基于柴油機機體清洗設備行程同步問題的建模

何汪洋 姜莉莉

(廣東工業大學機電工程學院，廣州 510006)

在柴油機機體清洗設備行程控制系統中，液壓回路占主導位置，液壓主回路采用兩個同步液壓回路確保兩個執行元件的一致。在同步液壓回路中，由于不同的控制元件結構和性能，以及安裝方法的差異，會引起同步液壓控制回路的誤差。設備研制實驗過程中，液壓雙缸升降過程中會產生不同步誤差(0～32mm)，直接影響高壓噴頭的定位精度，最終導致清洗效果達不到預期。筆者利用伺服比例閥控制的液壓同步系統，建立了液壓同步系統的數學模型，通過Matlab軟件模擬仿真，證明了此數學模型具有可行性。

1 雙缸同步回路系統總體方案設計①

對于液壓閉環同步控制系統，通常采用同等方式和主從方式兩種控制方法。因為清洗機內的同步液壓缸是立式安裝的，并且是通過液壓缸的同步升降來實現噴頭平穩的升降和信號觸發。由于在實際清洗過程中存在重心不對稱，換不同類型連桿清洗時負載具有差別，液壓回路流量、壓力的波動，機械系統安裝誤差，夾具架上升過程中的偏振，以及運行后的累計誤差等問題，筆者采用比例流量閥與伺服閥并行控制，同時采用主從方式的控制來保證此系統在下行過程中的同步精度，在主油路上采用雙比例流量閥[1]，控制雙缸同步運行則采用伺服閥，工作原理如圖1所示。

在系統空載運行時，通過系統輸入信號來調節比例流量閥1、2，使液壓系統中雙缸達到初步的同步。由于調節比例閥流量的不一致，在雙缸下行到最低端和最高端位置時，比例流量閥就無法滿足雙缸同步的精度要求，因為在最低端和最高端位置，雙缸其中的一個會觸發位置傳感器改變運行方向，所以必須保證同步精度來維持系統的安全運行。針對這個問題，設計了一個基于伺服比例閥來控制雙缸同步的控制系統，當達到指定位置時，比例閥才開始工作。缸G2為從動缸，位移傳感器分別檢測兩缸的位置信號，然后進行比較，經放大電路放大后，通過偏差信號(電流)實現對缸G2進行補油或放油的功能，直到雙缸達到同步要求。

圖1 液壓雙缸同步系統工作原理

2 雙缸同步數學模型的建立

由圖1可知，比例流量閥1、2分別接收觸發、調節信號，達到雙缸初步同步。因此缸G1為主動缸，缸G2為從動缸，改變指令信號(電壓)即可改變兩缸的速度。通過對其建立數學模型(圖2)并仿真，來進行系統動態特性的分析。

圖2 雙缸同步系統模型框架

在一般環境下液壓缸系統沒有彈性負載(即K=0)，且在系統中沒有負載干擾力項(FL=0)，則系統框圖可簡化為：

(1)

式中A1——液壓缸有桿腔的面積；

Ce——外泄漏系數；

Kc——閥的流量壓力系數；

wh——液壓無阻尼固有頻率；

εh——液壓阻尼比。

2.1 伺服比例閥模型

伺服比例閥選用MOOGD-633型，閥口流量系數Cd=0.38。其傳遞函數可由樣表查得：

(2)

式中rc——閥芯與閥套間隙的行向間隙；

W——閥面積梯度；

μ——油液的運動粘度。

2.2 液壓缸模型

液壓雙缸同步系統動態分析經常在零位工作條件下，此時其增量和變量相等，因此閥的線性化流量方程為：

QL=KqXv-KcPL

(3)

液壓系統中動力元件的連續流量方程為：

(4)

式中Ctp——液壓缸的總泄漏系數。

液壓系統中液壓缸的輸出力與負載的平衡方程為：

(5)

式(2)～(5)完整地描述了閥控液壓缸的動態性能，對其拉式變換并消去中間變量，其中由于負載特性為慣性負載(K=0)，Bp一般很少可忽略不計，所以簡化得到最終液壓缸活塞的總輸出位移是：

(6)

而指令輸入為V、X時的傳遞函數為：

(7)

所以液壓缸-負載的傳遞函數為：

(8)

其中，ωh=628。

取μ=1.4×10-2Pa·s，rc=5×10-6m，而全開口閥W=3.14d=22.6mm，即得Kce=65.84×10-12(N·m/s)，所以εh≈0.214。則液壓缸傳遞函數數學模型為：

(9)

液壓雙缸同步系統選用的位移傳感器為SGC-2型光柵尺，其放大系數Kf=100。

3 仿真與分析

仿真時所選用的各儀表參數為：伺服比例閥選用MOOGD-633型，閥芯開口是矩形，液壓缸的型號是MOB80×800-FA，無桿腔的有效作用面積A1=0.038m2，有桿腔A2=0.027 7m2，面積比m=0.73，總行程L=0.8m，液壓缸負載質量M=75kg，粘性阻尼系數B=800N/m[2]。對液壓雙缸同步系統進行Matlab仿真得到的系統閉環bode圖如圖3所示。

由圖3可知，此伺服比例閥控制的液壓缸閉環響應頻寬為35.5Hz，響應速度較快[3]。仿真結果可知此系統與實驗所得的數據相似，故可證明該系統的數學模型是合理的。

圖3 液壓同步系統閉環bode圖

4 結束語

液壓同步系統采用閉環控制，用反饋的功能來減少誤差，因此與液壓缸行程相關的累積誤差將不會出現。系統中采用的伺服比例閥安裝在支路上，通過伺服比例閥的流量合適，因此液壓缸的同步性有較大的提高，且整個系統的響應速度加快。系統中的比例流量閥對液壓缸的同步性進行了初步的調節，所以即使是伺服比例閥控制系統突然失效，也可對其起到保護作用。