现场混装炸药车液压控制系统优化设计.pdf

2 0 1 4年 5月 第4 2卷 第 9期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I C S Ma v 2 01 4 Vo 1 ． 42 No ． 9 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 9 ． 0 2 0 现场混装炸药车液压控制系统优化设计 崔焕星， 张冒，程佩砜 ， 何朝明 西南交通大学机械 工程学院，四川成都 6 1 0 0 3 1 摘要现场混装炸药车生产的炸药质量很大程度上取决于各物料的配比及敏化器的转速，液压控制系统多采用电液比 例阀调节马达转速控制各生产原料的配比，现场复杂环境无法满足比例阀调控负载恒定的前提。通过在 A ME S i m环境中建 立电液比例阀调速模型，分析其对负载的响应性能并对控制系统进行改进设计。仿真结果表明优化后的控制系统能够消 除负载波动对转速的影响，为现场乳化混装炸药车液压控制系统设计提供依据。 关键词 炸药混装车；电液比例阀；负载；A ME S i m 中图分 类号 T D 2 3 5；T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 9 0 7 4 3 Opt i mi z a t i o n De s i g n o f Hy dr a u l i c Co n t r o l Sy s t e m Us e d f o r Lo c a l M i x- l o a d Ex pl o s i v e Ve h i c l e CUI Hua n x i n g， ZHANG Ma o， CHENG Pe i p e i ， HE Cha o mi n g S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 3 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e q u ali t y o f t h e d y n a mi t e p r o d u c e d b y l o c a l mi x - l o a d e x p l o s i v e v e h i c l e w a s v a r y mu c h d e p e n d e d o n t h e p r o p o r t i o n o f t h e m a t e r i a l s a n d s p e e d o f t h e s e n s i t i z e d d e v i c e ． T h e m o t o r s p e e d i n t h e h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m w a s a d j u s t e d b y u s i n g t h e e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n al v alv e ，b e c a u s e o f t h e c o mp l e x e n v i r o n me n t ，t h e p r e mi s e s o f a c o n s t a n t l o a d d u r i n g t h e p r o p o rti o n a l v a l v e w a s c o n - t r o l l e d a n d a d j u s t e d c o u l d n o t b e m e t ．T h e c o n t r o l mo d e l o f e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l v al v e w a s e s t a b l i s h e d i n A ME S i m e n v i r o n me n t ，t h e n a n aly z e d i t s a b i l i t y t o r e s p o n s e p e r f o r ma n c e o f t h e l o a d，a n d o p t i mi z e d t h e d e s i g n o f c o n t r o l s y s t e m．T h e r e s u l t s o f s i mu l a - t i o n s h o w t h a t o p t i mi z e d c o n t r o l s y s t e m c a n e l i mi n a t e t h e i mp a c t o f fl u c t u a t i n g l o a d o n t h e s p e e d，a n d p r o v i d e b a s i s f o r t h e d e s i g n a b o u t h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m u s e d for l o c a l mi x l o a d e x p l o s i v e v e h i c l e ． Ke y wo r d s Mi x - l o a d e x p l o s i v e v e h i c l e ；El e c t r o h y d r a u l i c p r o p o rt i o n al v alv e ；L o a d；AME S i m 与制造及使用成品炸药相 比 ，现场混装炸药车生 产制备炸药具有机械 自动化程度高、劳动强度低和安 全性更高 的特点 。通过炸 药混装 车控制系统精确控制 各组料的配 比及装药计量和安全监控，是保证炸药质 量和装量，获得较好爆炸效果的保证。 液压控制系统是现场混装炸药车的执行机构，它 的优劣直接影响产品的质量 。液压马达的调速一般 有泵控 与阀控两种 形式 ，但在混 装车上一个 泵要给几 条回路供油 ，仅为控制一个马达的转速就改变油泵的 排量势必会对其他回路产生干扰。文献 [ 2 ]选用电 液 比例换 向阀控制 各配料 泵驱动 马达 的转速 及转 向 ， 比例换向阀能够调节通过流量与输入电信号成比例， 但需保证阀进出口两端压差恒定 。在实际应用中较难 实现，比如原料装入贮存罐内时不均匀、料箱内的配 料逐渐减少等都会在混装过程中引起输送泵两端压差 不稳定 。 1 阀控液压 系统建模 现场生产 时，传感 器将 配料泵 的转 速反馈 给 P L C，由 P L C经过 P I D运算后将控制信号传给与比例 阀配套的比例放大器 。阀控液压马达调速的实验系 统尽可能地贴近实 际系统 ，由电机 、主油泵 、电液 比 例换 向阀、马达及控 制 回路、负载 回路组 成。在 A ME S i m中利用元件库建立系统模型 ，如 图 1所 示 主 回路 中的液压 马达通 过联 轴器 与负 载泵 连接 ， 泵 的速度通过传感 器反馈 回控制 回路 ，由 P I D控制器 输出信号调节换向阀的开口。 图 1 液压系统模型 收稿 日期 2 0 1 3 0 41 1 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 2 7 5 4 3 1 作者简介崔焕星 1 9 8 8 一 ，男，硕士研究生，研究方向为液压系统设计 、智能控制。Em a i l 第 9期 崔焕星 等现场混装炸药车液压控制系统优化设计 7 5 2仿真与分析 ． 仿真时需先设定各个元器件的参数油液密度 8 5 0 k g ／ m ；电机额定转速为 1 0 0 0 r ／ m i n ；主油泵的 排量为 1 0 0 m L ／ r ，额定 转 速为 1 5 0 0 r ／ m i n ；溢 流 阀 的压 力 为 1 2 M P a ；马 1 0 0 达 的排 量为 1 0 0 m I _ ／ r ， 8 0 额 定 转 速 为2 2 0 r／ m in ； 三 负载压力 6 MP a ；仿真 2 。 时 间 1 0 s ，步 长 0 ． 0 0 1 ” * n 仿真结果如图 2所 图2 速度响应结果 。 方波信号响应仿真中加速时马达转速设定值由 6 0 r ／ m i n阶跃 至 8 0 r ／ m i n ；减 速时，设定 值从 8 0 r ／ ra i n 降至6 0 r ／ m i n 。由图 2可以看出，在负载恒定 时，马达在电液比例换向阀的控制下能够很快地响应 系统设定值的变化 ，稳定前有一定的超调，稳定后系 统 跟踪性 较好 。 比例阀的流量方程 I Q C W X ／ 1 V P 式中c 为流量系数 ， 为窗口面积梯度，P为液压 油 密度 ， 为 阀芯位移 。 马达和负载的力矩平衡方程 D m p s J , s B sG 0 s L s 2 式中D 为马达排量 ； P 为高压侧油腔压力 ；J 为 马达及负载折算到马达轴上的等效转动惯量 ；B 为 马达及负载总黏性阻尼系数 ；G为负载的扭簧刚度； ．为负载力矩 。 由式 1 、 2 可以看出当负载发生变化时必 然会 引起 马达一端油 口的压力变化 ，而压力变化会对 比例阀的阀芯位移 造成 干扰 。 在实际生产过程中，外界工作条件的变化会对系 统产生干扰。仿 真中在 马达工作时对负载添加正弦干 扰 ，如图 3中虚线所示 。 g 6 0 瘟 0 辩 2 0 0 l 0 8 _ 6皇 蒜 4 斌 2 0 图 3 加负载干扰后系统的响应 其他参数不变得到系统响应曲线。结果表明当系 统 的负载不稳定 时 ，马达 的转速也会 出现波动 。由于 系统要求实现各物料精确配比，若仅依靠电液比例换 向阀控制马达的转速显然不能满足稳定要求。 3改进系统模型 换 向阀进 口压力 由溢流 阀确定 ，出 口压力受马达 压力 的影 响。因此 ，改进原系统 的设计 ，对换 向阀出 口做压力补偿 。在 A M E S i m环境 中通 过基 于物理模 型 的图形简化方 式 由基础的模块构建复杂元 器件模 型 ，借助 A M E S i m下的液压元件设计库建立补偿阀 的模型 ，接入液压系统 ，如 图4所示 ，补偿 阀的左端 活塞直径 1 0 m m，右端压力腔活塞直径 1 5 m m，杆直 径 5 m m，弹 簧 刚 度 2 0 N ／ m m，阀 芯 质 量模 块 质 量 0 ． 0 3 k g ，黏性摩擦系数为 1 0 0 N ／ m ／ s 。 图 4 加压力补偿后的系统模型 在不改变仿 真参数 的前提下再次进行仿 真 ，得 到 结果如 图 5所示 。在系统加入补偿 阀之后系统能够对 比例换向阀的出口压力做补偿 ，这样就能够消除负载 扰动对马达转速的影响，在速度设定值变化时，流量 的瞬间超调减小 ，是速度换接也更加平稳 。 9 0 8 0 i ． 5 O 4 0 O 图 5 优化后 的马达转速 在 生产过 程 中有 时需 要 马达反 转 ，例 如螺 杆泵 及 敏化器 的驱 动马达。在仿 真系统中设定马达转速 由 6 0 r ／ m i n阶跃至 一 6 0 r ／ m i n ，得到系统的响应曲线如 图6 。未加入补偿阀的系统能够实现控制换向阀快速 动作 ，实现马达反转 ，加入补偿阀的系统却不能够实 现反转。这是因为在马达正转时，补偿阀的负载信号 通道 L s 接在马达的进油 口油路上，但当换向后 ， 却接在了马达出油 口油路上 ，直接与油箱相连，失去 了压力补偿作用。 7 6 机床与液压 第 4 2卷 一 l 0O 5 0 目 。 一50 -1 00 图6 系统控制马达反转响应曲线 为解决 这一问题 ，在马达出油 口及进油 口回路上 加装一个梭 阀，电液 比例换 向阀的出口压力 由梭 阀回 馈给压力 补偿 阀，确 保最 大 的负 载压 力 能够 得 到 回 馈。再次进行仿真结果如图7所示 ，表明系统能够很 好 的消除系统负载波动对马达调速的影响 ，在换 向时 也能够快速响应，满足系统设计要求。 宣 昌 ● ． 啦 一 1 O 2 4 f ， s 6 8 t O 图7 加梭阀后的系统仿真曲线 4结论 利用 A ME S i m对系统进行仿真 ，能够真实地反映 液压元器件及系统 的性能 。在分析现场乳化混装炸药 车电液 比例换 向阀调 速系统基 础上 对系统 进行 改进 ， 并在 A ME S i m环境下进行仿真实验。仿真结果表明， 改进后的控制系统能够消除负载扰动对系统调速性能 的影响，实现快速响应 ，稳定后速度平稳。该控制系 统对其他负载敏感 的液压控制系统同样具有参考价 值 。 参考文献 [ 1 ]仲峰 ， 苗涛， 刘侃． 混装乳化炸药车装药控制系统关键关 键问题的研究[ J ] ． 爆破 ， 2 0 1 1 ， 1 2 4 9 09 2 ． [ 2 ]张妮娜． 现场混装炸药车液压控制系统的压制[ D] ． 大 连 大连海事大学， 2 0 1 2 ． [ 3 ]WA N G Me n g ， C H E N G P e n g ． T h e R e s e a r c h o n S i m u l a t i o n a n d C o n t r o l Me t h o d o f Di r e c t O p e r a t e d El e c t r o --h y d r a u - l i c P r o p o r t i o n a 1 ． r e d u c i n g V a l v e『C] ．E l e c t r i c a l a n d C o n t r o 一 1 E n g i n e e r i n g I C E C E ， 2 0 1 1 I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n ， 2 011 1 3 621 3 65． [ 4 ]付永领． 祁小野． A ME S i m系统建模和仿真 [ M] ． 北京 航空航天大学 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 5 ]Y u Me n i ， Y U Z h u o p i n g ， X I O N G L u ． C l e a n ． Mo d e l i n g a n d S i mu l a t i o n g B a s e d o n AMEs i m of Ve h i c l e E S P Hy d r a u l i c C o n t r o l U n i t [ C] ． C o m p u t e r S c i e n c e a n d A u t o m a t i o n E n g i n e e fi n g C S A E ， 2 0 1 2 I E E E I n t e rna t i o n a l C o nfe r e n c e o n ， 2 01 2 2 422 46． [ 6 ]邓克 ， 席素义． 变量泵 一定量马达容积调速系统优化研 究[ J ] ． 锻压设备与制造技术 ， 2 0 0 9 0 3 1 1 31 1 5 ． [ 7 ]P A R K S H， A L A M K， J E O N G Y M， e t a 1 ． M o d e h n g a n d S i mu l a t i o n of Hy d r a u l i c S y s t e m f o r a Wh e e l L o a d e r u s i n g A M E S i mf C ] ． I C C A S S I C E， 2 0 0 9 2 9 9 1 2 9 9 6 ． 上接 第7 3页 2 ． 2 2． O 鉴1 ． 8 L 1． 4 2 ． 2 2 ． 0 耋 - ．s 1 ． 6 1； 卜1 ． 4 1 ． 2 0 l 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 速度v ／ k m h q 速度v ／ k m h - 1 图 1 1 车体前部横向 图 1 2 车体后部横向 平稳性指标 平稳性指标 试验结果表 明研制 的半主动油压减振器 可以保 证 C R H 3 8 0 A L动车组非动 力车 在 4 0～ 4 4 0 k m ／ h速度 范 围内动力 学性 能优 越 ，能够 满 足线 路 上 3 8 0 k m ／ h 速度安全运行的要求。电液比例阀控式半主动减振器 相对被动状态和原车半主动减振器均能比较有效地改 善高速动车组车体的横向动力学性能。 4 结束语 对电液比例阀控制的半主动减振器的工作原理进 行 了研究 ， 开展了工程化设计实现样 机制造 ，并对 不 同比例阀控制电流下减振器的阻尼特性进行 了研究， 并完成 了装 C R H 3 8 0 A L动 车组 在 机车 车辆 滚 振 试验 台上的台架试验。实车试验结果表明研制成功的电 液 比例阀控 式半主动减振器能 比较有效地改善高 速动 车组车体 的横 向动力学性能 。 参考文献 [ 1 ]佐佐木君章． 改善高速列车的横向乘坐舒适度 半主动 悬挂减振装置的应用[ J ] ． 铁道学报， 2 0 0 4， 2 6 1 1 0 5 1 1 5． [ 2 ]S a s a k i K ． A L a t e r al S e m i A c t i v e S u s p e n s i o n o f T i l t i n g T r a i n [ J ] ． Q R o f R T R I ， 2 0 0 0 ， 4 1 1 1 1 1 5 ． [ 3 ]丁问司， 卜 继玲， 刘友梅． 我国高速列车横向半主动悬挂 系统控制策略及控制方式[ J ] ． 中国铁道科学， 2 0 0 2 ， 2 3 4 1 7 ． [ 4 ]李辉， 顾亮， 刘琰． 车辆半 主动悬挂控制理论 的研究 [ J ] ． 汽车科技， 2 0 0 2 ， 2 6 2 2 6 2 8 ． [ 5 ]丁问司， 刘少军， 卜 继玲． 高速开关阀控制的高速列车横 向半主动减振器[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 3 6 5 05 1 ． [ 6 ]宋俊， 王淑莲． 液压元件优化[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 1 9 9 9 ． [ 7 ]姚建伟 ， 孙琼， 章润鸿， 等． 铁路机车车辆半主动控制减 振器的理论研究和产品研制[ J ] ． 铁道机车车辆， 2 0 0 4， 2 4 1 2 6 9 ． [ 8 ]魏来， 戴焕云． 半主动液压减振器台架试验报告[ R] ． 成都 西南交通大学牵引动力国家重点实验室， 2 0 1 2 ， 1 4 5 0 ．