泵-缸復合結構新型動態(tài)流量計

劉　濤　宋　濤　姚　輝

1.河北省重型機械流體動力傳輸與控制重點實驗室，秦皇島，0660042.先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室，秦皇島，066004

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泵-缸復合結構新型動態(tài)流量計

劉濤1,2宋濤1,2姚輝1,2

1.河北省重型機械流體動力傳輸與控制重點實驗室，秦皇島，0660042.先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室，秦皇島，066004

針對目前復雜類型的高頻動態(tài)流量精確測量的難題，采用泵-缸復合結構,設計了一種新型動、靜態(tài)流量綜合測量流量計。該流量計的無載液壓缸部分動態(tài)性能好，負責高頻流量成分的測量；計量泵部分可連續(xù)往復計量，負責低頻穩(wěn)態(tài)流量的計量。計量泵用伺服電機驅動，通過對計量泵的角速度控制，來使無載缸的平衡位置歸零。通過對無載缸速度以及計量泵角速度的測量，可以綜合得到被測復雜動態(tài)流量。在流量計三維設計的基礎上，利用AMESim構建流量計物理模型，利用MATLAB完成流量計控制系統(tǒng)的模塊化設計，然后進行聯(lián)合仿真，對復合結構動態(tài)流量計的動態(tài)性能以及設計參數(shù)的合理性進行了驗證。

動態(tài)流量計；泵-缸復合結構；系統(tǒng)仿真；位置控制

0　引言

動態(tài)流量的測量對于評價伺服閥、比例閥等液壓元件以及液壓控制系統(tǒng)的動態(tài)特性測試非常重要。由于油液流動狀態(tài)的復雜性，以及流量計自身運動部件慣性的影響，市場上的多數(shù)流量計都不能直接用于動態(tài)流量的測量。

液壓系統(tǒng)中流量計主要有三種類型：壓差/壓力式流量計、轉子式流量計、無載液壓缸流量計。在通過壓差/壓力進行動態(tài)流量測量方面，文獻[1-2]提出了通過文丘里管或多孔孔板結構兩端壓力，同時結合液壓管路動態(tài)模型來確定管路瞬時流量的計算方法。華南理工大學交通學院也開發(fā)了一種智能化差壓式雙向流量計。通過電磁式位移傳感器可以測出閥芯位移，再采用單片機來進行信號處理以解決流量與位移的非線性問題，也能進行一定的動態(tài)流量測量。此外，文獻[3-4]提出了基于軟測量技術的虛擬動態(tài)流量計模型，在流量測量中引入軟測量技術,以層流流量計的基本結構為基礎建立動態(tài)層流流量模型。文獻[5-6]針對動態(tài)流量軟測量中算法效率低及容易陷入局部極小的問題，結合遺傳算法與BP算法各自的優(yōu)勢，提出了一種測量動態(tài)流量適應性更強的協(xié)同遺傳BP算法。壓差式流量計響應快，但動態(tài)模型難以建立，且存在流量頻率越高、壓差振蕩幅度越大的問題，因此，測量的精度一般不高。

在通過轉子流量計進行動態(tài)流量測量方面，王松等[7]提出了渦輪流量計的動態(tài)流量測量方法，先求出渦輪流量計的動態(tài)數(shù)學模型，然后通過時域特性和頻域特性分析出響應時間常數(shù)較長、頻帶較窄的問題，應用零極點相消原理對其進行動態(tài)補償[7]。文獻[8-9]基于傳統(tǒng)齒輪流量計設計了行星齒輪流量計，并推導出行星齒輪內嚙合和外嚙合變位系數(shù)的計算方法，據(jù)此進行結構合理化設計，通過進一步降低流量脈動來實現(xiàn)高壓動態(tài)流量的測量。這種流量計的改進方法雖然在一定程度上提高了自身的動態(tài)性能，但沒有從根本上解決流量計主要計量元件慣性大、響應慢的問題，因而適用的頻寬范圍有局限性。

目前在電液伺服閥動態(tài)特性實驗中廣泛應用的是無載液壓缸，其動態(tài)特性好、泄漏小、精度高，通過測試液壓缸活塞速度即可得到流量信號。但由于無載缸的行程限制，不能用于有偏置的動態(tài)流量連續(xù)測量，即便是掃頻法測量伺服閥頻率特性，也需對伺服閥增加位置控制信號使無載缸平衡位置歸零。本文設計了一種泵-缸復合結構的新型動態(tài)流量計，建立了泵-缸復合結構流量計機電液聯(lián)合仿真模型，并進行了測試過程仿真。

1　流量計結構設計

流量計工作原理如圖1所示。無載缸與計量泵并聯(lián)連接，無載液壓缸部分動態(tài)性能好，負責高頻流量成分的測量；計量泵部分可連續(xù)往復計量，負責低頻穩(wěn)態(tài)流量的計量。計量泵用伺服電機驅動，通過對計量泵的角速度控制，使無載缸的平衡位置歸零。利用速度傳感器采集活塞速度信號及電機轉速信號，傳入計量模塊進行數(shù)學運算得出被測流量值并實時顯示，被測流量計算公式為

Qt=vA+nV

(1)

式中，v為無載缸速度；A為無載缸作用面積；n為計量泵轉速；V為計量泵排量。

圖1　流量計工作原理

流量計的整體結構設計如圖2所示。無載伺服缸與計量泵采用板式集成的方法連接在一起，通過閥板中鉆出的孔道使計量泵的進出油口與無載缸頂面開出的連接油孔互通。 計量泵與伺服電機間采用插入式連接結構，電機軸的另一端安裝旋轉編碼器，對泵的角位移及角速度進行測量。無載缸采用雙出桿設計，兩桿端部分別安裝速度傳感器和位置傳感器。在無載缸缸體上預設測試油腔及連接孔，用于連接閥類液壓元件或管路進行動態(tài)性能測試。

1.旋轉編碼器　2.電機　3.過渡板　4、15.連接工作腔5、10.測試工作腔　6.速度傳感器　7、11.油缸工作腔　8.油管9.密封塞　12.位移傳感器　13.測試閥板連接孔　14.無載缸16.過渡閥板　17.計量泵圖2　流量計結構模型圖

2　流量計控制系統(tǒng)設計

流量計控制系統(tǒng)原理如圖3所示，連接在無載缸活塞桿上的位置傳感器檢測無載缸活塞位移，經(jīng)平均化濾波處理后送入無載缸位置控制器。活塞位置的設定值為零，意味著活塞位置在流量作用下偏離腔體中位時，流量計系統(tǒng)將不斷調整電機轉速，通過改變流經(jīng)計量泵的流量，使活塞能始終圍繞中位的小范圍內運動。

圖3　控制系統(tǒng)原理

信號處理模塊對指定時間段T內的活塞位移信號進行處理，公式如下：

(2)

經(jīng)此處理，在進行動態(tài)流量測量，尤其是伺服閥等閥類液壓元件動態(tài)性能測試時，可以避免時刻改變電機轉速，提高計量泵轉速控制的穩(wěn)定性。

3　復合流量計機電液聯(lián)合仿真建模

利用AMESim構建流量計機液系統(tǒng)仿真模型，如圖4所示。主要參數(shù)設定如下：齒輪計量泵排量為4.75 mL/r，額定轉速為1500 r/min，根據(jù)功率及轉速要求，采用伺服電機驅動。計量泵及電機總的轉動慣量為1.03×10-2kg·m2，無載缸活塞直徑為50 mm，質量為0.5 kg，活塞桿直徑為20 mm。

圖4　流量計仿真系統(tǒng)

利用MATLAB中Simulink設計控制部分，并將AMESim流量計機液系統(tǒng)仿真模型以C函數(shù)模塊嵌入其中構建機電液聯(lián)合仿真模型，如圖5所示。

圖5　控制系統(tǒng)仿真圖

信號處理模塊中指定時間段T取0.1 s，即每過0.1 s重新進行一次平均化濾波處理，加權系數(shù)a為0.5，b為0.35，c為0.15；流量計量模塊主要按照式(1)對采集到的活塞位移及計量泵轉速信息進行運算處理，得到被測流量大小；PID中三個參數(shù)分別為kP=0.85，kI=1.2，kD=0.03。

4　復合流量計測試過程仿真

利用Simulink信號源模擬輸入的被測流量曲線如圖6所示，包含10 Hz的正弦分量和低頻變化分量。圖7所示為無載液壓缸的活塞位移曲線，圖中活塞的實際位移曲線存在著周期性波動，均值處理曲線為經(jīng)過均值濾波處理后的曲線，作為無載缸位置反饋信號送入計量泵轉速控制器，提高了控制穩(wěn)定性。

圖8、圖9所示分別為無載缸活塞運動速度曲線和計量泵的電機轉速曲線。

圖6　被測流量曲線

圖7　活塞位移曲線

圖8　活塞運動速度曲線

圖9　電機轉速曲線

當被測流量穩(wěn)態(tài)部分不變時，活塞在正弦形式波動的動態(tài)部分作用下其運動速度形式也為同頻率下的正弦運動，并可一直保持在腔體中位附近往復運動，在此階段，活塞位移的平均值在指定時間段內為零，因而電機轉速將無需時刻調整，電機保持在相應轉速上。 當穩(wěn)態(tài)部分發(fā)生變化時，活塞平均位移指定時間段內不為零，電機轉速發(fā)生變化。由于計量泵對活塞位置的調節(jié)作用，活塞在偏離中位較大距離后依然可以重新回到中位附近運動，不會出現(xiàn)頂缸現(xiàn)象。

泵、缸測試流量曲線如圖10所示。圖10表明無論被測測量如何變化，計量泵主要進行被測流量穩(wěn)態(tài)部分的測量，而無載缸則進行被測流量動態(tài)部分的測量。實現(xiàn)了流量計系統(tǒng)的設計要求。最終得到的測試流量曲線如圖11所示。比較圖6、圖11可以看出，測得流量曲線與被測流量曲線的變化情況基本一致，流量計具有較好的動態(tài)特性。當穩(wěn)態(tài)部分處于穩(wěn)定階段時，測量精度較高；當穩(wěn)態(tài)部分處于變化階段時，由于計量泵慣性的作用，測量流量的精度會受到影響。當穩(wěn)態(tài)部分由變化階段再次進入穩(wěn)定階段時，測得流量值經(jīng)過短暫調整依然可恢復較高測量精度，所需調整時間同樣與計量泵慣性有關。

圖10　泵、缸測試流量曲線

圖11　測得流量曲線

5　結論

(1)本文設計了一種泵-缸復合結構的新型動態(tài)流量計，采用板式集成方式，體積小，結構緊湊。

(2)建立了泵-缸復合結構流量計機電液聯(lián)合仿真模型，并進行了測試過程仿真。

(3)仿真結果表明，泵-缸復合結構流量計具有較高動態(tài)性能，能夠對任意復雜流量進行連續(xù)測量。尤其適用于對偏置高頻動態(tài)流量的測試，既可應用于電液伺服閥的動特性測試[10]，也可應用于比例流量閥等液壓元件的動態(tài)性能測試，具有良好的應用前景。

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(編輯陳勇)

Pump-cylinder Composite Structure New Dynamic Flowmeter

Liu Tao1,2Song Tao1,2Yao Hui1,2

1.Hebei Province Laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control,Qinhuangdao,Hebei,066004 2. Key Laboratory of Ministry of Education for Advanced Forging Press Forming Technology and Science,Qinhuangdao,Hebei,066004

Aiming at the problems of accurate measurement of the complex type of high frequency dynamic flow, a new type of dynamic and static flow meter was designed based on the composite structure of pump and cylinder. The no-load cylinder portion of flow meter had good dynamic performance, which was responsible for the measurements of high frequency flow components. The metering pump portion might measure continuously and reciprocating, which was responsible for the measurements of low-frequency and steady components. The metering pump was driven by a servo motor, and the angular velocity of metering pump was controlled to lead the equilibrium position of no-load cylinder to zero. Through the measurements of the velocities of no-load cylinder and the angular velocities of the pump, the complex dynamic flow might be obtained. Based on three-dimensional design of flowmeter, utilizing AMESim to build the flowmeter physical model, using MATLAB to complete the flowmeter control system modular design, the co-simulation of pump-cylinder composite structure flowmeter was done to verify the dynamic performance of composite structure dynamic flowmeter and the rationality of design parameters.

dynamic flowmeter; pump-cylinder composite structure; system simulation; position control

2015-12-18

國家自然科學基金資助項目(51505412)；河北省自然科學基金-鋼鐵聯(lián)合研究基金資助項目(E2013203126)

TH39

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.15.013

劉濤，男，1973年生。燕山大學機械工程學院教授。研究方向為機電液系統(tǒng)、冶金自動化、工業(yè)過程數(shù)據(jù)分析等。發(fā)表論文30余篇。宋濤，男，1992年生。燕山大學機械工程學院碩士研究生。姚輝，男，1992年生。燕山大學機械工程學院碩士研究生。