楊婷婷 張璇
摘 要 在對液壓挖掘機液壓控制系統(tǒng)的組成和工作原理認真分析的基礎(chǔ)上,建立具有普適性的系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的系統(tǒng)動力學(xué)模型、傳遞函數(shù)方塊圖模型,為今后建立整個液壓控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型提供依據(jù),也是模型理論分析和仿真驗證的基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞 液壓控制系統(tǒng);動力學(xué)模型;方塊圖模型
引言
本文基于某中型液壓挖掘機負荷傳感液壓系統(tǒng),在分析了液壓系統(tǒng)的組成與工作原理的基礎(chǔ)上,通過建立液壓系統(tǒng)中關(guān)鍵部件可變壓力補償閥的受力平衡方程,進而建立其液壓系統(tǒng)動力學(xué)模型,最終建立液壓挖掘機負荷傳感液壓系統(tǒng)可變壓力補償閥的方塊圖模型,為今后建立整個液壓控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型打下基礎(chǔ),同時為模型的理論分析和仿真研究提供依據(jù)。
1 系統(tǒng)組成與工作原理
液壓挖掘機負荷傳感控制系統(tǒng)主要由主泵、控制閥(多路閥)、執(zhí)行機構(gòu)和液壓管道四部分組成,主要功能是從主油泵供應(yīng)高壓油,推動油缸和液壓馬達進行挖掘、行走和回轉(zhuǎn)。液壓挖掘機負荷傳感控制系統(tǒng)組成如圖2.1所示。
主泵主要由兩個彎軸型變量柱塞泵組成,為整個系統(tǒng)提供高壓油,如圖1.1所示??刂崎y為KVMX?—25型多路閥,主要由回轉(zhuǎn)控制閥、左右行走控制閥、鏟斗控制閥、動臂控制閥、斗桿控制閥、可變壓力補償閥、節(jié)流閥、補償安全閥、梭閥和輔助閥組成,主要功能是控制整個液壓回路中液壓油的油壓、流量和流向,每個主控制閥都帶有可變壓力補償閥,當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)進行復(fù)合動作時,執(zhí)行元件可以以一定速比運動而不互相干擾,保證復(fù)合動作的協(xié)調(diào)性。執(zhí)行機構(gòu)主要由工作機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)和行走機構(gòu)組成,其中工作機構(gòu)由鏟斗油缸、動臂油缸和斗桿油缸組成,由液壓缸來驅(qū)動;回轉(zhuǎn)機構(gòu)由回轉(zhuǎn)馬達組成;行走機構(gòu)由左、右兩個行走馬達組成,回轉(zhuǎn)機構(gòu)、行走機構(gòu)均由液壓馬達驅(qū)動,主要完成液壓挖掘機挖掘、滿斗舉升、回轉(zhuǎn)、卸載及行走等動作[1]。
圖1.2為負荷傳感控制系統(tǒng)工作原理圖,該系統(tǒng)為負荷傳感控制系統(tǒng),從變量泵和主控閥進入執(zhí)行元件的流量不受負載影響,在保證復(fù)合動作的同時,又使各執(zhí)行元件互不干涉,同時,結(jié)合液壓泵控制系統(tǒng),減少了溢流損失。
負荷傳感控制系統(tǒng)中,通過梭閥的作用,最高負載壓力不但被傳感到變量液壓泵上,同時也被傳感到各執(zhí)行元件的可變壓力補償閥上,使位于變量泵與執(zhí)行元件之間的控制閥節(jié)流孔壓差始終保持相等(一般為規(guī)定值),這樣就保證了各執(zhí)行元件所獲得的流量始終與節(jié)流孔面積成正比,使得所有執(zhí)行元件以相同速比減速,從而保證各執(zhí)行元件動作的協(xié)調(diào)性[2]。
2 建立數(shù)學(xué)模型
負荷傳感系統(tǒng)控制閥為KVMX?—25型多路閥,主要由換向閥(主控制閥)、節(jié)流閥、可變壓力補償閥、梭閥網(wǎng)絡(luò)組成。由于系統(tǒng)中斗桿控制閥、動臂控制閥、鏟斗控制閥、回轉(zhuǎn)控制閥和行走控制閥結(jié)構(gòu)相同,數(shù)學(xué)建模過程相同,他們同各自的可變壓力補償閥及其輔助元件組成各自的控制回路,共同并聯(lián)在液壓網(wǎng)絡(luò)上,因此,本節(jié)對斗桿控制閥組中的可變壓力補償閥進行分析[3]。
2.1 可變壓力補償閥數(shù)學(xué)模型
忽略可變壓力補償閥自身重力,壓力補償閥的閥芯受力平衡方程:
(2-1)
式中:——壓力補償閥閥芯下腔作用力,,
——壓力補償閥閥芯上腔作用力,,
——壓力補償閥閥芯穩(wěn)態(tài)液動力,
,
——閥芯質(zhì)量,
——流量系數(shù)
——速度系數(shù)
——壓力補償閥進油口壓力,
——壓力補償閥出油口壓力,
——壓力補償閥的閥芯受力面積,
——黏性阻尼系數(shù),
設(shè)壓力補償閥工作在某穩(wěn)定工作點,列出式(2-1)線性化方程,得:
(2-2)
其中:,
根據(jù)體積彈性模量公式[4]:
(2-3)
得出:
(2-4)
因此,壓力補償閥流量連續(xù)方程為:
(2-5)
壓力補償閥出口壓力-流量方程為:
(2-6)
式中: ——面積梯度
——油液密度,
——多路閥的主控制閥流入可變壓力補償閥的流量,
——可變壓力補償閥閥芯腔容積,
由于壓力補償閥出口壓力-流量方程為非線性方程,設(shè)壓力補償閥在某穩(wěn)定狀態(tài)時相應(yīng)變量為(),式(2-6)的線性化方程為[5]:
(2-7)
式中:——流量增益,
——流量-壓力系數(shù),
對式(2-2)、(2-7)進行拉氏變換,得:
(2-8)
式中: ,
(2-9)
式中:為液動力剛度,
根據(jù)式(2-8)、(2-9),畫出可變壓力補償閥的傳遞函數(shù)方塊圖,如圖2.1所示:
以上以鏟斗液壓回路為例,建立了液壓挖掘機負荷傳感液壓系統(tǒng)可變壓力補償閥的傳遞函數(shù)方塊圖模型,為今后建立整個液壓挖掘機負荷傳感液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立打下基礎(chǔ)。
參考文獻
[1]王慧,楊婷婷,王超,等.二次調(diào)節(jié)伺服加載試驗臺轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的動態(tài)魯棒補償[J].機床與液壓,2008,(10):92-94.
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[5] 史忠科.魯棒控制理論[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003:51.
作者簡介
楊婷婷(1985-),女,遼寧阜新人;畢業(yè)院校:遼寧工程技術(shù)大學(xué),專業(yè):機械,學(xué)歷:研究生,碩士學(xué)位,現(xiàn)就職單位:阜新市轉(zhuǎn)型升級(突破遼西北戰(zhàn)略)服務(wù)中心,研究方向:機械工程、機電液一體化。
張璇(1983-),女,遼寧阜新人;畢業(yè)院校:遼寧工程技術(shù)大學(xué),專業(yè):工程,學(xué)歷:研究生,碩士學(xué)位,現(xiàn)就職單位:阜新高新技術(shù)開業(yè)開發(fā)區(qū)。