低速轮胎试验机垂直力加载系统研究

　　低速轮胎试验机垂直力加载系统就是要求对轮胎所受的垂直加载力进行控制。由于轮胎变形产生的力类似于弹性负载力, 而且力的变化范围较大, 控制精度要求高, 所以采用液压伺服加载的方式实现。考虑到系统的动态响应特性, 采用伺服换向阀构成力控制系统的方式实现[1-3]。由于现在伺服比例阀的特性接近伺服阀的特性,而且其可靠性及对油液适应性更强, 所以以比例换向阀为控制元件, 以非对称液压缸为执行元件, 以压力传感器为反馈元件构成闭环力控制系统, 实现对输出力进行精确的控制, 满足使用要求。

　　1 由伺服比例换向阀构成闭环力控制系统的物理模型及工作原理

　　伺服换向阀是通过阀口的节流作用, 实现对阀口后端压力的控制, 达到使被控制回路的压力维持恒定, 实现稳压和调压的目标。在有限的阀口开度范围内节流阀口保持压力的性能好坏( 也就是在有限的阀口开度范围内, 电压和阀口位移是否保持绝对的线性关系) , 直接影响到它的压力控制精度[4]。图 1 是一个由比例换向阀所构成的闭环力控制系统模型图。Ui为输入的电压信号, Uf为由力传感器反馈的电压信号。当 Ui增加时, Ui与 Uf的偏差信号就会增加, 比例放大器就会推动比例换向阀使它有一个成比例的阀芯位移, 在阀芯小变换范围内, 伺服比例换向阀的输出压力与阀芯位移呈近似的比例放大关系, 该压力作用到油缸上就会使油缸产生相应成比例的力输出[5-6]。力传感器检测到增大的力信号, 并产生成比例的反馈电压信号 Uf, 此时Ui与 Uf之差就会减小, 当 Ui、Uf与阀芯达到一个平衡点时, 就可以产生一个稳定的力输出。

　　2 力控制系统的数学模型

　　根据图 1 可写出如下方程

　　( 1) 阀到缸无杆腔的流量方程:

　　( 2) 阀到缸有杆腔的流量方程:

　　式中, Cd- 流量系数; !- 阀芯面积梯度; xv- 阀换向位移; "-油液密度; Ps- 供油压力; b- 阀的径向间隙; P1- 缸无杆腔压力; P2- 缸有杆腔压力。

　　( 3) 缸无杆腔流量方程( 忽略泄漏) :

　　( 4) 缸后腔流量方程( 忽略泄漏) :

　　式中: A1- 缸无杆腔作用面积; A2- 缸有杆腔作用面积; V01-阀到缸无杆腔总容积; V02- 阀到缸有杆腔总容积; !e- 油液弹性模数; xp- 油缸位移。

　　( 5) 油缸力平衡方程:

　　式中: Mt- 油缸等效质量; k- 轮胎等效弹性刚度; Bp- 油缸粘性阻尼系数。

　　( 6) 阀芯位移方程:

　　式中, Ui- 输入电压; Kf- 力传感器放大倍数; Ka- 比例电磁铁增益; Ksv- 伺服阀放大增益

　　由式( 1) 、( 3) 得: