電控比例泵在液壓機(jī)的應(yīng)用

當(dāng)前國(guó)產(chǎn)液壓機(jī)控制普遍采用閥控技術(shù)，這種技術(shù)雖然動(dòng)態(tài)性能好，但其突出的問題是能源利用率低，通常很大一部分液壓能以節(jié)流或溢流的形式損失掉。泵控系統(tǒng)能量利用高，但對(duì)泵的動(dòng)靜態(tài)性能有較高的要求。在此以通用壓機(jī)為基礎(chǔ)搭建了實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)，圍繞系統(tǒng)速度、負(fù)載特性、重復(fù)精度與節(jié)能特性開展實(shí)驗(yàn)。

1．工作原理

(1)液壓系統(tǒng)組成及工作原理。圖40給出了某型號(hào)通用壓機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖，圖中D1為原閥控系統(tǒng)供油泵，D2為改造后泵控系統(tǒng)的動(dòng)力源——電控比例液壓泵，兩套供油系統(tǒng)通過電磁換向閥進(jìn)行切換。換向閥YA10通電，電控比例液壓泵接人，液壓系統(tǒng)處于泵控狀態(tài)；換向閥YA10斷電，原系統(tǒng)導(dǎo)通，液壓系統(tǒng)處于閥控狀態(tài)。換向閥YA10出口處的壓力傳感器T1用來測(cè)試系統(tǒng)壓力，光柵尺采集主缸活塞的位置信號(hào)。圖中插裝閥系統(tǒng)用來調(diào)節(jié)主缸上下腔的壓力，壓邊缸作為模擬負(fù)載。工作時(shí)，原閥控系統(tǒng)壓力的控制主要由溢流閥來調(diào)節(jié)，改造后的泵控系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)則由電控比例液壓泵根據(jù)負(fù)載的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)。

(2)測(cè)控系統(tǒng)。圖41是基于Matlab的xPC控制模塊的采集系統(tǒng)原理框圖。xPC控制策略是一種簡(jiǎn)單、有效的控制采集模式，其硬件系統(tǒng)主要包括宿主機(jī)、目標(biāo)機(jī)、I/O板和兩機(jī)之間的連接設(shè)備。軟件系統(tǒng)主要是由MATLAB、Simulink、RTW、xPCTarget、C編譯器及相應(yīng)板卡驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)成。xPC目標(biāo)系統(tǒng)工作的原理是采用主從通信的雙機(jī)模式（見圖41）。宿主機(jī)主要用于運(yùn)行Simulink，編譯生成目標(biāo)應(yīng)用程序，目標(biāo)機(jī)主要用于執(zhí)行所生成的控制程序。實(shí)時(shí)目標(biāo)應(yīng)用程序是RTW代碼生成器從Simulink模型生成的，經(jīng)編譯成Windows XP應(yīng)用程序，可實(shí)時(shí)地運(yùn)行在有實(shí)時(shí)內(nèi)核而無任何操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)PC機(jī)上，具有很高的執(zhí)行效率。

根據(jù)上述原理搭建了試驗(yàn)的采集測(cè)控系統(tǒng)(見圖42)，系統(tǒng)中宿主機(jī)為普通PC機(jī)，目標(biāo)機(jī)采用研華工控機(jī)，目標(biāo)機(jī)內(nèi)嵌研華的多功能采集卡PCIl716和計(jì)數(shù)卡PCL833，被測(cè)對(duì)象為通用壓機(jī)。宿主機(jī)運(yùn)行基于Windows XP操作系統(tǒng)的Matlab軟件，目標(biāo)機(jī)載有xPC的實(shí)時(shí)內(nèi)核，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)程序的控制，宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)通過TCP/IP協(xié)議通信。由于Matlab中沒有現(xiàn)成的PCI1716和PCL833驅(qū)動(dòng)程序，因此需要開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊。采集系統(tǒng)工作過程為：在充分利用原壓機(jī)電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，首先，宿主機(jī)將生成實(shí)時(shí)控制程序下載到目標(biāo)機(jī)，接著起動(dòng)壓機(jī)，其工作狀態(tài)信號(hào)經(jīng)由PC11716的DI模塊采集到目標(biāo)機(jī)，目標(biāo)機(jī)的實(shí)時(shí)控制程序分析判斷后，通過PC11716朐D/A輸出相應(yīng)的壓力/流量信號(hào)給專用控制器Super Unit，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)泵組的控制，PCL833計(jì)數(shù)卡采集來自光柵尺的信號(hào)從而確定主缸活塞的位置信息。

2．實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

(1)負(fù)載一位移、壓力和速度試驗(yàn)。為測(cè)試閥控和泵控狀態(tài)下壓機(jī)在同溫度不同負(fù)載下位移壓力和速度特性，分別以原泵和電控比例液壓泵為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)，采集系統(tǒng)壓力和主缸的位移信息，調(diào)節(jié)邊缸溢流閥的壓力設(shè)定值，使分別為14、10MPa和5MPa，模擬不同的負(fù)載工況，于是得到系統(tǒng)響應(yīng)曲線，如圖43和圖44所示。

比較圖43和圖44兩組壓力曲線可以發(fā)現(xiàn)：①原閥控系統(tǒng)在不同負(fù)載下壓制的周期不同，而電控比例液壓泵控系統(tǒng)在不同負(fù)載下壓制周期基本一致；②為了使液壓缸獲得較好的響應(yīng)速度，卸壓后，原閥控系統(tǒng)的壓力仍然存在較大壓差，這在一定程度上加大了能量的損耗；而在泵控系統(tǒng)中，卸壓后系統(tǒng)壓力壓差很小，這很大程度上減少系統(tǒng)的溢流損失，同時(shí)也獲了較好的響應(yīng)速度。

比較圖43和圖44兩組位移曲線可知：原閥控系統(tǒng)在不同負(fù)載下壓制的速率不同（位移斜率不同），而電控比例液壓泵控系統(tǒng)在不同負(fù)載下壓制的速率基本一致。

(2)重復(fù)性試驗(yàn)。比較圖45和圖46壓力及位移曲線可知，電控比例液壓泵控壓機(jī)和原閥控系統(tǒng)具有相似的重復(fù)精度。

(3)節(jié)能性試驗(yàn)。從圖47中可知電控比例液泵控系統(tǒng)消耗的能量明顯要小于原閥控系統(tǒng)所消耗的能量，根據(jù)計(jì)算可知若讓系統(tǒng)各自做2000個(gè)工作循環(huán)，那么電控比例液壓泵控系統(tǒng)較原閥控系統(tǒng)可節(jié)能10kW·h。

3．總結(jié)

電控比例液壓泵在通用液壓機(jī)上的應(yīng)用是可行的，電控比例液壓泵控系統(tǒng)的速度及壓力的特性較原閥控系統(tǒng)更穩(wěn)定，不會(huì)因?yàn)樨?fù)載的改變而發(fā)生變化，同時(shí)電控比例液壓泵控系統(tǒng)降低了系統(tǒng)能量消耗，節(jié)能效率可達(dá)15%，而且保壓時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)節(jié)能效果越明顯。