液压启闭机液压系统动态特性分析

　　液压启闭机以油缸内的柔性油液为工作介质,能实现闸门的平稳运行,同时具有体积小、重量轻、启闭力很大等特点,在大型水利枢纽工程中,已得到越来越广泛的应用[1].

　　然而,液压启闭机在工作时常常出现低速不稳定(爬行)现象[2],当负载出现波动或启闭机在进行加载或卸载时,运动部件会产生“后坐”或“前冲”的现象等,严重影响了液压启闭机的正常工作.为此,以某船闸人字门启闭机为研究对象,利用经典控制理论,对其动态特性进行分析和研究,拟获得改善其液压系统稳定性、抗干扰能力及控制性能的途径和方法.

　　1　液压启闭机液压系统的工作原理

　　图1为某船闸人字门液压启闭机液压系统,系统为开关型阀控缸液压系统,由油缸总成(上下吊头、缸体、活塞杆)、液压泵站(液压电机-油泵组、控制阀组、油箱、管道、滤油器及附件)和电气控制系统等组成.

　　在闸门开启时,溢流阀5工作,调节系统压力值为15.9 MPa,此时溢流阀13处于闭合状态,单向节流阀9的作用相当于一个单向阀,使压力油流向液压缸有杆腔,单向节流阀12的作用相当于一个节流阀,调节液压缸活塞杆缩进的速度.

　　在闸门闭合时,溢流阀5处于闭合状态,溢流阀13调节系统压力值为14.1 MPa,单向节流阀9的作用相当于一个节流阀,调节液压缸活塞杆伸出的速度.单向节流阀12的作用相当于一个单向阀,使压力油流向液压缸的无杆腔.

　　2　液压系统数学模型的建立

　　根据组成,系统可分为液压泵、先导式溢流阀、管路及液压缸4部分,各部分利用微分方程及方框图构建其传递函数.

　　该液压启闭机使用的液压泵是柱塞式定量泵,根据泵的流量连续性方程和泵内泄漏油路上的压力平衡方程及拉普拉斯变换得到定量泵的传递函数为[3-4]

　　考虑到其传递函数极为复杂,为简化系统数学模型的表达,在分析时以Gm(S)表示.

　　液压启闭机的管路系统具有多分支的特点,忽略从定量泵到管路分支处的液阻、液感,并将溢流阀作不具有分支考虑,根据管路油柱的压力平衡方程和流量连续性方程及拉普拉斯变换可以得到进油管路的传递函数为

　　根据开关型阀控缸液压系统的特性,从液压缸入手,通过液压缸流量的连续性方程和液压缸负载的力平衡方程及拉普拉斯变换并带入式(1)~(5),建立负载力F为输入,以运动部件位移xp为输出的系统传递函数为

　　将定量泵和先导式溢流阀视为整个液压系统的动力源部分,忽略其压力的波动及系统管道的液感、液阻,引入惯性负载对系统的影响,建立以可调式节流阀的阀口开度为输入,以运动部件速度v为输出,外加负载力F为扰动的简化系统模型.控制信号与负载扰动线性叠加,共同决定系统的输出响应特性.控制信号作用时,系统闭环传递函数为