第9章 变量泵电液控制技术1.doc

第9章 变量泵电液控制技术9.1 变量泵控制方式及其应用变量泵可以通过排量调节来适应机械在作业时的复杂工况要求，由于其具有明显的优点而被泛使用。变量泵的控制方式多种多样，主要有压力切断控制、功率控制、排量控制和负载敏感控制四基本控制方式。通过这四种基本控制方式的组合，可以得到具有复杂输出特性的组合控制。9.1.1 压力切断控制压力切断控制是对系统压力限制的控制方式，有时也简称为压力控制。当系统压力达到切断压力值，排量调节机构通过减小排量使系统的压力限制在切断压力值以下，其输出特性如图9-1a所示。如果切断力值在工作中可以调节则称为变压力控制，否则称为恒压力控制。图9-1b所示为压力切断控制的典型实方式。当系统压力升高达到切断压力时，变量控制阀阀芯左移，推动变量机构使排量减小，从而实现压力断控制。阀芯上的Pr为液控口，可以对切断压力进行液压远程控制和电液比例控制。一些液压工况复杂，作业中执行机构需要的流量变化很大，压力切断控制可以根据执行机构的调速要按所需供油，避免了溢流产生的能量损失，同时对系统起到过载保护的作用。a输出特性 b典型实现形式图9-l 压力切断控制变量泵9.1.2 功率控制功率控制是对系统功率限制的控制方式。当系统功率达到调定的功率值时，排量调节机构通过减小排量使系统的功率限制在调定功率值以下。如果功率限制值在工作中可调则称为变功率控制，否则称为恒功率控制。图9-2中所示为力士乐(Rexroth)A11VO恒功率泵的输出特性和具体实现结构。其工作原理如下：变量油缸和复位油缸分别布置在泵体两侧，对变量机构进行差动控制，其中面积较大的变量油缸的压力受到变量控制阀的控制。作用在小活塞上的系统压力经摇杆在控制阀芯左侧作用推力F，而阀芯右侧受到弹簧力的作用。由于小活塞装在与变量机构一起运动的复位活塞上，所以摇杆对阀芯的推力为F=PALl/L2 (1)式中：P为系统压力；A为小活塞面积；L1为小活塞到摇杆铰点的距离；L2为变量控制阀杆到摇杆铰点的距离。当摇杆推力大于弹簧推力时，阀芯右移，使泵的排量减小，从而维持摇杆推力为近似常数。根据式(1)可知，摇杆推力正比于PL1，而L1正比于油泵排量，因此实现了对变量泵的功率的限制(假定油泵转速不变)。有时为了简化控制结构，常采用近似功率控制方式，常用双弹簧结构控制变量机构位置。 图9-3所示为川崎(Kawasaki)K3V系列变功率控制泵的输出特性和具体实现结构。其中控制阀阀芯位置是通过系统压力与双弹簧弹力的平衡决定的，而变量机构跟随阀芯一起运动，这样就可以利用双弹簧的变刚度特性用折线近似双曲线。图9-2 恒功率控制变量泵图9-3 变功率控制变量泵功率控制能够充分发挥原动机的功率，达到按能力供油的目的，避免原动机因过载而停车或损坏。9.1.3 排量控制 排量控制是指对变量泵的排量进行直接控制的控制方式，施加一个控制压力就可以得到一个相应的排量值。图9-4所示为川崎(Kawasaki)K3V系列负流量控制(指流量变化与先导控制压力成反比)的输出特性和具体控制方式。当先导控制压力Pr增大时，变量控制阀阀芯右移，使泵的排量减小，从而使泵的流量Q随着Pr的增大成比例地减小。图9-4 负流量控制变量泵图9-5所示是HYUNDAI液压挖掘机的负流量控制系统的局部简化原理图。当所有多路换向阀位于中位时，从液压泵排出的压力油经多路换向阀的直通供油道和节流孔回油箱，将节流孔的回油流量作为控制量，通过排量调节机构来控制泵的排量。当通过节流孔回油的流量达到一定值时(设定值远小于系统总流量)，节流孔前的先导压力Pr就开始调节变量泵，使泵的排量仅提供运动速度所需的流量，即通过多路阀对执行元件进行调速时，变量泵具有自动调节排量按需供流的功能。图9-5 EHYUNDAI液压挖掘机负流量控制系统9.1.4 LS(负载敏感)控制LS控制方式是对变量泵排量变化率控制的控制方式。LS控制变量泵的输出特性与排量控制相同，但其控制信号反映的不是排量本身，而是排量的变化值。图9-6所示是LS控制的典型实现形式，它过压力差对泵的排量进行控制，当P与阀芯弹簧压力不平衡时，变量控制阀阀芯偏移，使泵排量发生相应变化。 图9-6 LS控制变量泵的典型实现形式 图9-7 LS调速控制系统图9-7所示是采用LS控制变量泵实现的LS调速系统的基本原理。P为节流口前后压力差，P=PA-PL，其中PA为泵口压力，PL为负载压力，其最大的特点就是可以根据负载大小和调速要求对泵进行控制，从而实现在按需供流的同时，使调速节流损失P控制在很小的固定值。负载敏感变量泵与压力补偿阀配合使用可以实现单泵驱动多个执行机构的独立调速，各执行元件不受外部负载变动和其他执行元件的干扰。由于LS调速系统不仅实现按需供油，同时也是按需供压，是能量损失很小的调速方案。9.1.5 基本控制方式的组合及其应用系统的压力限制、原动机的功率限制以及对执行元件的可调速性，往往对同一台机械的液压系统是同时需要的，因此需要对多种控制方式进行组合，以便使变量泵能够满足机械设备的复杂工况要求，控制方式的组合应根据具体的应用要求而定。图9-8所示为力乐士(Rexroth)压力切断控制、功率控制和LS控制组合的输出特性和具体实现结构。图9-8 功率控制、压力切断控制和LS控制的组合图9-8中，三个控制阀并联连接，当系统状态达到其中任一个限制条件时，对应的控制阀动作，使泵的排量减小，组合后的输出特性如图9-8a所示，兼具压力切断控制、功率控制和LS控制的特点，可以较好地满足复杂工况的要求。9.1.6 变量泵控制技术的发展电液控制变量泵可以方便地实现对流量、压力等参数进行调整进而实现各种复杂的控制，以合理的负载功率匹配和软启动，并自动保持最佳状态，达到提高控制性能和节能的目标，同时可以实现与上位机或其他电子控制器的通讯，实现一定的网络化功能和故障诊断功能。1 控制的实现途径数字控制液压泵，能够接收数字量的控制信号，以改变液压泵的输出参数，实现对液压系统的控制和调整。目前主要有变频控制和变排量控制两种方式。其中变频控制是通过变频电机或伺服电机改变液压泵的转速实现。对变排量控制而言，所有的变量类型都是靠改变斜盘倾角或定子偏心实现，因此有可能采用同样的硬件结构，利用传感器的检测，采用不同的软件程序来实现多种控制形式。基于这一思想，数字控制变量泵应运而生。数字控制变量泵的电机械转换器可以通过多种方式来实现，如采用步进电机、高速开关阀、高响应比例阀、伺服阀等元件。在目前的技术水平下，采用比例阀的型式较多。比例放大器接收数字控制信号，输出PWM信号控制比例阀的动作，由比例阀驱动变量活塞的运动实现变量，同时将变量活塞的运动反馈回控制器实现闭环控制。2 国外研究现状早在1981年日本制钢所就展出一台比例变量泵，其上采用了CPU中央处理器、压力传感器、比例溢流阀、变量活塞行程检测装置,通过将压力、流量、电机功率三种信号反馈给CPU使泵的输出可实现比例流量、恒压、恒功率三种控制形式。其后国际上各大公司相继开发了类似产品，目前典型的产品主要有德国博世力士乐的A4VSO型号，见图9-9。图9-9 A4VSO数字泵控制原理图A4V主泵集成了位移传感器、压力传感器、控制阀和专用的数字控制器，另外还有专门开发的最小值程序控制器(固化在电子控制器VT12350内)，实现压力、流量和功率的优先权选择判断。A10VO数字控制变量泵内部集成了变量控制阀和斜盘角度传感器，也可选配压力传感器、转速传感器及其它设定指令输入器件，通过不同组合和程序的调整可实现流量、压力、功率、负载敏感等多种控制形式。意大利ATOS公司的PVPC电液比例控制泵，通过集成PES数字控制器，可实现流量和压力的闭环控制，同时可限制最大功率，允许系统最小压力接近于零，并提供了较为丰富的数据接口种类，包括RS232串行数据接口、CAN和PROFIBUS- DP总线接口。PARKER公司PV系列柱塞泵产品开发了专门的数字控制器，它通过RS232总线进行参数设定、能够使用基于PC的软件编程、能够设定斜坡时间，能覆盖全系列不同规格液压泵。通过该控制器，能够实现排量控制、压力控制和功率控制。这几种方案都是通过位移传感器检测斜盘倾角来间接对流量进行表达，对流量的控制均是通过排量来体现，因容积效率的影响，在流量控制方而均存在一定的误差。日木川崎公司开发的数字控制变量泵采用专门的流量传感器实现流量的直接检测，因此在流量控制方面效果好。3 国内研究现状 国内研究主要集中在各大院校和研究院所。北京航空航天大学开展了智能泵的研究，在泵中集成了压力传感器、位置传感器、温度传感器等，利用独立供油的伺服阀对变量泵进行控制，如图9-10所示。该智能泵的方案能够按照要求选择工作模式和被调节量，然后采集对应的被调量实现反馈控制，表现了非常强的柔性和适应性。其控制器基于89C51中一片机实现，通过1553B总线与机载公共设备管理系统液压子系统的计算机相连。该方案能够很好地实现飞行器飞行状态与液压系统工作状态的匹配，在节能方而有了很大的改善。哈尔滨工业大学采用快速控制原型技术进行了数字控制柱塞泵的研究，其数字控制泵由数字控制器(包括功能控制器、逻辑控制器)、主液压泵、电液伺服阀、传感器(包括位置传感器、压力传感器)组成，能够实现压力、流量、功率等多种功能的调节。太原科技大学基于自主开发研制的新型径向柱塞泵，利用比例技术开发了相关的数字控制变量径向柱塞泵。贵州力源液压有限公司正在从事数字控制液压泵的产业化开发。图9-10 北航智能泵原理方案9.2 伺服变量泵及其应用伺服泵变量执行机构大多采用液压伺服驱动，通过伺服阀控制液压缸来驱动泵的变量机构实现变排量。变量机构的工作油液由系统直接提供或采用与变量泵同轴的一个小泵提供。9.2.1 250CKZBB电液伺服变量泵1 结构及工作原理 250CKZBB 电液伺服数字变量装置见图9-11。它是一个电液伺服随动装置，将数字装置发出的数字脉冲信号转换为脉冲电机的步进角，带动旋转伺服阀转动，引起阀口位移，随动活塞跟随，泵斜盘偏转实现变量。该变量机构的主要优点在于工作稳定可靠，控制精度高，抗干扰能力强，对油质不敏感，具有结构简单、体积小、重量轻、能实现无级变量控制等优点，用于高压大流量斜盘柱塞泵的容积变量系统。装置主要由步进电机、液压伺服变量机构、轴向柱塞泵斜盘三部分组成。 步进电机位移量与输入脉冲成正比，位移速度与输入脉冲频率成正比。每输入一个脉冲，它就转一个固定角度(步距角)。输出转角与输入脉冲成正比，转子的转动惯量小，起、停时间短，输出转角精度高，虽有相邻误差，但无累计误差。伺服变量部分结构及工作原理见图9-11。伺服变量采用单独油泵供油，外控式不受干扰，控制压力8.0MPa控制油通过缸底a孔进入壳体下腔。当步进电机顺时针转动时，四边零开口螺旋伺服阀阀芯也顺时针转动，相当于螺旋槽上升时阀芯向上移动一定距离，c腔的油液通过阀芯螺旋槽经d回油，c腔压力降低，a腔油压推动随动活塞向上运动，直到螺旋四边阀处于零位。随动活塞则通过轴销带动变量头斜盘转动，使柱塞行程变化以达到变量目的。 图9-11 數字伺服变量裝置当步进电机逆时针转动时， 四边零开口螺旋阀芯也逆时针转动，螺旋槽下降，相当于阀芯下降，控制油经a、b及螺旋槽进入上腔c； 由于c腔面积比a腔大，在差压作用下，推动随动活塞向下运动，直至四边阀芯处于零位为止。随动阀带动轴销使变量头转动，柱塞行程变大，增大油泵流量。随位动置式伺服阀结构简单，工作行程大(28mm)，从而降低了工艺要求，提高了零区分辨率，减少了因油液污染造成的卡死和堵塞等故障。无节油孔，阀口开口宽lmm，长12mm，不易被堵塞，另外还加大了驱动力，使随动阀不易卡死。这些措施提高了伺服变量机构的抗污染能力和可靠性。该系统是电液伺服阀控制的一个油泵负载，各环节所对应的方框图及传递函数见图9-12。图9-12 系统方框图9.2.2 A4V伺服变量泵德国力士乐公司生产的A4V变量柱塞泵属斜盘结构轴向柱塞变量泵，其排量从零到最大无级可调，改变斜盘倾角方向，可改变输出流量。工程应用一般采取闭式回路，通过自带并联齿轮泵作为辅助泵提供备压，进行补油。其控制方式主要包括：与压力有关的液压控制HD、液压手动伺服控制HW、电气控制EL、与速度有关的液压控制DA。1伺服变量原理A4V系列泵的伺服变量系统通过伺服阀把控制压力转变为驱动油缸伸出杆的位移，再推动斜盘转动，以改变泵的排量。因此，该系统为力反馈闭环控制回路。控制油压力在变化范围内对应于斜盘倾角(泵的流量)的改变。该伺服系统有结构紧凑，响应快速等优点，易于实现远程控制。伺服阀是变量系统中的核心元件，其作用是根据输入油压的变化导通控制油路与变量油缸的油路，推动变量油缸的活塞做直线运动。伺服阀的结构如图9-13所示。伺服阀为O型三位四通换向阀。主阀芯2的中位为关闭状态，a-Y1、b-Y2都不通，该位变量油缸处于静止状态，泵不变量；左位(阀芯右移)导通a-Y1及Y2与回油口；右位时，导通b-Y2及Y1与回油口。力反馈机构主要包括：弹簧4、弹簧拉杆3、反馈杠杆8。反馈杠杆将变量油缸的位移通过反馈杠杆8、弹簧拉杆3、弹簧4转变成作用在主阀芯上的反馈力Ff。A4V变量泵的变量系统是闭环控制系统，通过力反馈实现斜盘的位置控制。图9-14是其变量系统原理图。1.推杆 2.主阀芯 3.弹簧拉杆4.弹簧 5.主阀体6.限位螺钉7固定销8.反馈杠杆图9-13 伺服阀内部结构设Ff为弹簧拉力，A0为控制油作用于推杆的有效面积。为了便于说明其工作原理，忽略作用在阀芯上的粘性摩擦力、瞬态液动力和稳态液动力的影响。则当主阀芯的平衡条件PA0=Ff满足时，处于中间位置，控制油压Ps不能进入伺服油缸；当PA0=Ff=0时，xp=0，则斜盘倾角=0，泵的输出流量为0。图9-14 伺服变量原理图当PA0Ff时，平衡破坏，主阀芯向右运动，伺服阀处于左位机能，压力为Ps的控制油进入油缸左腔，推动活塞向右走；同时，活塞杆推动反馈杠杆逆时针绕C点的固定销转动，反馈杠杆带动左弹簧拉杆向左摆。A点与主阀芯固定，因此弹簧拉伸，与P方向相反的弹簧力Fh增加，作用在主阀芯上的反馈力Ff也增加。当再次达到PA0=Ff时(实际上Ff稍大一些)，主阀芯回到平衡位置，截断油路，伺服油缸停止运动，斜盘摆角稳定，液压泵稳定在某一稳定输出流量下工作。当PA0100 k的测量仪器；阀的补偿按传感器接线4 m长的电缆调整；因为该型号的双联泵只要按规定的方向和额定转速(1480 rmin)旋转，则其定量泵的流量均为105 Lmin。所以当每台双联泵的输出为0流量时，双联泵中的变量泵为负流量(为-105 Lmin)，即定量泵输出的油由变量泵返回油箱；当每台双联泵的输出等于105Lmin时，变量泵为0排量；大于105 Lmin时，变量泵为正排量。这样每台双联泵的输出流量能在0253 Lmin之间连续变化。整个泵站的输出流量能在0506Lmin间连续变化。变量泵斜盘上的传感器将流量信号变为电压信号，即一7.1 V(对应一105 Lmin)+10 V(对应148 Lmin)间连续变化。为使泵站内的每台双联泵的负荷均匀，各双联泵中变量泵斜盘的最大角度应该相同，且同步变化。控制电路板的12c和22a(斜盘角度、实际流量)的电压应调为：-7.1+10 V。伺服比例阀电磁线圈的控制电压(29c和30c)调整在0+10 V之间；石英压力传感器的(实际压力)电压(12a和10a)也为0+10 V；命令压力(流量)电压(14c和16c，4c和6c)也调为0+10 V。 图9-17 斜盘式轴向柱塞伺服双联变量泵泵站安装图1石英压力传感器；2比例伺服阀心位置(电感)传感器；3斜盘位!(电感)传感器；4比例伺服阀；5装(逻辑)阀；6安全阀；7定量泵；8定量泵； 32c使能端；14c.16c命令流量电压，4c.6c命令压力电压，12c.22a实际流量电压，29c,30c比例伺服阀电磁线圈控制电压，4a,6a,8a比例伺服阀芯位；反饋电压。25a接地；12a.10a,14a压力传感器反饋电压(实际压力)；32a,8c,10c斜盘位置反饋电压9.3 比例变量泵及其应用9.3.1 电液比例负载敏感控制变量径向柱塞泵 液压泵的负载敏感控制以其对流量和压力的复合控制，使流量和压力自动适应负载的需求而达到节能目的，因此日渐受到重视。 1 径向柱塞泵工作原理 如图9-18所示，新型径 向拄塞泵主要由定子、连杆、柱塞、转子、配油轴及左右两侧 的变量机构构成，转子和定子之间存在一个偏心量，连杆瓦面紧贴定子内圆，连杆和柱塞通过球铰相连。输入轴通过十字键带动转子转动，通过连杆一柱塞组件相对于转子的相对运动完成吸排油过程。通过两侧的变量机构可以改变定子和转子之间的偏心量从而改变泵的输出流量。新型径向柱塞泵具有结构紧凑、参数高、变量形式多样、寿命长、噪音低等优点。 图9-18 配流轴式径向柱塞泵1-传动轴 2一离合器 3一缸体(转子) 4一配流轴 5一回程环 6一滑履 7一柱塞 8一定子 9、10一控制活塞2 负载敏感控制结构及工作原理 （1）负载敏感控制结构 如图9-19所示，负载敏感控制机构主要由泵出口节流阀、先导压力阀和二级公用阀构成。节流阀和二级公用阀完成恒流调节过程；先导压力阀和二级公用阀完成恒压调节过程。此种结构由于采用了公用的二级阀，因此结构简单，调节方便，实现较为容易。 图9-19 负载敏感结构与工作原理图（2） 流量敏感工作原理 二级公用阀阀芯上腔接节流阀出口，下腔接节流阀入口即泵出口，与节流阀一起构成一个特殊的溢流节流阀。在负载压力 PL小于先导压力阀设定值Py时，先导压力阀不工作。此时负载压力PL的任何变动必将使通过节流阀的流量发生变化，导致节流阀的前后压差 P=Pp-PL发生变化，从而打破了二级公用阀阀芯的平衡条件，使阀芯产生相应的动作，进而使定子的位置发生一定的变化，使泵的输出流量稳定在变化之前的流量因此进入系统的流量不受负载的影响。只由节流阀的开口面积来决定。泵的出口压力Pp追随负载压力PL变化，两者相差一个不大的常数P，所以它是一个压力适应的动力源。（3）压力敏感工作原理当负载压力达到先导压力阀的调定压力Py时，先导压力阀开启，液阻R后关联两个可变液阻先导阀的阀口和二级公用阀阀口，液阻R上的压差进一步加大，因此二级公用阀芯迅速上移，使定子向偏心减小的方向运动，使输出流量迅速降低，维持负载压力近似为一定值，在此过程中由于先导阀的定压作用，流量检测已不起控制作用。3负载敏感控制的性能负载敏感控制过程主要有流量敏感调节过程和压力敏感调节过程。（1）流量敏感特性 由其工作原理可得到阀芯的力平衡方程(忽略稳态轴向态液动力)：式中Pp泵出口压力；AR二级公用阀阀芯端面积；PL负载压力；K弹簧刚度；y弹簧预压缩量。其增量方程为：从上式可以看出只有在Pp=PL时阀芯才能保持对中位置。但此时只能是R上无压差，对应状态是流量稳定状态即流过R的流量为零。只要在流量调节状态，R上总会有压差，增量Pp总是大于增量PL。因此随着Pp的增大，阀芯向上偏移，使泵的偏心距减小。Pp越大，泵的流量偏差也越大。从分析可知，欲提高恒流精度，须减小在液阻R上的压降，即增大液阻R的尺寸。同时适当提高弹簧刚度也可达到同样的效果。（2）压力敏感特性 当负载压力PL大于等于先导压力阀调定压力Py时，先导压力阀开启。设先导压力阀阀口控制压力恒定为Py，在忽略稳态轴向液动力时，可得二级公用阀阀芯的力平衡方程为式中P1油液流经节流阀产生的压降；P2油液流经液阻R产生的压降。其增量方程为：在压力敏感过程中，随着Pp的增大，P1减小，而P2增大。因此P1为负，P2为正，所以合理选择R可以获得最小的恒压误差。从增量方程也可看出，减小弹簧刚度K也可提高恒压精度。4负载敏感控制变量泵应用实例在某单位研制开发的负载敏感控制变量径向柱塞泵中，应用上述原理进行了优化设计。先导压力阀、节流阀均采用比例电磁铁控制在先导压力阀中，利用阀芯的面积差获得的小液压力和电磁力平衡，提高了先导压力控制精度；比例节流阀采用力反馈控制形式，有效消除了液动力等的干扰；在二级公用阀中，合理设计阀芯结构；通过大量计算、实验确定弹簧刚度、液阻R的尺寸。实验结果如图9-20所示，可看出，新型负载敏感控制变量径向柱塞泵控制精度较高。图9-20 实验结果9.3.2 多变量泵比例与恒功率控制及其在盾构机的应用盾构机工况复杂，地质条件下差异很大。刀盘是盾构挖掘土层的关键部件，盾构刀盘驱动具有功率大、转矩变化大和转速范围广等特点。泵控马达调速回路具有很高的效率和速度刚度，采用多个大流量变量泵并联驱动多个高速小转矩液压马达，再通过减速机和齿轮传动机构驱动刀盘是目前较为先进的控制方式。其特点是系统组成简单，安全可靠，负载变化对刀盘转速影响小。采用HD型液控比例变量泵，通过1个控制模块进行集中控制，可实现整个系统的比例控制、恒功率控制和不同工作模式下的安全压力控制。通过这个控制模块可实现多泵、多马达的同时调节，实现安全压力的同时设定，因此系统结构简化，可靠性高。1液压系统工作原理图9-21所示液压系统是应用在某地铁隧道施工的盾构刀盘驱动液压系统。整个液压系统由3个回路组成,包括主驱动回路、补油回路和液压控制回路。主驱动回路是闭式回路，由两台比例变量泵(HD型，最大排量750 mL/r)驱动8台变量马达(两点液控型，最大排量500mL/r，高速挡排量300 mL/r)。液压控制模块9提供控制油，实现主驱动泵排量的比例控制和恒功率控制以及液压马达排量的控制。调速阀10和减压阀11调节进入马达的控制油流量和压力，换向阀12实现马达排量的两挡控制。蓄能器4用于减少补油油路的压力脉动，溢流阀5设定补油及主驱动泵的换油压力。1变量马达组2.变量泵组3.补油泵4.蓄能器5、6.溢流阀7、12.换向阀8.先导液压泵9.液压控制模块10.调速阀11.减压阀图9-21 某盾构刀盘驱动液压系统液压控制模块9有3个功能，通过比例溢流阀调节主驱动泵的排量；通过顺序阀和溢流阀设定系统的最大工作压力；通过功率限制阀实现系统中两个变量泵的恒功率控制，即在反馈系统压力作用下，调节主驱动泵的排量，使刀盘转速降低，同时还能降低系统压力，减小刀盘承受的转矩。模块选用Rexroth公司的LV06型功率限制阀，如图9-22所示。这个功率限制阀由1个直动溢流阀和阶梯阀芯1组成，阶梯阀芯两端分别是阀口开度控制弹簧2和组合调节弹簧3，调节弹簧抵抗作用在阶梯阀芯上的液压力。控制口Pst与主驱动泵的先导控制油口相联接，高压口Phd通过梭阀与主回路相联接。如果系统压力超过功率限制阀的设定压力，阶梯阀芯向右运动压缩调节弹簧，减小了阀口开度控制弹簧上的压力，阀口溢流,减小控制压力，使主驱动泵保持恒功率输出。为使控制回路压力稳定，图9-21中先导液压泵8即控制油变量泵选用了恒压螺杆泵，回路中采用了调速阀和减压阀。 1.阶梯阀芯2.阀口开度控制弹簧3.组合调节弹簧4.左端盖5.螺母6.中空螺母7.调节螺杆8.垫片图9-22 功率限制阀原理图2 恒功率控制设计计算 （1）功率限制阀参数设定系统主要设计技术参数如表9-1所示。表9-1液压系统主要设计参数 kNm刀盘驱动工作转矩很大且空间位置有限，因此采用高压系统，初定系统工作压力24.5 MPa。最大脱困转矩5225 kNm，最高工作压力29 MPa。高速挡转矩2620 kNm，此时马达的排量300 mL/r,系统压力24.5 MPa。已知刀盘驱动的大齿圈减速比为ic=5.94，以最大输出转矩要求确定减速器速比ij=51.42，额定输出转矩80 kNm，峰值输出转矩120 kNm，选用2台功率为315 kW的电机，转速1 490 r/min。额定工况下驱动电机功率储备按7%考虑，单泵的最大有效输出功率为：=93%3150.950.950.96=254(kW)式中：NM电机输出功率;mc联轴器机械效率;pm液压泵的机械效率;pv液压泵的容积效率。采用功率限制阀进行恒功率控制时，需要调定恒功率的起始压力和恒功率结束压力。1）确定恒功率的起始点起始时，按低压全流量考虑，则泵的进出口压差为：=14.2 MPa式中:Vp变量泵的排量;np变量泵的转速。因为泵的进口压力设定为：pi=2 MPa，所以泵的出口压力为：po=14.2+2=16.2 MPa，则马达的进口压力为：pm=16.2 MPa故功率限制阀的起始压力调节为：pm1=16.2 MPa2）确定恒功率结束点最大驱动转矩4 377 kNm时,系统工作压力为24.5 MPa。故设定功率限制阀的结束压力调节为：pm2=25 MPa（2）恒功率时刀盘最低转速计算由于液压泵和液压马达的泄漏，计算刀盘转速时需考虑液压泵和液压马达的容积效率。最大转矩且变量泵恒功率时，液压泵的进出口压差为pm2-pi=23 Mpa，则单泵排量为：脱困时，脱困转矩5 225 kNm，系统工作压力29 Mpa，则单泵排量为:动力系统的传动关系如图图9-23所示。低速挡时，液压马达排量为500 mL/r,刀盘最低转速为:式中：mv液压马达的容积效率；Vm变量马达的排量。高速挡时，液压马达排量为300 mL/r,刀盘最低转速为：图9-23 动力系统的传动关系脱困时，液压马达排量为500 mL/r，刀盘最低转速:3 系统建模与仿真（1）液压系统建模在此采用AMESim软件对液压系统仿真，图9-24所示为液压系统仿真模型。建立变量泵模型时，将实际双向变量泵的外部和内部泄漏通过3个液阻模拟，模型中还考虑了变量泵的补油、换油及安全回路。液压马达组及减速器子模型通过AMESim的子模型库建立成为1个独立封装的子模型，其具体结构见图图9-25。负载模型用转动惯量子模型和转矩子模型及分段输入信号子模型搭建。控制油回路中,选用了恒压变量泵子模型,功率限制阀通过HCD库元件搭建。（2）液压系统仿真液压系统的仿真参数设定:刀盘转动部件的转动惯量45000 kgm2；工作模式:液压马达调节到最大排量500 mL/r,刀盘转矩随机最大变化量400 kNm。图9-26为某软土工况时刀盘转矩的仿真信号与比例溢流阀的调节信号。图9-24 液压系统仿真模型图9-25 马达组及减速器仿真模型图9-26刀盘转矩和比例溢流阀调节信号 图9-27 控制压力和单泵输出流量控制压力、单液压泵输出流量如图图9-27所示。07 s时，控制压力按比例溢流阀的控制信号成比例变化，7s后系统达到恒功率点，功率限制阀开启，控制信号不再按调节信号成比例变化，液压泵进入恒功率状态。单泵输出功率和刀盘转速如图图9-28所示。可见,尽管比例调速时负载变化很大，刀盘转速却能按调节电流实现稳定调节，主要原因是系统采用高速小转矩马达驱动方式且刀盘具有大惯量。但是功率限制阀开启后，由于负载有大幅度的波动，控制信号很难保持稳定。因此，刀盘转速有一定波动。但由于液压马达有泄漏，相当于旁路有油液溢流，实际的刀盘转速波动要小一些。 图9-28 单泵输出功率和刀盘转速比例溢流阀和功率限制阀的流量特性见图9-29。由图可见，比例溢流阀工作时的流量以及在恒功率点时比例溢流阀与功率限制阀的流量变化情况。图9-30所示为控制回路中是否有调速阀时的控制泵8输出流量仿真曲线，可以看出，带调速阀时泵输出流量恒定,而不带调速阀时，控制泵输出流量较大。因此，带调速阀的控制回路功率小，更节能。图9-29比例溢流阀和功率限制阀的流量 图9-30调速阀对控制泵流量的影响 9.3.3 电液比例变量泵控定量马达电液比例变量泵和定量马达组成的闭式液压控制系统，在变量泵广泛的输入转速范围内，具有对马达输出转速进行调节的能力。例如，把电液比例变量泵控定量马达系统作为柴油机和恒转速负载之间的动力传递纽带和调速机构，在车辆行驶过程中，通过调节电液比例变量泵来实现恒转速输出。当变量泵输入转速在较大范围(10002600r/min)变化时，要实现马达的恒速控制，主要需克服两种扰动：负载转矩扰动、变量泵输入转速扰动。1泵控马达组成及工作原理图9-31为变量泵控马达系统的组成原理图。变量泵从柴油机吸收功率，通过输出液压能，驱动定量马达恒转速输出。由于马达为定排量马达，所以马达输入流量直接对应马达输出速度。补油泵用作液压系统冷却、散热和补充泄漏等，并为变量机构提供恒定的控制压力。 图9-31 变量泵控马达系统的组成原理图柴油机转速或负载的变化均引起马达输出转速的波动。此时，电控单元根据柴油机转速和马达输出转速的变化调整变量泵的控制信号，电液比例变量控制机构根据控制信号调节变量泵斜盘倾斜角度，来补偿上述变化，保持马达输出转速恒定。变量柱塞、滑阀和斜盘位置反馈组成了一个闭环位置控制系统。变量泵控系统的恒速控制模型主要由两部分组成：变量机构阀控柱塞位置闭环控制模型；泵控马达模型。2变量泵控马达系统数学模型（1）变量机构模型变量机构由电比例减压阀、初级柱塞、滑阀、变量柱塞以及斜盘和斜盘位置反馈等组成。当一侧电比例减压阀的输出压力作用在初级柱塞上的作用力小于初级柱塞的弹簧力时，初级柱塞没有位移。因此，主泵处于液压零点，没有流量输出。增加控制信号，初级柱塞输出一个与输出压力成正比的位移，带动三位四通滑阀偏移中位，使变量柱塞的一侧接通回油，另一侧接通控制油压，推动斜盘偏转，主泵输出流量。因此，由电比例减压阀和初级柱塞组成的先导级，其本质上可以简化成一个比例环节。即有：xv1=Ki(I-Imin)式中：Xv初级柱塞位移 Ki先导级增益 I、Imin一输入控制电流和起调电流 滑阀的线性化流量方程为： QL=KqXv-KcPL式中:QL一滑阀负载流量 Kq滑阀流量系数 Xv一滑阀阀芯位移 Kc一滑阀流量一压力系数 PL滑阀负载压力 变量柱塞的流量连续性方程为： (1) (2)变量柱塞的流量连续性方程为： (3) 变量柱塞输出力和负载力平衡方程为： （4） 考虑到斜盘位置反馈，有: ( 5)式中：Kf一斜盘位置反馈系数（2）泵控马达系统建模 泵输出流量方程为： (6 ) 考虑到变量泵的内、外泄漏和高压腔因压力变化而引起的容积变化，则泵的流量连续性微分方程可以表示为： （7）式中：Dm一一马达排量 m一一马达角速度 Ct一一泵和马达的总泄漏系数 V1高压腔容积(变量泵油液出口处容积、油管容积和马达油液人口处容积之和) P1泵输出压力 马达力矩平衡方程： (8)式中： Jm一马达及负载惯量 Bm一一一马达阻尼 TL一一一马达输出转矩（3）斜盘受力分析斜盘的受力情况比较复杂，其负载力矩是变量泵研究中的一个重要部分。从轴向柱塞变量泵的结构分析可知，斜盘受力主要分成3个部分：(1)高压油通过柱塞对斜盘有一个使斜盘倾角变小的力矩；(2)柱塞与滑靴绕主轴旋转时的离心力矩；(3)变量柱塞的复位弹簧对斜盘的弹簧力矩，此力矩总是阻碍斜盘的运动。斜盘负载力矩T可近似表示为： (9) （10）式中：斜盘倾角R变量柱塞的作用半径3变量泵控马达系统仿真对式(1)一(5)进行拉普拉斯变换，并考虑到斜盘的负载力矩，在MATLAB/Simulink下建立变量机构模型，如图9-32所示。图9-32 变量机构模型 图9-33变量机构调节时间 图9-34变量泵控系统的AMESim模型变量机构的响应时间直接关系整个系统的调速响应速度，在此利用该模型分析了从零排量到指定排量的响应时间。同时，在变量泵输入转速为1 600r/min、输出压力为21 MPa的情况下，测试了变量机构的响应时间。仿真结果和试验对比如图9-33所示。定义变量泵的实际输出排量与最大排量之比为最大排量比。通过对比结果分析可以得知，最大排量比上升时，复位弹簧的复位转矩增大，变量调节速度下降，其最大排量调节时间最快在 0.5 s以上，仿真和试验结果一致。变量泵控马达系统的AMESim模型如图9-34所示。实际工作状态中，柴油机转速处于不断的波动中。以一个正弦波为变量泵输入转速，基于AMESim模型进行了相关的仿真计算。利用PID算法作为控制算法。该正弦波的频率为1 Hz，幅值为50 rmin，平均值为1500 rmin。仿真结果如图图9-35所示。可以看出，在4.2 s后，马达的输出转速即达到设定转速，稳态的波动率为0.33，瞬态调整率为6.5 。在斯太尔1192汽车上，利用发电机作为恒转速负载，进行了相关试验。发电机额定转速为1 500rmin。对发电机突加突减16kW负载，监测马达转速的变化。试验曲线如图9-36所示。可以看出，加减载的过程中，马达转速在3 s内恢复到设定值，稳态的波动率为0.29，瞬态调整率为6.0。图9-35 正弦波动转速扰动下的马达输出转速 图9-36 实车加减载试验9.3.4 闭环控制轴向柱塞泵在液压系统中，常常要求系统压力、速度在工作过程中能进行无级调节