工程机械液压泵和马达模型的非线性改进
工程机械产品当中行走液压传动的应用日趋广泛.在工程机械动力匹配问题方面,液压泵和液压马达的效率对于工程车辆的性能影响不可忽视.通常液压件生产商为主机厂商提供试验测试得出的各工况的效率分布曲线供选用参考.然而,工程机械与其他采用液压传动的设备相比具有工况复杂、载荷变化剧烈的特点.传统的设计选型过程中,一般仅根据产品样本资料进行简易估计和静态匹配,无法进行动态量化模型计算,因此工程机械行走液压传动系统在极端工况下容易出现匹配不合理的问题.为了实现合理的动力匹配,解决厂商对于泵和马达最关心的各工况效率问题,需进行工程机械的动力学建模,其中液压泵和液压马达的模型必须能够描述不同工况下的效率变化,以准确反映工程机械在不同工况下的性能.
大多数文献对于泵和马达的研究主要集中于斜盘动态特征的数学描述[1-3],但对于各工况效率的描述方面的研究较少.文献[4]中提到了一些传统的效率计算模型,但一般属于线性描述,且其中的系数没有较好的确定方法,应用较为困难.主流的键合图法建模[5]当中对于效率的处理方式是采用阻性元件分别表示机械摩擦和内泄漏反映其效率,但因液压元件具备复杂非线性特征,这种线性建模方法面临参数确定困难和精度不足的问题.因此本文将集中研究精确描述效率的模型改进方法,建立优化算法,以优化并合理确定模型各参数,使改进后模型能更精确地描述液压元件的特性.
1 传统模型的效率描述
对于泵和马达的模型,目前主要采用键合图方法,键合图如图1所示[5],转化为框图形式如图2所示.图中,Sf,Se分别为键合图理论中的流源和势源;0,1分别为键合图理论中的共势结和共流结;TF为键合图理论中的变换器;m为变换器模数;R为阻性元件;Cf,Cv分别为摩擦系数和泄露系数;Ti,Xi分别为机械端转轴的扭矩和转速;Po,Qo分别为液压端压力和流量;Tf为机械摩擦力矩;QV为泄露流量.
因此,模型主要参数为m及Cf,Cv.其中变换器系数由泵的排量确定,以下列举阻性元件的方程式.机械摩擦力矩与转速关系为Tf=XiCf,内泄漏流量与工作压力关系为Qv=PoCv.以上Cf及Cv属于需要确定的模型参数.
泵和马达的键合图中,变换器两边的阻性元件可分别表示机械摩擦和内泄漏,从而反映出其机械效率和容积效率在不同工况下的变化.根据机械摩擦与转速的关系以及内泄漏流量与工作压力的关系,可绘制出泵或马达产品各工况下效率分布图.传统模型中阻性关系采用线性关系,即机械摩擦力矩与转速成正比;内泄漏流量与工作压力成正比.因此如将其绘制为各工况下效率分布图的形式,则等效率曲线,呈现为直线形式.而现有的泵和马达产品的样本效率图显示其等效率曲线,呈现曲线形式.这说明实际的泵和马达具备非线性特性,这使得线性模型在高压、低转速等极端工况下不够准确,只能适用于较小的工况范围内.
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