负载试验用张力绞车电液控制系统研究

　　0 引言

　　负载能力是绞车的重要技术参数之一。为充分了解绞车的负载能力,常在不同的转速下对其施加变负载,考察绞车的转速波动以及工作状态变化,并以此作为衡量绞车负载能力的重要依据。

　　负载试验用张力绞车应用在如图1所示的绞车负载实验系统中。当被试绞车工作在不同稳定转速下时,通过控制缆绳上张力按指定规律变化来考察被试绞车的负载能力。

　　为满足试验系统要求,张力绞车需要在缆绳释放与缆绳收回两种工况下都能控制缆绳上张力的变化,且能在被试绞车的变速过程中也能基本维持张力稳定。

　　1 张力绞车电液控制系统设计

　　张力绞车电液控制系统如图2(a)、(b)所示,图2(a)中液压马达通过齿轮传动系统带动图1所示的张力绞车卷筒运动。在马达进油与回油管路中分别并接和串接规格相同的比例溢流阀1、2,可在不同工况下独立调节进回油管路中的油压。

　　图中的手动换向阀可改变马达运动方向,张力绞车卷筒的运动方向也随之发生改变,实现绞车在两种工况下的转换。

　　如图2(b)所示,张力控制器通过设计在马达两侧的压差传感器、马达传动轴上的转速传感器以及图1中所示的张力传感器检测马达的工作状态与缆绳上张力的变化情况,并根据下文所述的控制算法调节比例溢流阀1、2来控制马达的输出力(矩)。

　　2 控制算法设计

　　张力绞车卷筒的动力学方程为:

　　式中:MT为液压马达输出转矩, T为缆绳张力, R为卷筒半径, J为卷筒转动惯量为卷筒转速。Mf为系统中所有摩擦力(矩)折算至卷筒轴的等效转矩。不同工况下卷筒的转动方向和摩擦力作用方向相反。

　　在张力控制过程中,假设缆绳张力在不断变化,被试绞车转速基本恒定,则在弹性缆绳的约束下,张力绞车卷筒的运动状态也不会发生较大变化,即式(2)中等号右侧第二项的值不会很大。在此前提下,如图2(b)所示,设计基于压差反馈的转矩控制系统。

　　在卷筒平衡状态下,马达两腔压差与缆绳上张力T之间的关系可表示为:

　　式中:i为马达与绞车卷筒之间的传动比, Dm为马达排量, R为卷筒半径。故根据给定的设定张力,可计算出相应的等效马达压差设定值,以如图2(b)所示马达两腔压差传感器的输出信号作为反馈量,张力控制器根据两者差值调节比例溢流阀1和2之间的设定压力差,以此来控制卷筒的输出转矩。其最终目的是通过控制卷筒输出转矩来精确控制缆绳上张力的变化。

　　但从式(1)也可以看出,当J较大时,卷筒速度响应缓慢。若被试绞车运动状态发生变化,缆绳在其带动下,线速度发生较大变化,为使得卷筒转速能够与缆绳线速度匹配,张力绞车卷筒需要较长的时间完成加速(减速)过程,则在此期间内,张力可能长时间偏离设定值。故设计成单纯的力控制系统较难实现绞车负载试验系统对张力绞车速度跟随性能的要求。由此提出力控制和速度控制相结合的混合控制方法。