变量泵功率匹配控制系统的动态仿真研究

　　液压系统效率低的一个主要原因是,液压系统输出的流量、压力与负载所需要的流量、压力不匹配(至少总不是相匹配的)。自80年代以来液压新技术在工程机械领域取得了长足的发展,它有着更佳的经济性、可靠性和舒适性。其中功率匹配控制液压系统能够有效地提高液压系统效率和节省能源消耗。功率匹配控制液压系统的实际工作意义在于使系统的输出功率和负载功率相适应,即:功率匹配控制泵的输出流量适应于负载所需要的流量;输出压力适应于负载所需要的压力或比负载压力稍大。应用这种系统,可以减少液压系统功率损失,提高液压系统工作效率。在这种液压控制系统中,功率匹配控制泵是其重要组成部分。

　　本文就泵系统的工作原理、数学模型进行了论述和推导,并基于德国力士乐(Rexroth)公司生产的A10V型轴向柱塞变量泵进行了大量的计算机动态数字仿真,得到了泵系统的主要结构参数对系统动态特性的影响规律。

　　1　工作原理

　　图1是功率匹配控制系统的工作原理图。根据执行元件对流量的要求,设定数字节流阀2的开口量。负载被引到负载敏感阀4的右端和压力补偿阀5的左端。同时,泵的出口压力被引到负载敏感阀4的左端。负载敏感阀4两端的压力由其调定弹簧设定。当泵输出流量大于(或小于)节流阀2的流量值时,泵的输出压力大于(或小于)负载敏感阀弹簧设定值,于是阀心被推向右端(或左端),同时敏感阀与油箱之间的开口增大(或减小),使变量缸3右端压力减小(或增大),于是变量缸3活塞向右(或左)移动,使泵斜盘角度变小(或变大),从而减小(或增大)泵的输出流量。所以这种系统是利用检测液压泵出口压力和负载压力之间的压差和反馈这个压差来控制泵流量的输出,使它适应于负载流量。

　　当执行元件在保压工作时,即负载压力大于数字溢流阀7调定值时,压力补偿阀5阀芯右移打开其与油箱的控制开口,使变量缸3卸荷,变量缸活塞右移,泵的输出流量迅速减小到仅能够维持各处的内、外泄漏,处于小流量状态。

　　当要求执行元件停止工作时,关闭节流阀2,使泵的输出压力与负载敏感阀4弹簧调定压力相等,这时系统会自动调节变量泵斜盘在零偏角附近工作,使功率损失减小到最少。

　　2　数学模型

　　在分析泵系统的功率流程后,我们建立了泵的键合图[4],如图2所示。图2中半箭头线表示功率键,半箭头方向表示功率流向,线上标明构成功率的两个变量,即力变量p (或F )和流变量Q(或v)。全箭头表示控制关系。1结点表示键周围的流变量相等,力变量之和为零。0结点表示键周围的力变量相等,流变量之和为零。TF转换器表示能量转换关系,其转换比值写在TF下边。此外,有3种对动态特性起影响作用的元:阻尼元R(液阻、机械阻尼等)、惯性元I (液流惯性、机械惯性等)、容性元C (液容、机械弹簧等)。