現場混裝炸藥車液壓控制系統優化設計

崔煥星，張冒，程珮珮，何朝明

(西南交通大學機械工程學院，四川成都 610031)

現場混裝炸藥車液壓控制系統優化設計

崔煥星，張冒，程珮珮，何朝明

(西南交通大學機械工程學院，四川成都 610031)

現場混裝炸藥車生產的炸藥質量很大程度上取決于各物料的配比及敏化器的轉速，液壓控制系統多采用電液比例閥調節馬達轉速控制各生產原料的配比，現場復雜環境無法滿足比例閥調控負載恒定的前提。通過在AMESim環境中建立電液比例閥調速模型，分析其對負載的響應性能并對控制系統進行改進設計。仿真結果表明:優化后的控制系統能夠消除負載波動對轉速的影響，為現場乳化混裝炸藥車液壓控制系統設計提供依據。

炸藥混裝車;電液比例閥;負載;AMESim

與制造及使用成品炸藥相比，現場混裝炸藥車生產制備炸藥具有機械自動化程度高、勞動強度低和安全性更高的特點。通過炸藥混裝車控制系統精確控制各組料的配比及裝藥計量和安全監控，是保證炸藥質量和裝量，獲得較好爆炸效果的保證。

液壓控制系統是現場混裝炸藥車的執行機構，它的優劣直接影響產品的質量［1］。液壓馬達的調速一般有泵控與閥控兩種形式，但在混裝車上一個泵要給幾條回路供油，僅為控制一個馬達的轉速就改變油泵的排量勢必會對其他回路產生干擾。文獻 ［2］選用電液比例換向閥控制各配料泵驅動馬達的轉速及轉向，比例換向閥能夠調節通過流量與輸入電信號成比例，但需保證閥進出口兩端壓差恒定。在實際應用中較難實現，比如原料裝入貯存罐內時不均勻、料箱內的配料逐漸減少等都會在混裝過程中引起輸送泵兩端壓差不穩定。

1 閥控液壓系統建模

現場生產時，傳感器將配料泵的轉速反饋給PLC，由PLC經過PID運算后將控制信號傳給與比例閥配套的比例放大器［3］。閥控液壓馬達調速的實驗系統盡可能地貼近實際系統，由電機、主油泵、電液比例換向閥、馬達及控制回路、負載回路組成。在AMESim中利用元件庫建立系統模型［4－5］，如圖1所示:主回路中的液壓馬達通過聯軸器與負載泵連接，泵的速度通過傳感器反饋回控制回路，由PID控制器輸出信號調節換向閥的開口。

圖1 液壓系統模型

2 仿真與分析

仿真時需先設定各個元器件的參數:油液密度850 kg/m3;電機額定轉速為1 000 r/min;主油泵的排量為100 mL/r，額定轉速為1 500 r/min;溢流閥的壓力為12 MPa;馬達的排量為100 mL/r，額定轉速為220 r/min;負載壓力6 MPa;仿真時間10 s，步長0.001 s，仿真結果如圖2所示。

圖2 速度響應結果

方波信號響應仿真中加速時馬達轉速設定值由60 r/min階躍至80 r/min;減速時，設定值從 80 r/min降至60 r/min。由圖2可以看出，在負載恒定時，馬達在電液比例換向閥的控制下能夠很快地響應系統設定值的變化，穩定前有一定的超調，穩定后系統跟蹤性較好。

比例閥的流量方程:

式中:Cd為流量系數，w為窗口面積梯度，ρ為液壓油密度，x為閥芯位移。

馬達和負載的力矩平衡方程［6］:

式中:Dm為馬達排量;p1為高壓側油腔壓力;Jt為馬達及負載折算到馬達軸上的等效轉動慣量;Bm為馬達及負載總黏性阻尼系數;G為負載的扭簧剛度;TL為負載力矩。

由式(1)、(2)可以看出當負載發生變化時必然會引起馬達一端油口的壓力變化，而壓力變化會對比例閥的閥芯位移x造成干擾。

在實際生產過程中，外界工作條件的變化會對系統產生干擾。仿真中在馬達工作時對負載添加正弦干擾，如圖3中虛線所示。

圖3 加負載干擾后系統的響應

其他參數不變得到系統響應曲線。結果表明當系統的負載不穩定時，馬達的轉速也會出現波動。由于系統要求實現各物料精確配比，若僅依靠電液比例換向閥控制馬達的轉速顯然不能滿足穩定要求。

3 改進系統模型

換向閥進口壓力由溢流閥確定，出口壓力受馬達壓力的影響。因此，改進原系統的設計，對換向閥出口做壓力補償。在AMESim環境中通過基于物理模型的圖形簡化方式由基礎的模塊構建復雜元器件模型［7］，借助AMESim下的液壓元件設計庫建立補償閥的模型，接入液壓系統，如圖4所示，補償閥的左端活塞直徑10 mm，右端壓力腔活塞直徑15 mm，桿直徑5 mm，彈簧剛度20 N/mm，閥芯質量模塊質量0.03 kg，黏性摩擦系數為100 N/m/s。

圖4 加壓力補償后的系統模型

在不改變仿真參數的前提下再次進行仿真，得到結果如圖5所示。在系統加入補償閥之后系統能夠對比例換向閥的出口壓力做補償，這樣就能夠消除負載擾動對馬達轉速的影響，在速度設定值變化時，流量的瞬間超調減小，是速度換接也更加平穩。

圖5 優化后的馬達轉速

在生產過程中有時需要馬達反轉，例如螺桿泵及敏化器的驅動馬達。在仿真系統中設定馬達轉速由60 r/min階躍至－60 r/min，得到系統的響應曲線如圖6。未加入補償閥的系統能夠實現控制換向閥快速動作，實現馬達反轉，加入補償閥的系統卻不能夠實現反轉。這是因為在馬達正轉時，補償閥的負載信號通道 (LS)接在馬達的進油口油路上，但當換向后，卻接在了馬達出油口油路上，直接與油箱相連，失去了壓力補償作用。

圖6 系統控制馬達反轉響應曲線

為解決這一問題，在馬達出油口及進油口回路上加裝一個梭閥，電液比例換向閥的出口壓力由梭閥回饋給壓力補償閥，確保最大的負載壓力能夠得到回饋。再次進行仿真結果如圖7所示，表明系統能夠很好的消除系統負載波動對馬達調速的影響，在換向時也能夠快速響應，滿足系統設計要求。

圖7 加梭閥后的系統仿真曲線

4 結論

利用AMESim對系統進行仿真，能夠真實地反映液壓元器件及系統的性能。在分析現場乳化混裝炸藥車電液比例換向閥調速系統基礎上對系統進行改進，并在AMESim環境下進行仿真實驗。仿真結果表明，改進后的控制系統能夠消除負載擾動對系統調速性能的影響，實現快速響應，穩定后速度平穩。該控制系統對其他負載敏感的液壓控制系統同樣具有參考價值。

［1］仲峰，苗濤，劉侃.混裝乳化炸藥車裝藥控制系統關鍵關鍵問題的研究［J］.爆破，2011，12(4):90－92.

［2］張妮娜.現場混裝炸藥車液壓控制系統的壓制［D］.大連:大連海事大學，2012.

［3］WANG Meng，CHENG Peng.The Research on Simulation and Control Method of Direct-Operated Electro-hydraulicProportional-reducingValve［C］.ElectricalandControlEngineering(ICECE)，2011 International Conference on，2011:1362－1365.

［4］付永領.祁小野.AMESim系統建模和仿真［M］.北京:航空航天大學出版社，2006.

［5］YU Mengli，YU Zhuoping，XIONG Lu.Clean.Modeling and Simulationg Based on AMEsim of Vehicle ESP Hydraulic Control Unit［C］.Computer Science and Automation Engineering(CSAE)，2012 IEEE International Conference on，2012:242－246.

［6］鄧克，席素義.變量泵－定量馬達容積調速系統優化研究［J］.鍛壓設備與制造技術，2009(03):113－115.

［7］PARK S H，ALAM K，JEONG Y M，et al.Modeling and Simulation of Hydraulic System for a Wheel Loader using AMESim［C］.ICCAS-SICE，2009:2991－2996.

Optimization Design of Hydraulic Control System Used for Local Mix-load Explosive Vehicle

CUI Huanxing，ZHANG Mao，CHENG Peipei，HE Chaoming
(School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

The quality of the dynamite produced by local mix-load explosive vehicle was vary much depended on the proportion of the materials and speed of the sensitized device.The motor speed in the hydraulic control system was adjusted by using the electro-hydraulic proportional valve，because of the complex environment，the premises of a constant load during the proportional valve was controlled and adjusted could not be met.The control model of electro-hydraulic proportional valve was established in AMESim environment，then analyzed its ability to response performance of the load，and optimized the design of control system.The results of simulation show that optimized control system can eliminate the impact of fluctuating load on the speed，and provide basis for the design about hydraulic control system used for local mix-load explosive vehicle.

Mix-load explosive vehicle;Electro-hydraulic proportional valve;Load;AMESim

TD235;TH137

A

1001－3881(2014)9－074－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.09.020

2013－04－11

國家自然科學基金資助項目 (51275431)

崔煥星 (1988—)，男，碩士研究生，研究方向為液壓系統設計、智能控制。E－mail:cuihuanxing@126.com。