基于兩種加載元件的液壓系統(tǒng)壓力響應(yīng)試驗研究

吳振松，谷立臣，劉永,3，陳萌，楊彬

(1.長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安　710064；2.西安建筑科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 西安　710055;3.湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰　442002)

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基于兩種加載元件的液壓系統(tǒng)壓力響應(yīng)試驗研究

吳振松1，谷立臣2，劉永1,3，陳萌1，楊彬1

(1.長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安710064；2.西安建筑科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 西安710055;3.湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰442002)

摘要：【目的】 比較分析電磁比例溢流閥與磁粉制動器在同一機(jī)電液系統(tǒng)中的加載特性.【方法】 在泵控馬達(dá)液壓系統(tǒng)中對這兩種元件進(jìn)行模擬加載實驗研究，分析兩種加載元件的靜、動態(tài)響應(yīng)特性.【結(jié)果】 在相同工況條件下，相比磁粉制動器加載靈敏度13.6 MPa/V，加載控制電壓死區(qū)8.33%，動態(tài)響應(yīng)滯后時間1.5 s，最大滯后誤差0.96 MPa，最大超調(diào)量35%；電磁比例溢流閥加載靈敏度低2.12 MPa/V，加載控制電壓死區(qū)大28.9 %，動態(tài)響應(yīng)滯后時間長4.8 s，但最大滯后誤差小0.2 MPa，最大超調(diào)量小6.25%，抗干擾能力強(qiáng).【結(jié)論】 研究結(jié)果可為在實驗室條件下根據(jù)負(fù)載特性選擇合適的加載元件提供參考依據(jù).

關(guān)鍵詞：電磁比例溢流閥；磁粉制動器；加載特性；滯環(huán)

在實驗室條件下，常用電磁比例溢流閥和磁粉制動器作為機(jī)電液系統(tǒng)的模擬加載元件.電磁比例溢流閥采用比例電磁鐵作為調(diào)節(jié)組件，使溢流壓力正比于輸入電信號，實現(xiàn)對壓力的比例控制，其壓力調(diào)節(jié)特性與調(diào)壓系統(tǒng)的參數(shù)有很大關(guān)系，在合適的系統(tǒng)參數(shù)值下，具有調(diào)壓速度快、性能穩(wěn)定等特點[1-2]；比例溢流閥安裝調(diào)試重復(fù)精度和線性度好，通流能力強(qiáng),可根據(jù)流量反饋的速度控制器和壓力閉環(huán)控制的壓力控制器，實現(xiàn)系統(tǒng)的壓力流量復(fù)合控制[3-4];電磁比例溢流閥結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，廣泛應(yīng)用于對系統(tǒng)壓力進(jìn)行連續(xù)、按比例控制的泵控系統(tǒng)中[5-6]；通過將波動載荷非平穩(wěn)實驗數(shù)據(jù)分解為確定性分量和隨機(jī)性分量，能夠復(fù)現(xiàn)工程機(jī)械的真實載荷[7]；磁粉制動器是利用磁粉傳遞扭矩，加載具有滯環(huán)特性,其階躍上升時間與轉(zhuǎn)速無關(guān)，跟蹤加載滯后的相位差只與輸入電流頻率有關(guān)[8];磁粉制動器具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、噪聲小、沖擊振動小等優(yōu)點，被作為執(zhí)行元件運(yùn)用在恒張力控制系統(tǒng)中[9]；磁粉制動器力矩大小只與輸入電流有關(guān)，與轉(zhuǎn)速無關(guān)，經(jīng)常被運(yùn)用于傳動機(jī)械回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的測功加載和制動[10-12]；磁粉制動器滑差大，溫升較大，散熱性能差，需要使用水循環(huán)冷卻，因此只適用于系統(tǒng)功率不大的負(fù)載模擬[13].

國內(nèi)外已有許多對這兩種加載元件的加載特性及其應(yīng)用的研究報道[1-12]，但在同一液壓系統(tǒng)、相同工況下對兩種加載元件加載性能對比的研究卻較少.為此，本文在相同試驗條件下，對電磁比例溢流閥和磁粉制動器進(jìn)行系統(tǒng)壓力模擬加載對比實驗研究，旨在分析兩種加載方式的特性及異同.

1試驗裝置

機(jī)電液系統(tǒng)試驗裝置原理如圖1所示.Labview程序界面輸入的轉(zhuǎn)速值與轉(zhuǎn)換到伺服控制器17的電壓值呈線性關(guān)系，從而實現(xiàn)永磁同步電機(jī)14的變速運(yùn)行.加載系統(tǒng)有兩套，一套是電磁比例溢流閥7模擬加載，Labview程序界面輸入電壓值經(jīng)過比例放大版22轉(zhuǎn)化為電流信號，來控制電磁比例溢流閥7，模擬加載.另一套為磁粉制動器2加載，Labview程序界面輸入電壓值到WLK程控電源1轉(zhuǎn)化為勵磁電流，來控制磁粉制動器產(chǎn)生扭矩，模擬加載.

1:WLK程控電源；2：磁粉制動器；3：減速器；4：聯(lián)軸器；5：變量柱塞馬達(dá)；6：電磁換向閥；7：電磁比例溢流閥；8：截止閥；9：散熱器；10：壓力流量溫度傳感器；11：壓力表；12：先導(dǎo)式比例溢流閥；13：單向閥；14：永磁同步電機(jī)；15：截止閥；16：齒輪泵；17：伺服控制器；18：A/D轉(zhuǎn)換器；19：控制計算機(jī)；20：D/A轉(zhuǎn)換器；21：濾油器；22：比例放大板.圖1　試驗裝置原理Fig.1　The principle diagram of the experimental device

2試驗控制原理

2.1壓力開環(huán)控制原理圖

圖2為兩種加載元件壓力開環(huán)控制原理圖.輸入為模擬負(fù)載電壓，輸出為系統(tǒng)實測壓力，流量作為干擾輸入.

圖2　壓力開環(huán)控制原理Fig.2　Pressure open-loop control principle diagram

2.2壓力閉環(huán)控制原理

圖3為壓力閉環(huán)控制原理圖.輸入為目標(biāo)壓力，輸出為系統(tǒng)實測壓力，流量作為干擾輸入.利用電磁比例溢流閥加載時，首先在Labview程序界面輸入目標(biāo)壓力Pbi，然后軟件將實測壓力Pbo與目標(biāo)壓力Pbi進(jìn)行比較，當(dāng)實測壓力Pbo大于目標(biāo)壓力Pbi，PID控制器輸出壓力偏差ΔUi到比例放大板，比例放大板輸出電流ib變小，實測壓力下降；當(dāng)實測壓力Pbo小于目標(biāo)壓力Pbi時，調(diào)節(jié)過程相反.磁粉制動器加載時，壓力閉環(huán)控制調(diào)節(jié)原理與電磁比例溢流閥調(diào)節(jié)相同.

圖3　壓力閉環(huán)控制原理Fig.3　Pressure closed-loop control principle diagram

3試驗結(jié)果

3.1靜態(tài)特性試驗

圖4-A為壓力開環(huán)控制，電磁比例溢流閥加載，給定電機(jī)轉(zhuǎn)速800 r/min，電磁比例溢流閥0 V→4.5 V→0 V加、卸載電壓，加載電壓與系統(tǒng)實測壓力響應(yīng)曲線圖.加載電壓間隔為0.2 V，記錄下每個電壓對應(yīng)的系統(tǒng)實測壓力值，擬合成加、卸載曲線.由圖4-A可看出：加載控制電壓死區(qū)為0～1.3 V，占控制電壓范圍的28.9%.0～4.5 V之間最大滯后誤差為0.2 MPa.電磁比例溢流閥線性范圍內(nèi)的靈敏度為2.12 MPa/V.

圖4-B為磁粉制動器加載，加載電壓與系統(tǒng)實測壓力響應(yīng)曲線圖.由圖4-B可知：加載控制電壓死區(qū)為0～0.05 V，占控制電壓范圍的8.33%.最大滯后誤差為0.96 MPa.磁粉制動器線性范圍內(nèi)的靈敏度是13.6 MPa/V.

通過對比可知：電磁比例溢流閥加載控制電壓死區(qū)大，最大滯后誤差小，靈敏度低.

壓力開環(huán)控制，電機(jī)轉(zhuǎn)速800 r/min；A:電磁比例溢流閥加載；B：磁粉制動器加載.圖4　加載電壓與系統(tǒng)實測壓力響應(yīng)曲線Fig.4　The system measured pressure response curvesunder voltage applied

3.2動態(tài)響應(yīng)特性試驗

圖5-A為壓力閉環(huán)控制，電磁比例溢流閥加載，電機(jī)轉(zhuǎn)速800 r/min，目標(biāo)壓力5 MPa→8 MPa→5 MPa階躍變化，系統(tǒng)實測壓力響應(yīng)曲線圖.在15 s時目標(biāo)壓力階躍上升，系統(tǒng)實測壓力升高，上升時間為2.5 s.在30 s目標(biāo)壓力下降，系統(tǒng)實測壓力下降，下降時間為4.8 s.

圖5-B所示為磁粉制動器加載時，系統(tǒng)實測壓力響應(yīng)曲線圖.由圖5-B可看出，在12.5 s目標(biāo)壓力階躍上升，系統(tǒng)實測壓力升高，上升時間為2 s.在27.5 s目標(biāo)壓力階躍下降時，系統(tǒng)實測壓力下降，下降時間為1.5 s.

由此可看出，電磁比例溢流閥加載與磁粉制動器加載時，通過PID控制，系統(tǒng)實測壓力都能夠很好地響應(yīng)目標(biāo)壓力變化.從實驗結(jié)果對比看出：相比磁粉制動器加載，電磁比例溢流閥加載在壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)時系統(tǒng)實測壓力上升、下降時間長，說明磁粉制動器加載時系統(tǒng)壓力響應(yīng)快速性要略優(yōu)于電磁比例溢流閥.

壓力閉環(huán)控制，電機(jī)轉(zhuǎn)速800 r/min，目標(biāo)壓力5 MPa-8 MPa-5 MPa；A:電磁比例溢流閥加載；B：磁粉制動器加載.圖5　系統(tǒng)實測壓力響應(yīng)曲線Fig.5　The system measured pressureresponse curves

圖6-A為壓力閉環(huán)控制，電磁比例溢流閥加載，目標(biāo)壓力8 MPa，給定電機(jī)轉(zhuǎn)速階躍變化0～1 000 r/min，系統(tǒng)實測壓力響應(yīng)曲線圖.由圖6-A可看出，前4 s，電機(jī)轉(zhuǎn)速從0 r/min逐漸增大到400 r/min時，系統(tǒng)實測壓力上升，滯后時間為0.3 s，上升時間為1.35 s，最大超調(diào)量為6.25%.

圖6-B所示為磁粉制動器加載系統(tǒng)壓力響應(yīng)曲線圖.前4 s，系統(tǒng)實測壓力上升，滯后時間為1.3 s，上升時間為2.5 s，最大超調(diào)量為35%.

由于磁粉制動器轉(zhuǎn)子慣量大，因此在系統(tǒng)流量升高時，相比電磁比例溢流閥加載，磁粉制動器加載滯后時間長、系統(tǒng)壓力上升時間長、超調(diào)量大.磁粉制動器加載系統(tǒng)壓力動態(tài)響應(yīng)滯后時間長、超調(diào)量大.

圖7-A為壓力閉環(huán)控制，電磁比例溢流閥加載，給定目標(biāo)壓力8 MPa，電機(jī)轉(zhuǎn)速階躍變化800 r/min→1 000 r/min→800 r/min，系統(tǒng)實測壓力響應(yīng)曲線圖.由圖7-A可看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速從800 r/min增大到1 000 r/min時，實際流量增加，導(dǎo)致實測壓力上升到8.54 MPa，但由于系統(tǒng)壓力為閉環(huán)調(diào)節(jié)，輸入到電磁比例溢流閥放大板的電流減小，使得閥芯向相反方向移動，閥口開度增大，實測壓力降低，系統(tǒng)壓力又調(diào)回到目標(biāo)壓力值8 MPa.轉(zhuǎn)速從1 000 r/min下降到800 r/min時，調(diào)節(jié)過程相反.

壓力閉環(huán)控制，電機(jī)轉(zhuǎn)速0～1 000 r/min階躍上升，目標(biāo)壓力8 MPa；A：電磁比例溢流閥加載；B：磁粉制動器加載.圖6　系統(tǒng)實測壓力響應(yīng)曲線Fig.6　The system measured pressureresponse curves

圖7-B所示為同樣電機(jī)轉(zhuǎn)速干擾輸入條件下，磁粉制動器加載，系統(tǒng)實測壓力響應(yīng)曲線圖.經(jīng)過比較，電機(jī)轉(zhuǎn)速從800 r/min增大到1 000 r/min時，系統(tǒng)實測壓力最大上升到9.1 MPa；電機(jī)轉(zhuǎn)速從1 000 r/min下降到800 r/min時，系統(tǒng)實測壓力最大下降到6.55 MPa.

由實驗結(jié)果可知，相比磁粉制動器加載，電磁比例溢流閥加載抗干擾能力強(qiáng).

4結(jié)論

本文在同一機(jī)電液系統(tǒng)、相同工況條件下，對電磁比例溢流閥與磁粉制動器進(jìn)行模擬加載對比研究.相比磁粉制動器加載，電磁比例溢流閥加載控制電壓死區(qū)大、靈敏度低、最大滯后誤差小.磁粉制動器加載與電磁比例溢流閥加載響應(yīng)快速性相當(dāng)；磁粉制動器加載時系統(tǒng)壓力動態(tài)響應(yīng)滯后時間長、最大超調(diào)量大；相比電磁比例溢流閥加載，磁粉制動器加載壓力閉環(huán)控制抗干擾能力差.在實驗室條件下對機(jī)電液系統(tǒng)模擬加載時，應(yīng)根據(jù)負(fù)載特性、適用范圍、經(jīng)濟(jì)成本等因素選擇合適的加載元件.

壓力閉環(huán)控制，電機(jī)轉(zhuǎn)速800 r/min→1 000 r/min→800 r/min階躍變化，目標(biāo)壓力8 MPa；A：電磁比例溢流閥加載；B：磁粉制動器加載.圖7　系統(tǒng)實測壓力響應(yīng)曲線Fig.7　The system measured pressureresponse curves

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(責(zé)任編輯胡文忠)

Experiment on pressure response in the hydraulic system based on two loading components

WU Zhen- song1,GU Li-chen1,2,LIU Yong1，3,CHEN Meng1,YANG Bin1

(1.School of Mechanical Engineering,Chang′an University,Xi′an 710064,China；2.School of Mechanical-Electronic Engineering,Xi′an University of Architecture and Technology,Xi′an 710055,China;3.School of Mechanical Engineering,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,China)

Abstract：【Objective】 To analyze loading characteristics of electromagnetic proportional relief valve and magnetic powder brake in the same mechanical electrical and hydraulic system.【Method】 In the same electrical fluid,stimulation loading experiment of the two kinds of components was conducted in the pump-control-motor hydraulic pressure system to analyze their dynamic and static response properties.【Result】 The results showed that under the same working conditions,magnetic powder loading sensitivity was 13.6 MPa/V,voltage dead area of loading control was 8.33 %,lag time in dynamic response was 1.5 s,the maximal lag error was 0.96 MPa and the maximal overshoot volume was 35 %.Electromagnetic proportional relief valve loading had lower sensitivity of 2.12 MPa/V,larger voltage dead area of loading control of 28.9%,longer lag time in dynamic response of 4.8 s ,furthermore it had the following significant advantages including smaller maximal lag error of 0.2 MPa and the maximal overshoot volume of 6.25 % and stronger anti-jamming capacity.【Conclusion】 The results would provide reference data for choosing suitable loading components under laboratory conditions according to actual conditions and load characteristics.

Key words：electromagnetic proportional relief valve;magnetic powder brake;load characteristics;hysteresis

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51275375)；湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究資助項目(B2015115)；湖北汽車工業(yè)學(xué)院博士科研基金資助項目(BK201403).

收稿日期：2015-07-20；修回日期：2015-10-29

中圖分類號：TH 137.31

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1003-4315(2016)03-0150-05

第一作者：吳振松(1990-)，男，碩士研究生，從事機(jī)電液一體化與液壓節(jié)能控制研究.E-mail：1696207860@qq.com