润滑，使用寿命较长。 2 6 由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、制 造和使用都比较方便。液压元件的排列布置也具有较大的机动性。 7 液压传动实现直线运动远比机械传动简单。但是，液压传动不能保证严 格的传动比，能虽损失较大，对油温变化较敏感，制造精度要求高，成本较高等。 早期，由于液压传动效率低、可靠性差、价格高和液压件使用寿命短的传统 观念，大大限制了其应用及发展。 近年来，随着科学技术的发展，制造技术的完善、应用的普及，液压元件的 价格大大下降，液压传动装置不仅具有良好的无级调速性能和灵活肴】局的特点， 而且可以进行多种多样的调节和控制。液压技术的进步，以及液压传动装置的改 进，使液压传动技术在工程机械行走系统中的应用取得了长足进展。 现代液压技术与微电子技术、计算机控制技术、传感技术等为代表的新技术 紧密结合，形成一个完善高效的控制中枢，成为包括控制、传动、检测、显示乃 至校正、预报在内的综合自动化技术。它成为工程机械设备实现自动化不可缺少 的基础支撑技术。 理论研究表明：只有采用液压传动，并辅以适当的控制装置与之配合，才有 可能形成理想的传动系统，它能使发动机的转速及其输出扭矩适应外部负荷变化 而连续变化，并且保持高效率。而且，因为液压系统具有无级变速的精细的速度 调节，容易实现正反转，能防止发动机超负荷以及具有良好的控制性能等一系列 特点，所以使传统的只靠操作者的经验和感觉来进行的人工操纵油门踏板和变速 杆的操作大大简化了，并且也使机械的性能和作业效率大大提高。其效益足以补 偿由于采用液压传动引起的制造成本的提高。 1 2 液压驱动在工程机械中的应用 随着液压传动技术在工程机械底盘上应用的拓展，工程机械液压底盘也随之 出现并应用。 近l o 年来，液压传动在工程机械底盘上的广泛应用，一方面是在牵引功能 为主的铲土运输机械上，传统的液力机械传动出现了被液压传动取代的某种趋势 ( 虽然还不是全方位的) ，而另一方面大量不以牵引功能而以恒速调节为主要功 能的压实与路面机械几乎全面地采用了液压传动和液压控制技术。 对牵引式工程机械，液压驱动底盘的高度自适应能力冲破了传统底盘牵引参 数匹配的束缚，大大降低了精确研究工作装置力学过程的重要性；对以恒速调节 为主的压实与路面机械，液压传动与控制产生的精确调节功能是机械达到作业质 量的必要条件。 对早已全面采用液压传动的工程机械工作装置和操纵机构，各种液压传动与 控制已有了充分的研究，理论已趋成熟。但对于工程机械底盘，特别是以自适应 控制为核心的牵引式底盘，国外深入开展液压传动与控制的应用研究并产业化只 是近十年的事情，国内尚属空白。将液压传动与控制纳入工程机械牵引底盘的发 动机一液压传动与控制行走机构一工作装置系统中进行试验，进行最优参数匹 配与控制、最佳驱动系统构成理论、动载防治理论等研究及液压元件的性能分析 还未有先例。工程机械液压底盘模拟试验台有助于对这一领域展开深入研究。研 究的主要内容为以下几个方面： 1 发动机、液压泵、液压马达组成的车辆负荷驱动系统中各元件参数的合 理选择与匹配：该匹配要同时兼顾元件的性能、寿命、价格成本及系统性能。 2 研究各类车辆的驱动形式与性能对比：包括单桥中央驱动、双桥中央驱 动、单桥轮边驱动等各种形式。 3 在各种车辆负荷模式作用下，上述负荷驱动系统的最佳控制方式与控制 原理；主要考察牵引( 恒功率) 和非牵引( 恒速) 两类车辆以及其它特殊车辆中 泵与马达的最佳控制方式。 4 研究工程车辆中液压驱动系统在动态载荷( 随机波动负荷，由正弦波等 价) 作用下的性能反应及提高其性能的措施。 5 发动机的动态性能及其与整个液压系统构成负荷驱动系统的控制方式。 6 液压系统的散热分析与研究，不同负荷工况下车辆闭式驱动系统的补油 量、散热量的问题。 7 动态负荷的防治措施：用蓄能器、溢流阀、压力截至阀以及其它方式抑 制动载，改善系统性能。 8 流量耦合马达并联工作系统的自动差速性能研究与产品开发。 9 液压系统的制动研究：发动机反拖制动、溢流阀制动、长坡制动等控制 4 方法与软件。按其结构组成，试验台可以分为四部分：液压底盘模拟驱动装置， 模拟加载装置，数据采集、处理与控制装置，辅助装置。 1 3 课题的背景 在工程机械施工中，存在的问题主要表现在以下几个方面： 1 工程机械在工作时负载是经常变化的，有时变化较大，负载的较大变化 引起液压系统中的液流迅速换向或滞止，系统内就会产生压力的剧烈变化，形成 瞬时压力峰值，产尘液压冲击。由于这种波动负载的作用，会大大降低整个工程 机械系统的效率。 2 工程机械在作业过程中频繁的加速、变速和换向，造成液压传动系统的 冲击现象。如振动压路机的起振、水泥混凝土泵车的液压缸突然换向、液压挖掘 机回转液压马达的制动等都会产生液压冲击。此时，液压系统得能量利用率将大 幅度下降。据统计，液压系统在换向、启停、制动过程中消耗的功率损失约占整 个系统的5 0 7 0 。 3 传统的机械传动对负荷波动和冲击是无法解决的，液压传动可以通过不 同方式来降低波动负荷对整机效率的影响。本文研究在液压驱动系统中利用蓄能 器来对波动负荷能量给予吸收和再利用，提高机器的工作效率和经济性。 1 4 本文研究的主要内容 本文研究的内容有主要有以下几点： 1 对于驱动系统存在的主要问题给出一种解决的办法：合理的选择蓄能 器，将其增加在液压管路中，尽可能的减小液压冲击对液压系统造成的影响。 作为液压系统中波动压力过滤的吸收装置，蓄能器可以从吸收压力脉动、防 止液压冲击以及合理利用能量等各个角度减小这种影响1 3 l 。 在液压管路上加上蓄能器后，能达到以下效果：使液压系统工作平稳，液压 元件寿命和可靠性得到提高；能对液压系统的波动及冲击压力进行滤波；根据动 态误差进行补偿以及实现能量回收，减小能量损失。 2 对液压驱动系统进行动力学分析，建立加有蓄能器和未加蓄能器这两种 不同情况下的驱动系统的数学模型。 3 对两种不同情况下的驱动系统的数学模型进行动态仿真并做出对比分 析研究。 4 在两种不同的情况下，进行液压驱动系统的试验研究并给出对比分析结 果。 6 第二章液压驱动系统分析及数学模型 2 _ 1 蓄能器减小液压冲击分析 2 1 1 液压冲击产生的原因 目前，工程机械液压系统的泄露、液压冲击等，是影响液压系统可靠性和性 能稳定的重要因素。在防止泄露方面可以通过引入新材料、新工艺，诸如工程埋 料、复合材料、精细陶瓷、低阻耐磨材料、高强度轻合金以及记忆合金等新一代 材料，提高液压元件及密封器件的质量，减小各种原因引起的元件损伤。而由于 在作业过程中频繁的加速、变速和换向，造成液压传动系统的冲击现象，需要合 理的选择蓄能器增加在管路中，尽可能的避免系统产生液压冲击现象。 液压冲击是管内液流速度的急剧变化，使液体的动能变化为压力能，产生急 剧的压力变化。液压冲击造成的压力急剧交替升降波动过程是一种非恒定流动。 流动参数产生阶跃变化的动态过程中，其压力瞬时的最大升值可达到管路中正常 压力的许多倍，而且压力升降的频率较高。 液压冲击产生的原因主要有以下几种类型1 4 j ： 1 液流通道迅速关闭或液流迅速换向使液流速度的大小或方向突然发生 变化时，由于液流的惯性力引起的液压冲击。 2 运动着的工作部件突然制动或换向时，因工作部件的惯性引起的液压冲 击。 3 液压系统的执行元件( 液压缸或马达) 带载启动时，由于短时间内克服 较大负载所引起的液压冲击。 液压冲击对驱动系统的影响有： 1 降低液压元件的可靠性及其寿命。 2 增加液压动力源的能量损失。 3 增加液压元件泄露现象。 在液压管路中加上蓄能器后，能达到以下效果：使液压系统工作平稳，液压 元件寿命和可靠性得到提高；能对液压系统的波动及冲击压力进行滤波；根据动 7 态误差进行补偿以及实现能量回收，减小能量损失。 2 1 2 蓄能器减小液压冲击 蓄能器是液压系统中的一种能量储存装置，既可以作为辅助、紧急动力源， 又可以作为消除脉动、降低噪声、吸收液压冲击的装置，还可以作为液压气体弹 簧等。根据加载方式的不同有重力加载式，弹簧加载式和气体加载式三种。气囊 式蓄能器是气体加载式的一种，广泛应用于各类液压传动系统中。 蓄能器模型吲，如图2 1 所示。 、 g ， 图2 1 蓄能器系统 在图2 - 1 中，蓄能器气体压力、容积、流量稳态值分别为只、圪、晓，其 中q = o ；蓄能器进油管内径、长度和截面积为以，、口；主管路中压力稳定值同 蓄能器中气体压力稳定值，即只，主管路中流量稳态值为q 。 根据蓄能器管内力平衡、气体平衡、负载流量及蓄能器内的气体压力振动方 程式建立蓄能器模型，假设负载为薄壁节流模型，管路内流体因压力变化引起的 体积变化远小于气体体积变化，忽略不计。l g ( ，m h 表示系统压力脉动与流量脉 动( 脉动为相对变化值) 之比的幅频特性，见式( 2 1 ) 。幅频特性如图2 2 所示。 l g ( ，m m _ 2 8 2，一缈一蔓鞭 h 一拦缈筮孵 堡砰 热噱一一率，峨= 鼯； p 液体密度； 尾气体压缩系数； 善蓄能器相对阻尼系数； q 系统截止频率。 图2 2 吸收压力脉动的蓄能器幅频特性 蓄能器在驱动系统中所起的主要作用如下： 1 在能源不足时提供瞬时补充能量：由于蓄能器能够在油源功率冗余时吸 收能量，而在功率不足时瞬间补充储存的液压能。因此，当负载超过发动机额定 功率时，额外的能量可以由蓄能器提供； 2 在系统稳定运行时吸收压力脉动：由于系统必然存在输出压力波动，蓄 能器能够起到滤波作用，减小压力对系统的冲击； 由于气囊型液压蓄能器具有气腔与油腔之间密封可靠，二者之间无泄漏；胶 囊惯性小，响应速度快；结构紧凑；容易维护等优点，在液压系统中得到广泛应 用。 2 2 液压驱动系统数学模型分析 2 2 1 液压驱动系统概述 为适应工程机械各种不同的工作环境、满足千差万别的作业要求，它的液压 驱动系统具有各种不同的形式与性能。对于试验台的模拟驱动部分来说，它要用 9 一种较为通用的试验模型，来模拟各种各样的工程机械液压驱动系统，以研究对 于某一具体机型最佳的液压系统匹配参数与控制方式【“。 这样，实际工程车辆中液压驱动系统形式的多样性与试验台所要求的较为通 用的液压驱动系统之间就有了一个较为突出的矛盾。为解决这一矛盾，需要从这 两个方面入手进行探讨。 首先，可以先研究现实中的工程机械液压牵引系统。工程车辆从工作装置是 否需要牵引系统提供主要动力来分，可以分为牵引型车辆和非牵引型车辆。 牵引型车辆主要是铲土运输机械，如推土机、装载机等，这类机械的工作装 置( 即铲斗) 主要靠牵引系统推动进行集土、运土等工作。通常对这类机械的性 能指标要求有：生产力、作业效率、经济性、可靠性等。牵引型车辆工作环境恶 劣，工作对象变化不定，因此载荷波动剧烈，常常要求牵引系统具有强的适应能 力。由于无作业质量要求，这类机械的液压牵引系统多为变量泵皂眨量马达， 控制方式为恒功率控制。 这类机械较具代表性的是推土机，通常，泵采用d a 控制，马达采用h a 或 d a 控制。这类牵引系统既可以泵和马达单独调节，也可以联合调节。泵的调节 过程大致是：由与泵通轴连接的测速泵向d a 阀提供正比于泵转速的流量，在节 流阀上产生正比于转速的压差，从而推动变量泵的控制油缸，当转速提高时降低 泵的排量，同理，转速降低时减小泵的排量。 当系统启动时，要求： 1 足够大的启动扭矩； 2 系统较小的启动功率。 这样既保证发动机转速迅速上升至额定转速，又不影响系统工作通常启动 时马达工作在全排量状态不变，系统维持正常的工作压力，以使系统有足够的启 动扭矩；同时，将泵的排量控制在小排量附近，使启动功率不至于影响发动机转 速的上升。这一点可以用式( 2 2 ) 作简要说明： 液压马达的输出力矩 肘：旦笠 ( 2 - 2 ) 2 万 式中 砘马达高低压腔压力之差，砌； 圪马达的排量，肌3 j 1 0 从式( 2 - 2 ) 可以看出，为达到上述要求，须b 、圪均达到较大的值。此时 泵的功率为： ：旦：堡：竺!( 2 3 ) 2 万 式中 圪泵的排量，川3 s ； 泵的转速，阳d s 为使泵为小功率工作，只需在保持e 不变时，降低即可。 随着发动机转速的上升、输出功率的加大，泵的排量也跟着逐渐上升，直至 额定工况附近。在这个过程中，马达的排量保持在全排量附近不变，泵的排量随 系统功率的上升而上升，因此可以将从启动到额定工况的工作过程看作是变量泵 定量马达系统。 在系统正常工作时，为满足经济性、作业生产率等的要求，一般将泵的排量 配置在全排量，发动机( 即泵) 工作在额定转速，此时系统压力大体恒定。此工 况下发动机工作在额定功率附近，此时发动机具有最高的功率利用率与最低的燃 油消耗率( 原理见图2 3 ) ，泵也具有较高的效率，可以满足工作要求。此时系统 的调节主要是通过对马达的调节实现的。在不改变系统基本特征的前提下，可以 将此种工况下的工作系统简化为定量泵变量马达系统。 ，t 劫棚 丑矩 r 1 图2 - 3 发动机扭矩特性曲线 在系统空载或小负载时，为使发动机具有较高的功率利用率，常使系统具有 较大的输出转速。此时马达工作于经济性所决定的最小排量保持不变，主要通过 调节泵的排量来适应外负载的变化，以使系统具有较为恒定的输出转速。此时的 工作系统仍属于变量泵定量马达系统。 综上所述，对于牵引型车辆而言，可以将驱动系统看作是变量泵定量马 1 l 达系统和定量泵变量马达系统的组合。 非牵引型车辆主要指路面机械，如摊铺机、压路机等，这类机械的工作装置 动力由发动机直接提供，而牵引系统主要作用是克服地面阻力用来行走。对这类 车辆的性能指标要求主要有：作业质量、可靠性、生产率、经济性等。这类车辆 的工作条件比较好，同时工作对象也比较均匀，所以牵引系统的负荷也比较稳定。 这类机械多为连续作业方式，为保证作业质量驱动系统多为恒速控制，一般为变 量泵定量马达系统。 通过对牵引车辆和非牵引车辆的分析，可以看出：工程机械液压牵引系统可 以看作是由变量泵定量马达系统和定量泵吧蔓量马达系统这两种单元回 路构成的不同组合。 本文将以压路机为研究对象，这是因为：压路机在其连续的工作过程中，要 在短距离的路面上往返来回地进行压实，此时频繁的换向、启停会对驱动系统造 成较大的液压冲击。据统计，在压路机消耗的功率中，有5 0 左右是由于液压冲 击所造成的，一方面损失了较多的能量，另一方面减小了整个液压驱动系统的可 靠性和使用寿命。而使用蓄能器有可能较好地解决这一问题，达到减小液压冲击 的目的。下面的章节将会对加蓄能器和未加蓄能器这两种不同的情况下的液压驱 动系统进行数学建模和动态分析，以考察系统的性能并加以对比分析，提出一种 “ 较佳的方案。 由于压路机为非牵引型车辆，故将其驱动系统看作是变量泵定量马达系 统。 2 2 2 液压驱动系统建模 驱动系统的控制原理简图如下图所示： 图2 - 4 变量泵一定量马达系统控制原理图 变量泵以转速疗。恒速转动，其变量机构的摆角由比例阀控制的液压缸来确 1 2 j 圆 卜堡 定，液压马达可以近似为定量马达。液压马达的速度和旋转方向通过改变泵的摆 角来加以控制。补油系统为小流量的恒压油源，用以补偿泵和马达的泄漏，保证 低压管道有一定的压力值，以防止出现气穴现象和防止空气渗入系统。同时也能 帮助散热，并作为变邕 u j 服机构的腋址油源。 在正常情况下，一根管道的压力等于补油压力，另一根管道的压力由负载决 定，反向时两根管道的压力随之转换。为了保护液压元件不受压力冲击而损坏， 在两根管道之问要对称跨接两个高响应的安全阀，其规格应能允许系统过载时把 泵的最大流量从高压管道注入低压管道，以防止产生气穴现象和系统反向冲击。 2 2 2 1 电液比例阀与控制油缸环节数学模型 变量泵控制机构( 电液比例阀和控制油缸) 可以作为一个相对独立的环节来 单独研究。将这一部分的控制原理图单独画出，如图2 5 所示 图2 5 电液比例伺服阀原理简图 电液比例阀在系统仿真中可以作为一个比例环节来考虑，所以，对于这一部 分的仿真可以简化为对控制油缸的动态分析。控制油缸以电液比例阀的位移以 为输入，以油缸的位移y 为输出的传递函数为1 7 】1 8 1 1 9 1 ： k 7 塑：= z 鱼( 2 4 ) 五# + 垒+ 1 ) q i 式中 电液比例阀的流量增益，册2 j 4 控制油缸有效作用面积，所2 ； 吼，液压固有频率，m d j ； 彘液压相对阻尼比，无量纲。 变量缸活塞位移对泵输出斜盘倾角的传递函数为： 砷；! 。， ( 2 5 ) 。 器= 肜= b q 。6 y ，1 t 式中y 泵斜盘倾角，阳d ； 乞泵摆动斜盘的有效半径，m ： 这样，对于变量泵定量马达系统的研究，可以主要考虑从泵的斜盘摆角到马 达输出转速部分的环节。 2 2 2 2 泵斜盘摆角到马达输出转速环节动态分析 参照文献阴 8 】【9 】，推导从泵斜盘摆角到马达输出转速的基本方程。 首先，在不改变系统基本性能的前提下，可以作如下假定： 1 泵和马达的泄漏为层流，壳体回油压力为零，忽略低压腔向壳体内的外 泄漏； 2 连接管道较短，管道内的压力损失、流体质量效应和管道动态忽略不计； 3 两根管道完全相同，泵、马达和管道组成的两个腔室的总容积相等，每 个腔室内油液的温度和体积弹性模数为常数： 4 补油系统的工作没有滞后，补油压力为常数。工作中低压腔压力等于补 油压力，仅高压腔压力发生变化。 5 马达和负载之间连接构件的刚度很大，忽略结构柔度的影响； 6 输入信号较小，不发生压力饱和现象。 对高压腔应用连续性方程，根据流量守恒定律可得： q 一( n 一办) 一a 一( p 。一所) 一a = 巩警+ 老等( 2 - 7 ) 式中 万。泵的转速，耐s ； d 。变量泵的排量，拂3 m d ； d 。马达排量，m 3 蒯； 巳马达轴转角，脚； 1 4 个腔室的容积( 包括一根主管道、泵和马达的一腔，及与 主管道相连的非主要容积) ，棚3 ： a 迸油佐j l 力( 即系统压力) ，p 口 n 补油压力，尸口； c 。泵的内泄漏系数，3 s ) 肋： c 0 马达的内泄漏系数，沏3 j ) 砌； c 0 泵的外泄漏系数，( s ) 只口； ( - 删马达的外泄漏系数，( 埘3 j ) ，臼； 危有效体积弹性模数( 包括油及管道机械柔度等) ，埘2 ( 户臼) 。 泵的排量为 d ，= 嘶 ( 2 - 8 ) 式中： 口- ：一泵变量机构的摆角，耐： 七，泵的排量梯度，m 3 删。 将式( 2 7 ) 和式( 2 8 ) 合并，并考虑办为常数，在线性化分析中包含n 的 项可以略去，经拉普拉斯变换后得 口= d 卅s 吃+ g 丑+ 罢凹 ( 2 9 ) 式中： c ，= g + 巳总的泄漏系数，( 肌3 j ) ，砌； g = + c 肼总的内泄系数，( m 3 s ) 忍； c 。= c ，+ c 删总的外泄系数，( 肌3 j ) 肋 马达和负载的力矩平衡方程： 2 如一只烨垮+ 最警+ 南国+ b ，嘱+ 鳃+ 五c z 邶， 式中： l 马达的输出力矩，m ； ，马达和负载( 折算到马达轴上) 的总惯量，堙m 2 ； 玩粘性阻尼系数，州( 删j ) ； c ，马达内摩擦系数，无因次； g 负载弹簧刚度，肼，口d ； l 任意外负载力矩，。拼。 式( 2 1 0 ) 中摩擦力矩是非线性的，虽然c ，一般很小，但在高压和小幅值 输入时，这种库伦摩擦可以明显使阻尼增加。在线性化分析时，令c ，= o ，并作 拉普拉斯变换，可得： 只d k = t ，j 2 以+ b 。j 先+ g 巩+ 瓦 ( 2 1 1 ) 式( 2 9 ) 和式( 2 1 1 ) 即为描述变量泵定量马达环节的基本方程。由以上 两式就可以画出从变量泵斜盘摆角到定量马达的方块图，如图2 6 所示： 图2 - 6 泵斜盘摆角到定量马达方框图 ! 盘口一呈( _ 坠h 蝇 耻万确霸褊协1 2 )。”矗 + 篾m o + 筹+ 最弦+ 簧 “ 图2 - 6 即为驱动系统在未加蓄能器的情况下的方框图。 在试验台中，驱动系统的载荷是由加载系统提供的，为保证加载载荷的准确 性，不允许有加载扭矩以外的力存在。因此，驱动系统的负载主要是惯性负载， 系统的弹簧刚度主要是驱动系统与加载系统之间的连接元件引起的，其数值一般 1 6 可以算得：是+ 吃= 8 6 4 p 一3 1 ，因此，这一项也可以忽略不计，参照 吃：兰：耋盘兰 协 “ ，占十盗州) 。 嘞= 劈 六= 去譬+ 争= 丢等+ 去芳 由式( 2 1 3 ) 可以获得两个传递函数。 j 以泵的摆角作为输入的传递函数： 监口 鱼：堡 ( 2 1 4 ) 口+ 盗件1 ) 动力机构的动态柔度为： 。鲁套。+ 崛 堡：垡：丛：( 2 1 5 ) 五+ 盈s + d 参照以e 结论，与式( 2 4 ) 、( 2 6 ) 联立，可以得到系统的传递函数为： 1 7 i 惫：- 码。煞。- 弓，+ 辫。：。， q硝何q 图2 - 7 系统传递函数方框图 表2 - l 变量泵定量马达系统仿真参数表 参数名参数值参数名参数值 k 啦( r a d v ) o o o l n p r 口d | s l 2 3 0 2 7 k ( m d s ) 1 1 7 0 以( 册3 ，脚) 1 6 7 e 5 x 。( 甜f n s 、 9 1 8 e _ 1 3 8 e tn m ) 1 2 9 e 9 k 。tn | m ) 5 2 9 2 y o ( ) 1 6 8 9 e - 3 爿( 栅2 )5 4 5 e 4 ，( 琢聊2 ) o 3 4 5 5 2 c | ( ( 研3 j ) 只) 1 e 1 2 b 。( n m p 以 幻) o 0 3 4 2 x 。 o 5 d 。( 一| r 口d ) 1 9 9 e _ 5 k l 1 8 2 3 蓄能器模型的建立 建模中做如下假设：蓄能器充压过程较慢，气体压力和体积的变化近似为等 温过程；蓄能器放油过程较决，近似为绝热过程；与气体相比，油做的皿缩叮以 忽略不计；油液在蓄能器中的流动可以视为层流。 常规蓄能器在与系统连接时，其入口处总有一定长度的连接管路，连接管路 对蓄能器本体的特性影响很大。因此，建模时，连接管路视为蓄能器的一部分， 并且在结构设计时，连接管路应尽可能的短。 于是，蓄能器的力平衡方程为： p ，一n = 毒( 脚鲁+ 吼) 协m 式中： 见恒压变量泵的出口压力，朋； 见蓄能器内气体压力， z ； 以折算到蓄能器油液腔的截面积( 其中包括管路、进油阀、 和油液腔3 部分的截面积) ，聊2 ； 历。折算到蓄能器蓄能腔的液体当量质量( 包括内容同上) ，飑； 吃蓄能器的当量粘性阻尼系数( 包括内容同上) ，堙位； 吼流入蓄能器的流量，i ，m i n 。 蓄能器的流量连续性方程 口：一巫 ( 2 1 8 ) 吼一言 旺以引 式中： 圪蓄能器气腔容积( 气腔膨胀为正) ，矿 由热力学波义耳定律有 见。= 见曙 ( 2 - 1 9 ) 式中： p 。恒压变量泵调定压力下蓄能器的稳定工作点； 行为气体的多变过程指数，无量纲，绝热过程取1 4 ，等温过 1 9 程取1 。 将式( 2 1 9 ) 在工作点p 口o 、附近按泰勒级数展开，并略去高次项有： 蚬+ 见嗜1 = o p = 一笋圪 ! 匕：一丝堕! 堕 ( 2 2 0 ) d l y ，o m 将式( 2 1 8 ) 、( 2 2 0 ) 代入式( 2 1 7 ) 得 只= 嚣岳等圳吼 q 埘， 式( 2 2 1 ) 即为蓄能器的数学模型 2 4 加蓄能器后驱动系统的数学模型 液压蓄能器管道直接与液压系统中泵、马达的管道相连，根据式( 2 9 ) 和 式( 2 - 2 1 ) ，对高压腔应用连续性方程呻1 1 1 ，根据流量守恒定律可得： 咖榷却即差凹 式( 2 2 2 ) 和式( 2 1 1 ) 即为加入蓄能器以后液压驱动系统的基本方程。由 以上两式可以画出其传递函数方块图，如图2 - 8 所示： 图2 - s 加入蓄能器以后驱动系统传递函数方块图 2 0 第三章系统仿真研究与结果分析 3 1 仿真工具简介 3 1 1m a t l a b 概述 数字仿真是以系统的数学模型为基础，以数字计算机为仿真工具的数字计算 方法建立系统仿真模型，由仿真模型编制计算机源程序来求得它的解答。本文选 用大型专用数值计算软件m a n ，a b 进行数字仿真m l 。 m a ：n a b 是美国m a t 1 w o r l 【s 公司的软件产品，是一个高级的数值分析、处 理与计算软件。在m 蜘，a b 之前，国内外已有大量的数值计算软件，它们大多 是用f o r t r a n 或c 语言编写，其共同的缺点是适应面窄、可扩充性差、不开 放等，因而推广应用比较困难。m a ：r l a b 的出现打破了这一局面，它的高度适 应性、可扩充性等优良性能吸引了众多的科技界人士，使得m a l l ，a b 一步步发 展壮大起来。 目前的m a t l a b 已经成为国际上最为流行的软件之一，它除了传统的交互 式编程以外，还提供了丰富可靠的矩阵计算、图形绘制、数掘处理、图象处理、 方便的w i n d o w s 编程等便利工具，出现了各种以m a t l a b 为基础的工具箱，广 泛应用于自动控制、图像信号处理，信号分析，振动理论、时序分析与建模、优 化设计等领域，并表现出一般高级语言难以比拟的优势。 3 1 2s i m u l l n k 简介【1 3 l s i m u l i n k 为m a t l a b 软件的一个工具包。尽管m a t l a b 一开始并不是为控制 系统的设计者们开发的，但是它一出现便以其“语言化”的数值计算、较强的绘 图功能、灵活的可扩充性和产业化的开发思路很快为自动控制界研究人员所瞩 目。 m a t hw 研l 【s 公司在推出m a n a b 后发现，如果控制系统结构很复杂，则很 难精确地把该控制系统的复杂模型输入给计算机，对其进行进一步的分析与仿 真。于是，在1 9 9 0 年m a c l lw o r k s 公司为m a r l a b 提供了新的控制系统模型图 2 l 形输入与仿真工具，并定名为“s i 舢l a b ”，后于1 9 9 2 年改名为“s i m u l i i l i 【”。该 软件有两个明显的功能：仿真( s i l i l u ) 与连接( l 敞) ，亦即可以利用鼠标器在 模型窗口上“画”出所需的控制系统模型，然后利用该软件提供的功能来对系统 直接进行仿真。 s i m u l i n k 可以用来对动态系统进行建模、仿真和分析，它支持连续、离散及 两者混合的线性和非线性系统，也支持具有各种采样速率的多速率系统。该软件 包为用户提供了用方框图进行建模的图形窗口，使得一个很复杂系统的输入变得 相当容易，为控制系统的仿真与其在c a d 中的应用打开了崭新的局面。 s i m u l i n k 包含有c o n t i 删o l l s ( 连续量) 、d i s c r e t e ( 离散量) 、f 岫c t i m l s & t a b l e ( 功 能) 、m a t l l ( 计算) 、n o n l i n e a r ( 非线性环节) 、s i g n a l s & s y s t 唧s ( 信号系统) 、s i n i 【s ( 输出方式) 、s o u r c e ( 输入源) 、s u b s y s t e m s ( 子系统) 子模型库，如图4 - l 所 示，并且在每个子模型库中包含有相应的功能模块，用户也可以制定和创建适合 自己需要的模块。 图3 1s i m u n k 各子模型库示意图 由于m a = 】几a b 和s i m u l i n k 是集成化软件，用户可以在这两种环境下交替的 对仿真模型进行仿真、分析和修改。 3 2 仿真模型的建立 3 2 1 不加蓄能器时驱动系统的仿真模型j f l 5 】 如第三章建立的变量泵一定量马达系统模型，参照变量泵一定量马达系统 ( 未加蓄能器) 控制框图2 6 ，在m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立如图3 2 所示的仿真 模型。 由于仿真对象为系统在未加蓄能器和加蓄能器这两种不同情况的系统压力 动态特性图，故只需对图3 2 中系统压力值进行仿真。 图3 - 2 未加蓄能器的仿真模型 驱动系统的仿真参数表见表2 1 。 3 2 2 加蓄能器时驱动系统的仿真模型 如第三章建立的变量泵一定量马达系统模型，参照变量泵一定量马达系统 ( 加蓄能器) 控制框图2 - 8 ，在m a t l a b s i l l l l l l i i l k 环境下建立如图3 3 所示的仿真模 型。 仿真对象同上同样为系统压力动态响应。 图3 3 加蓄能器后的仿真模型 3 3 1 系统无外负载仿真 3 3 动态特性仿真 1 驱动系统未加蓄能器的仿真 当马达无外负载，驱动系统未加蓄能器，发动机在额定转速( 2 2 0 0 r p m ) 阶 跃输入下，系统压力的动态响应特性如下图3 - 4 所示。 图3 - 4 系统压力响应图( 未加蓄能器) 由图3 4 可以看出，响应的初始阶段，驱动系统在未加蓄能器的情况下，由 于系统要克服各种阻力，压力值较大，系统压力值会较快的过渡到平稳状态。大 约过了1 秒，压力很快减小并最终趋于零。 2 驱动系统加蓄能器后的仿真 当马达无外负载，驱动系统加蓄能器后，发动机在额定转速( 2 2 0 帆姗) 阶 跃输入下，系统压力的动态响应特性如下图3 5 所示。 图3 5 系统压力响应图( 加蓄能器以后) 3 3 2 系统加外负载仿真 在前面模型的基础上，给系统引入外干扰负载，所选加载信号为某一时刻的 不同终值的阶跃载荷输入，考察系统在发生不同变化时的控制效果。 1 、输入l5 0 n m 阶跃负载转矩 a ) 驱动系统未加蓄能器的仿真 在转速阶跃输入下，给马达突然加1 5 0 n m 的阶跃负载转矩，系统压力的动 态响应特性如下图3 6 所示。 图3 - 6 系统压力响应图( 未加蓄能器) 由图3 6 可以看出，驱动系统在未加蓄能器的情况下，突然受到1 5 0 n m 的阶 跃负载转矩的干扰，系统压力会随之大幅度升高，此时系统受到较大的液压冲击， 系统压力的超调量约为3 8 。大约过了0 5 秒，压力值会较侵的过渡到平稳状态， 并最终趋于一个定值。此时系统由于液压冲击所损失的能量将远大于平稳状态下 所消耗的能量。 b ) 驱动系统加蓄能器后的仿真 在驱动系统加上蓄能器，转速阶跃输入下，给马达突然加1 5 0 n m 的阶跃负载 转矩，系统压力的动态响应特性如下图3 - 7 所示。 图3 - 7 系统压力响应图( 加蓄能器以后) 由图3 7 可以看出，驱动系统在加蓄能器以后，突然受到1 5 0 n m 的阶跃负载 转矩的干扰，系统压力也会随之大幅度升高，此时系统受到的液压冲击将在蓄能 器的滤波作用下实现能量回收，液压冲击对系统的影响减小，系统压力的超调量 约为1 8 。大约过了1 秒，压力值会较慢的过渡到平稳状态，并最终趋于一个定 值。此时系统由于液压冲击所损失的能量很大部分将被蓄能器回收并在系统的动 态误差下对系统能量进行补偿，而消耗掉的一小部分能量远小于未加蓄能器时系 统所消耗的能量。 2 、输入3 5 0 n m 阶跃负载转矩 a ) 驱动系统未加蓄能器的仿真 在转速阶跃输入下，给马达突然加3 5 0 n m 的阶跃负载转矩，系统压力的动 态晌应特性如下图3 8 所示。 图3 8 系统压力响应图( 末加蓄能器) 由图3 8 可以看出，驱动系统在未加蓄能器的情况下，突然受到3 5 0 n m 的阶 跃负载转矩的干扰，系统压力会随之大幅度升高，此时系统受到较大的液压冲击， 系统压力的超调量约为3 9 。大约过了o 4 秒，压力值会较慢的过渡到平稳状态， 并最终趋于一个定值。此时系统由于液压冲击所损失的能量将远大于平稳状态下 所消耗的能量。 b ) 驱动系统加蓄能器后的仿真 在驱动系统加上蓄能器，转速阶跃输入下，给马达突然加3 5 0 n m 的阶跃负载 转矩，系统压力的动态响应特性如下图3 9 所示。 图3 9 系统压力响应围(