基于负载敏感控制的某液压起升装置建模与仿真.pdf

2 0 1 2年 1 2月 第 4 0卷 第 2 3期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAULI CS De c ．2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 2 3 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 2 3 ． 0 3 6 基于负载敏感控制的某液压起升装置建模与仿真 冯永保 ，仕润霖 ，李淑智 ，李西康 1 ．第二炮兵工程大学，陕西西安7 1 0 0 2 5 ； 2 ．航天科工集团2 1 0所，陕西西安 7 1 0 0 6 5 摘要某大型机电设备液压起升装置起升时的速度控制、换级冲击 、超越负载对起升的影响以及功率损耗大是起升装 置使用过程中需要解决的问题。为了提高起升装置的整体性能，设计基于负载敏感控制的液压驱动方案。利用 A ME S i m仿 真软件建立了液压起升装置的负载敏感控制系统模型，并进行仿真。结果表明基于负载敏感控制的液压起升装置起升速 度控制方便，换向冲击小，在起升最后阶段能有效抑制超越负载对起升装置稳定性的影响 ，整个系统具有功率匹配、响应 快、节能效果明显等优点。 关键词负载敏感控制；液压起升装置；仿真 中图分类号T HI 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 2 31 3 6 4 M o d e l i n g a n d S i mu l a t i o n f o r a Hy d r a uli c Li f t i n g De v i c e Ba s e d o n Lo a d - s e n s i n g Co n t r o l F ENG Yo n g b a o ，SHI Ru n l i n ，L I S hu z h i ，L I Xi k a n g 1 ． T h e S e c o n d A r t i l l e r y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y ， X i ’ a l l S h a a n x i 7 1 0 0 2 5 ， C h i n a ； 2 ． 2 1 0 R e s e a r c h I n s t i t u t e ， A e r o s p a c e S c i e n c e a n d I n d u s t r y C o r p o r a t i o n ， X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 6 5，C h i n a Ab s t r a c t T h e p r o b l e ms o f l i f t i n g s p e e d c o n t r o l ， c o mmu t a t i n g i mp a c t ， i mp a c t o f e x c e e d i n g l o a d u p o n l i f t i n g a n d p o w e r l o s s e x i s t i n g i n h y d r a u l i c l i ft i n g d e v i c e o f t h e l a r g e me c h a n i c a l an d e l e c tr i c a l e q u i p me n t n e e d t o b e r e s o l v e d ．I n o r d e r t o i mp mv e the o v e r a l l p e r - f o r ma n c e o f t h e l i ft i n g d e v i c e ，the h y d r a uli c d r i v e p r o g r a m w a s d e s i g n e d b a s e d o n l o a d s e n s i n g c o n t r o 1 ．Us i n g AME S i m s i mu l a t i o n s o ft wa r e ，t h e l o a d s e n s i n g c o n t r o l s y s t e m mo d e l o f h y d r a u l i c l i ft i n g d e v i c e wa s e s t a b l i s h e d ．T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t u s i n g the h y d r a u l i c l i ft i n g d e v i c e b ase d o n l o a d s e n s i n g c o n t r o l ，l i ft i n g s p e e d c o n t r o l i s f a c i l i t a t e d ；c o n u n u t a t i n g i mp a c t i s s ma ll ；i n t h e fi n a l s t a g e s o f l i f t i n g ，the i mp a c t o f e x c e e d i n g l o a d s o n s t ab i l i t y o f t h e l i f ti n g d e v i c e c a n b e e ff e c t i v e l y i n h i b i t e d ．T h e e n t i r e s y s t e m h a s a d v an t a g e s o f p o w e r ma t c h i n g ，f a s t r e s p o n s e ，e n e r g y - s a v i n g an d S O o n ． Ke y wo r d s L 0 a d s e n s i n g c o n t r o l Hy a uli c l i fti n g d e v i c e ；S i mu l a t i o n 某大型机电设备起升装置一般采用恒压源加节流 阀控制系统速度，该系统调速精度低 、冲击大，不能 完全适应起升装置工作时对速度控制的高要求 ，而且 存在节流和溢流损失，系统功率损耗大。随着负载敏 感控制、变频控制等具有节能性能控制方式的出现和 应用，这种传统型的速度控制方式有逐渐被新型控制 方式取代的趋势。作者在分析了传统大型机电设备起 升装置速度控制的特点以及负载敏感控制原理的基础 上 ，设计了基于负载敏感控制的该起升装置液压驱动 方案，并通过 A M E S i m仿真软件对系统进行建模 ，仿 真时充分模拟了在实际起升过程中出现的各种干扰对 系统的影响。结果表明，基于负载敏感控制的方案具 有较好的速度控制效果和节能效果。 1 负载敏感控制原理及起升装置液压系统方案 负载敏感控制就是将负载所需的压力 、流量与泵 源的压力流量匹配起来以最大程度提高系统效率的一 种控制技术 。要提高系统的功率利用效率 ，一方 面要将负载所需的压力与泵源的输出压力相匹配；另 一 方面，泵源的输出流量还需满足负载驱动的速度要 求。此外 ，还需实现系统待机时的低功耗。 作者设计的某大型机电设备起升装置液压系统采 用负载敏感变量泵一电液比例换向阀复合控制 ，它主 要由变量柱塞泵7 、变量油缸6 、压力切断阀5 、负载 敏感阀4 、电液比例换向阀 3 、平衡阀 2和二级起升 油缸 1 等组成 ，其系统原理如图 1 所示。 负载敏感控制 是通过在 A 1 0 V变量柱塞泵 7 的基础上集成了负载敏感 阀4及压力切断阀 5实现 的。阀5用于限定泵的最高工作压力P 。负载的驱动 压力 P ． 则反馈到泵的控制 口 X，阀 4用于限定泵出 口至油缸进油 口之间的压差 △ p ，压差 △ p由弹簧刚度 调整 ，一般每个液压系统都有相对应的压差值 ，却 的可调范围为 1 ． 4～ 2 ． 8 MP a 。 收稿 日期 2 0 1 1 1 01 8 作者简介冯永保 1 9 7 1 ～ ，副教授 ，硕士研究生导师，主要从事液压系统的教学和科研工作。Em a i l k e l l y c h e n s h i 1 6 3 ．c o mo 第 2 3 期 冯永保 等基于负载敏感控制的某液压起升装置建模与仿真 1 3 7 荤 缸 P ⋯ 4 ⋯ 一 2 一 平 衡 阀 P ． 卜 一 一 一 一 1 一 一 一 一 1 赛 鋈 篙 张 丽 2 4 一 负 载 敏 感 阀 9 w L1 1 广 ，J Y I 妻 阀 ’ 仨 兰 -- ‘ 6 _ _ 变 量 油 缸 L _ 1 r - J 7_ 龚 笔 袁 泵t l X , 。 j 8_ 异 步 电 机 I M 一 8 l I i 一 F二-- -- -- --I砸 I- -- ； -- 二--j-- I“一- - { 一 -1 一 一 x- } 嘲 卜 亘 一一 一 一 二二二 图 1 某大型机电设备起升装置液压系统方案 起升装置液压系统工作时 ，电液比例换向阀3用 于控制负载需要的流量 q 当阀3的开度减小 ，表明 负载需求流量减小，此时泵输出的流量大于负载所要 求的流量 ，则阀3进出口压差 却 P 一 P 增大，推 动负载敏感阀4阀芯向右运动 ，使泵出口通过阀4左 位与变量油缸 6无杆腔连通，由于变量油缸无杆腔与 有杆腔之间的面积差，推动变量泵的斜盘倾角减小 ， 使泵的流量减小 ，直到达到负载所需求的流量为止。 反之 ，阀3的开度增大，泵输出流量小于负载所要求 的流量，则 △ p P 一 P 减小，负载敏感阀 4阀芯向 左运动，变量油缸 6无杆腔经过负载敏感阀 4右位通 油箱，推动变量泵的斜盘倾角增大，泵的流量增大。 在此系统中，电液比例换向阀3与负载敏感阀4共同 构成 了一个调速 阀。 系统保压时 ， P -_ p 这时负载敏感 阀4无法开 启，P 推动压力切断阀5阀芯向右运动 ，油液通过阀 5左位进入变量油缸 6的无杆腔，使泵的流量减小到 仅能维持系统的压力，斜盘倾角接近零偏角 ，泵的功 耗最小 。 当P ． ≤p 一△ p时，无论负载如何变化，泵提供 的流量始终与负载的要求相适应，而泵的输出压力则 为P 。 ． 卸 。此时，液压系统 的效率 不计泵 的效率 及液压缸的效率为 p ．／ P ． 。 当阀3开度为 0 ，即起升装置停止工作、处于待 机状态时 P 。 ． 0 ，泵出E l 压力仅为负载敏感阀4弹簧 设定值 ，流量接 近于零。系统 的待机 功率损 耗为 △ p q ，其中 q 为泵的外泄漏及控制流量损失。 综上所述 1 负载敏感泵的输出压力和流量 完全根据负载和控制信号的要求变化 ； 2 系统保 压时 ，泵的输出流量仅维持系统 的压力； 3 系统 待机时，泵在低压 、零偏角下运转； 4 在不考虑 泵源部分的容积效率及先导控制流量损失的情况下， 负载敏感系统的效率是与负载敏感泵流量阀的设定压 力有关的，随着系统工作压力提高 ，系统效率呈现提 高的趋势；另一方面，随着流量阀的设定压力值越 高 ，虽然可以使系统的供流能力提高 ，但也会降低系 统的效率。 2起升装置液压系统的 A ME S i m建模 2 ． 1 模型搭建 起升装置液压系统模型主要由负载敏感泵、电液 比例换向阀、二级起升油缸三部分组成。在 A M E S i m 的液压元件库 H y d r a u l i c 中没有负载敏感变量泵和 二级起升油缸的模型 ，因此需要用到液压元件设计模 块 H C D H y d r a u l i c C o m p o n e n t D e s i g n 库。可 以用 H C D库中最基本的模块 ，根据液压元件的内部结构 创建任意一个元件的子模型。另外，在整个模型搭建 过程中，由于用 H C D库中基本模块搭建的阀和活塞 不具备动态容积特性，所以用动态容积 C H模块 对阀和油缸的动态容积效应进行模拟。现根据图 1 所 示的液压系统方案搭建大型机电设备起升装置液压系 统 A M E S i m模型，见图2 。 图 2 负载敏感控制的起升装置液 压系统 A M E S i m仿真模型 1 3 8 机床与液压 第 4 0卷 如图2所示 ，负载敏感变量泵模型 主要 由变 量柱塞泵 7 、负载敏感控制阀 4 、压力切断阀 5 、变 量油缸 6和阻尼孔等组成。二级起升油缸 1的模 型 o 一 由两个单级缸级联起来构成 ，左边缸体固定的 为一级缸 ，右边缸体可滑动的为二级缸。质量块 r n 、 m ， 和固定外壳所组成的 M A S 3 0模块用于模拟液压缸 的伸出位移 、动摩擦、静摩擦、油缸质量 、各级油缸 伸出到位时的碰撞变形等参数，并且考虑了质量块的 倾斜角度对其受力的影响。二级起升油缸工作时，压 力作用于油缸无杆腔 ，一级缸活塞先伸出，由于一级 缸活塞杆与二级缸缸体级联在一起，所以，当质量块 m 碰撞到固定外壳时，表示一级缸伸出到位，二级 缸活塞开始伸出，当质量块 m 碰撞 到 m 外壳时， 表示二级缸伸出到位。缩 回时压力作用于油缸有杆 腔 ，二级缸 活塞缩 回到位后一 级缸 活塞才 开始缩 回 ， d 其伸缩顺序 由公式 ≥ 保证，式 中D 、d 为一 ／ J 1 ／ - ／ 2 级缸活塞和 活塞杆 直径 ；D 、d 为二 级缸 活塞 和 活 塞杆直径 。 2 ． 2模型参数设置 ’ “ J 根据起升装置速度控制要求及负载敏感液压系统 模型，设置了负载敏感变量泵的基本参数 变量泵最 大排量 1 4 0 m L ／ r ，变量泵转速 2 0 0 0 r ／ m i n ，负载敏 感控制阀设定压力 2 M P a ，压力切断阀设定压力 3 2 MP a ，线性化 函数f 一0 ． 0 0 3 4 ／ 0 ． 0 3 4 0 ． 0 0 3 4 ，阻尼 孔 直 径 0 ． 6 1 T i m，释 压 阻尼 孑 L 直 径 0 ． 3 5 m m。二级起升油缸的基本参数 一级活塞直径 2 5 6 m m，一级活塞杆直径 2 4 0 m m，二级活塞直径 2 0 0 m m，二级活塞杆直 径 1 6 0 m m，一 、二 级液压 缸 行程均为 1 ． 3 m，由于起升油缸一般在倾斜状态工 作 ，设置液压缸倾斜角为 3 0 。 ，摩擦力参数采用默认 设置。电液比例换向阀参数 频率 8 0 H z ，最大电流 4 O m A，流量 1 8 0 L ／ m i n 压差 A p 1 ． 4 M P a 时 。 3 起升装置的仿真 根据系统模型设置负载模拟信号如图3所示，此 信号的横轴表示在 0～ 5 5 s 的起升过程中起升装置由 0 。 起升到9 0 。 ，最后5 s 保持在9 0 。 不变。纵轴表示 0 。 时负载为2 0 0 k N，随着起升油缸的伸出负载逐渐减 小 ，接近 9 0 。 时负载由正变负，到 9 0 。 时负载为 一2 0 k N，最后 5 S 装置在 9 0 。 保持不动，负载恒定为 一 2 0 k N。 根据实际工作时的速度要求，计算得到液压缸在 伸出过程中需求的流量变化，设置电液比例换向阀阀 口开度控制信号如图 4所示，t 0～ 3 S 控制电流逐 渐变化到 3 4 m A，而后保持。当一级缸伸 出快到位 时，减小控制电流到 5 m A，换级结束后再增大控制 电流到 1 9 m A并保持 ，当起升装置起升接近 9 0 。 时， 逐渐减小控制电流到0 m A，最后 5 S 保持控制电流为 0 mA。 20 0 l 5 O Z 10 0 5 0 0 ．5 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 t l s t l s 图3 负载模拟曲线 图4 电液比例换向阀阀 口开度控制电流 以上工作后完成后 ，设置仿真时间为 6 0 S ，通讯 间隔为 0 ． 1 S ，运行仿真。 3 ． 1 二级起升油缸性能分析 从图 5中曲线 1 、2可以看 出在起升过程 中， 起升油缸在 1 s 后平稳伸出，换级时，待一级缸伸出 到位 1 ～ 2 S 后二级缸才平稳伸出，起升接近 9 0 。 时位 移曲线斜率变小，伸出到2 ． 5 2 m后停止伸出，并保 持此位移。从图5中曲线 3可以看出在整个起升过 程中，油缸伸出加速度在换级和伸出到位时有很小的 波动。图6表明伸出速度能够跟随控制信号变化， 在阀3阀口开度恒定时基本保持匀速，当系统出现负 压时油缸伸出速度并没有受到影响，起升到 9 0 。 时速 度平稳降到 0 m ／ s 。由以上分析可知由负载敏感控 制的起升装置在整个起升过程中，伸出速度均匀 ，换 级平稳冲击小，系统稳定性较好。 5 ． 0 4 ． 0 3． 0 目 2． 0 i 1 , 0 0 ． 0 1 ． O 宕 旨 0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 0 1 0 2 O 3 0 4 0 5 0 6 0 t l s t ／ s 图5 起升油缸位移 图6 和加速度曲线 3 ． 2 系统压力、流量和功率分析 由 图 7中 曲线 2可 以 7 1 看出一级缸伸出过程 中 6 负载压力逐渐减小， 换级 套i 后 ，由于油缸活塞作用面 3 积减小，负载压力瞬间增 皇 大，而后又逐渐减小，直 至出现负压 ，到 9 0 。 后保持 负 压 一0 ． 0 4 3 MP a不 变 。 泵的出口压力曲线 1表明 起升油缸伸 出速度曲线 l 一 泵 出 13 压力 图7 压力曲线 泵的出口压力时刻跟随负载压力变化，并基本与负载 窖 如 加 目， J 第 2 3期 冯永保 等基于负载敏感控制的某液压起升装置建模与仿真 1 3 9 压力保持 2 MP a 压差。曲线 1 还体现出系统启动和负 载压力瞬间增大时，泵出口压力迅速升高，而后快速 响应负载压力，此过程仅需 0 ． 1 S 左右。根据负载敏 感控制特性，由压差曲线 3可以看出电液比例换向 阀阀 口开度 增 大 时 ，压 差 △ p相对 减 小 ，反 之增 大 ； 阀口开度为恒定值时，△ p 基本保持不变。 从图8可看出泵的出口流量跟负载所需流量基 本相同，系统工作过程 中无溢流损失。结合图 6 、7 可以看出当电液比例换向阀阀口开度为定值，而负 载压 力减小 时 ，阀 口前后压 力差 △ p有缓慢 增大 的趋 势 见图7曲线 3 ，泵出口流量 q 见图8曲线 1 也随之缓慢增大。其原因为由电液比例换向阀流量 一 公式 q C W ／ 邸可知， 压差△ p 增大， V P 泵 出 口流量 q 随之 增大 。油缸 的伸 出速度又 随泵 的 出口流量增大而缓慢增大 见图6 ，其原 因为由 4’ 1 活塞杆伸 出速度公式 q ， 可知 ，泵出 口流量 叮T ， q g g 增大 ，油缸的伸出速度随之增大。 从图9可以看 出随着负载压力和所需流量减 小，泵出口功率也随之减小 ，体现出了负载敏感控制 的功率匹配特性。 ．自3 0 0 2 5 0 巴 2 0 0 言1 5 0 1 0 O ．皇 5 0 0 一 50 ≥ l 4 l 2 l 0 8 6 4 2 0 0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 0 l O 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 t ／ s t ／ s 图 8 流量曲线 图9 泵功率出I I 曲线 从 图7 _9的最后 5 S 可 以看 出 在 电液 比例换 向 阀开度为 0 ，系统处于待机状态时 ，泵出口压力保持 2 ． 7 M P a 不变，出口流量仅够维持内泄，出口功率接 近于0 ，较好地体现了负载敏感控制系统的控制性能 和节能性能。 4 结束语 设计了由负载敏感控制的大型机电设备起升装置 液压驱动方案 ，并建立了负载敏感泵和二级起升油缸 的 A ME S i m模型。通过对仿真结果的分析可知采用 负载敏感系统控制的液压起升装置 ，其起升速度控制 方便 ，起升时换向冲击小 ，在起升末端能有效抑制超 越负载对起升装置稳定性的影响。同时，也验证了负 载敏感控制系统在起升装置工作过程中具有较好的节 能效果。 参考文献 【 1 】黄新年， 张志生， 陈忠强． 负载敏感技术在液压系统中的 应用[ J ] ． 流体传动与控制 ， 2 0 0 7 5 2 8 3 0 ． 【 2 】 刘会永， 马刚． 负载敏感系统设计需注意的几个问题 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 6 1 2 61 2 7 ． 【 3 】 王炎 ， 胡军科， 杨波． 负载敏感泵的动态特性分析与仿真 研究[ J ] ． 现代制造工程， 2 0 0 8 1 2 8 4 9 5 ． 【 4 】 周雄 ， 朱新才， 李 良． 负载敏感控制在液压钻机中的应用 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7 ， 3 5 8 1 2 91 3 0 ． 【 5 】 刘鑫， 李明兵 ， 胡耀辉． 大型液压快速起竖系统的设计 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 6 1 0 81 0 9 ． 【 6 】 来升 ， 穆希辉， 杜峰坡， 等． 负载敏感变量泵稳态特性研 究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 9 7 4 7 6 ． 【 7 】王欣， 曹保忠， 宋晓光 ， 等． 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l o f P r e s s u r e V e s s e l T e c h n o l o g y ， 2 0 0 6 ， 1 2 8 3 3 9 4 4 0 1 ． 【 5 】 F U K U O K A T o s h i m i c h i ， T A K A K I T o m o h i r o ． F i n i t e E l e m e n t S i mu l a t i o n o f B o l t u p P r o c e s s of P i p e F l a n g e C o n n e c t i o n s w i t h S p i r a l Wo u n d G a s k e t [ J ] ． J o u r n a l o f P r e s s u r e V e s s e l T e c h n o l o gy， 2 0 0 1 ， 1 2 5 4 3 7 1 3 7 8 ． 【 6 】N A S S A R S a y e d A ， G A N E S H M U R T H Y S a r a v a n an， R A N ． GANA THAN R a ma n a t h a n M ， e t a1．E f f e c t of T i g h t e n i n g S p e e d o n t h e T o r q u e t e n s i o n a n d W e a r P a t t e rn i n B o l t e d C o n n e c t i o n s [ J ] ． J o u rnal o f P r e s s u r e V e s s e l T e c h n o l o gy， 2 0 0 7 ， 1 2 9 3 4 2 6 4 4 0 ． 【 7 】 李会勋， 胡迎春 ， 张建 中． 利用 A N S Y S 模拟螺栓预紧力 的研究[ J ] ． 山东科技大学学报， 2 0 0 6 ， 2 5 1 5 7 5 9 ． 【 8 】陆秉权 ， 王海龙， 周小飞， 等． 应用有限元技术计算螺栓 连接的方法研究[ J ] ． 黑龙江电力 ， 2 0 0 4， 2 6 2 1 0 0 1 02．