機(jī)電液系統(tǒng)動能剛度圖示化在線識別技術(shù)

楊 彬， 谷立臣,2， 劉 永,3

(1.長安大學(xué) 公路養(yǎng)護(hù)裝備國家工程實(shí)驗(yàn)室，西安 710064；2.西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710054； 3.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰 442002)

機(jī)電液系統(tǒng)動能剛度圖示化在線識別技術(shù)

楊 彬1， 谷立臣1,2， 劉 永1,3

(1.長安大學(xué) 公路養(yǎng)護(hù)裝備國家工程實(shí)驗(yàn)室，西安 710064；2.西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710054； 3.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰 442002)

為在線檢測機(jī)電液系統(tǒng)動能剛度，評價(jià)動力源與負(fù)載之間的功率匹配特性，提出利用李薩如圖進(jìn)行信息融合的動能剛度圖示化識別方法。根據(jù)電機(jī)拖動液壓系統(tǒng)的動力學(xué)模型，分析了系統(tǒng)的節(jié)能原理、動能剛度的物理意義及其對機(jī)電液系統(tǒng)功率的影響機(jī)理。再結(jié)合信號調(diào)制與信息融合技術(shù)，將系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速以及壓力、流量信號融合成李薩如圖形，通過檢測圖形特征的變化可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)動能剛度的在線識別。理論與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：機(jī)電液系統(tǒng)動能剛度的變化是參數(shù)相互耦合的結(jié)果，可用于衡量動能變化率，評價(jià)系統(tǒng)的節(jié)能效果；融合的李薩如圖形傾角可量化動能剛度大小，傾角變化反應(yīng)了動能剛度的變化規(guī)律，由此得到的剛度圓能夠評價(jià)系統(tǒng)動力源與負(fù)載之間的功率匹配性與在線運(yùn)行狀態(tài)。

機(jī)電液系統(tǒng)；動能剛度；功率匹配；圖示化識別；信息融合

電動機(jī)拖動液壓泵是機(jī)電液系統(tǒng)中最常見的動力源，以其響應(yīng)速度快、輸出平穩(wěn)、高性能以及易于遠(yuǎn)程操作等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種液壓設(shè)備中。隨著自動化與智能化水平的提高，功率的傳遞越來越大，信息的傳遞愈加復(fù)雜，系統(tǒng)節(jié)能控制與功率匹配成為研究的熱點(diǎn)和技術(shù)性難題。

理論與大量試驗(yàn)證實(shí)，系統(tǒng)的節(jié)能控制能夠有效提高動力源與負(fù)載之間的功率匹配性，減小系統(tǒng)能耗，提高設(shè)備壽命與可靠性[1-3]。文獻(xiàn)[4]提出動能變化率對設(shè)備的輸入功率產(chǎn)生重要影響，降低動能變化率能夠有效提高系統(tǒng)的節(jié)能效果。但由于缺乏評價(jià)動能變化率的有效方法，為開展控制降低動能變化率以提高節(jié)能效果的研究帶來了難度。系統(tǒng)動態(tài)剛度是系統(tǒng)在特定動態(tài)激擾下抵抗變化的能力，以往對于動態(tài)剛度的研究主要以提高系統(tǒng)的魯棒性為目的，國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究[5-10]。然而，由于缺少合適的剛度檢測手段，這在一定程度上不僅制約了剛度在系統(tǒng)功率匹配、狀態(tài)監(jiān)測以及節(jié)能控制方面的應(yīng)用，也限制了對剛度物理意義的理解。

本文提出通過動能剛度衡量系統(tǒng)動能的變化率，以達(dá)到評價(jià)動力源與負(fù)載匹配性的目的。利用信號調(diào)制與信息融合技術(shù)，將電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，液壓泵的輸出流量、壓力，液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩融合成李薩如圖，通過測量李薩如圖特征量——傾角的大小，量化系統(tǒng)的動能剛度，為在線檢測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、客觀評價(jià)系統(tǒng)節(jié)能效果提供了新的方法與思路。

1 機(jī)電液系統(tǒng)功率模型

1.1 機(jī)電液系統(tǒng)節(jié)能原理

利用二端口網(wǎng)絡(luò)對機(jī)電液系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行描述[11]，如圖1所示。

圖1 機(jī)電液系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換二端口網(wǎng)絡(luò)模型Fig.1 Two-port network model of energy conversion for the mechanical electro-hydraulic system

機(jī)電液系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，伴隨著電能、液壓能以及機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換和耦合。電機(jī)吸收電網(wǎng)的電能，經(jīng)電磁、機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，輸出機(jī)械能(轉(zhuǎn)矩TMe、轉(zhuǎn)速ωMe)拖動液壓泵，液壓泵作為機(jī)液能量轉(zhuǎn)換元件，將電機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為壓力能(壓力P、流量Q)驅(qū)動液壓馬達(dá)帶載工作，液壓馬達(dá)將液壓泵輸出的液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能(轉(zhuǎn)矩TMh、轉(zhuǎn)速ωMh)輸出。在系統(tǒng)能量傳遞過程中，還存在電氣能量損失(電氣阻抗ZE)、液壓能量損失(液阻抗ZH)以及機(jī)械能量損失(機(jī)械阻抗ZM)。

如圖1所示，在機(jī)電液系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換過程中，系統(tǒng)輸入功率主要以實(shí)際輸出功率、損失功率、儲備功率以及動能變化率四種形式存在，即

(1)

由式(1)可知，系統(tǒng)動能變化率小，則系統(tǒng)的輸入功率降低。尤其在設(shè)備啟停、作用沖擊負(fù)載等工況時(shí)，動能變化率較大，導(dǎo)致系統(tǒng)功率輸入較高，節(jié)能效果較差，因此工程上常采用蓄能器或變慣量裝置等，回收或釋放沖擊能量，延長響應(yīng)時(shí)間，以降低動能的變化率。下面從系統(tǒng)功率平衡的角度出發(fā)，結(jié)合動力學(xué)模型，研究動能變化率對機(jī)電液系統(tǒng)功率的影響規(guī)律。

1.2 機(jī)電液系統(tǒng)功率平衡方程

(1) 電機(jī)功率平衡方程

三相靜止坐標(biāo)系下的異步電機(jī)模型是典型的高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，通過坐標(biāo)變換對異步電機(jī)模型進(jìn)行降階解耦處理。忽略空間諧波、磁路飽和、鐵心飽和；假設(shè)三相繞組對稱，磁動勢沿氣隙周圍按正弦規(guī)律分布，各繞組的自感和互感恒定；不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響。在M-T坐標(biāo)系下，異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型由電壓方程和轉(zhuǎn)矩平衡方程組成[12]。

電壓方程為

式中:Usm、Ust為定子M軸、T軸電壓；Rs為定子繞組阻值；Rr為轉(zhuǎn)子繞組阻值；Ls為定子繞組自感；Lr為轉(zhuǎn)子繞組自感；Lm為定轉(zhuǎn)子繞組互感；ωs為同步轉(zhuǎn)速；S為轉(zhuǎn)差率；ism、ist為定子M軸、T軸電流；irm、irt為轉(zhuǎn)子M軸、T軸電流。

式(2)可簡化為

u=Ri+Lpi+Gωsi

(3)

對式(3)兩端同時(shí)乘iT可得

iTu=iTRi+iTLpi+iTGωsi

(4)

轉(zhuǎn)矩平衡方程為

(5)

(6)

式中:np為極對數(shù)；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；Jt為折合到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量；Bt為折合到電機(jī)軸上的阻尼；Kt為電機(jī)-泵聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)剛度；θr為電機(jī)輸出角位移；θp為泵輸入角位移；Tr=Lr/Rr為電機(jī)轉(zhuǎn)子回路時(shí)間常數(shù)。

對式(5)兩端同時(shí)乘機(jī)械角速度ωr/np可得

(7)

由式(4)和式(7)可得電機(jī)的功率平衡方程

(8)

(2)液壓泵功率平衡方程

假設(shè)連接管道很短，忽略管道的壓力損失；泵的泄漏流態(tài)為層流；不考慮液壓泵的流量與壓力脈動，則液壓泵的數(shù)學(xué)模型由流量連續(xù)性方程和力矩平衡方程組成。

液壓泵的流量連續(xù)性方程為

(9)

式中:Qp為液壓泵的輸出流量；Dp為液壓泵的排量；ωp為泵輸入轉(zhuǎn)速；Cip為泄漏系數(shù)；Pp為液壓泵高壓腔壓力；Vp為泵高壓腔體積；βe為油液體積彈性模量。

對式(9)兩端同時(shí)乘Pp，可得

(10)

力矩平衡方程為

(11)

式中:Jp為泵的轉(zhuǎn)動慣量；Bp為黏性阻尼系數(shù)。

對式(11)兩端同時(shí)乘泵輸入轉(zhuǎn)速ωp可得

(12)

聯(lián)立式(10)、式(12)可得液壓泵的功率平衡方程

(13)

(3)液壓馬達(dá)功率平衡方程

根據(jù)液壓馬達(dá)流量連續(xù)性方程與力矩平衡方程可得其功率平衡方程為

(14)

式中:Dm為液壓馬達(dá)的排量；ωn為馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速；Cim為泄漏系數(shù)；Pp為液壓馬達(dá)高壓腔壓力；Vm為馬達(dá)高壓腔體積；Jm為泵的轉(zhuǎn)動慣量；Bm為黏性阻尼系數(shù)；TL為作用在馬達(dá)軸上的任意外負(fù)載。

(4) 機(jī)電液系統(tǒng)功率平衡方程

聯(lián)立式(8)、式(13)、式(14)，可得機(jī)電液系統(tǒng)功率平衡方程為

(15)

由式(15)可知，系統(tǒng)動能變化率由電機(jī)、液壓泵以及液壓馬達(dá)子系統(tǒng)的動能變化率組成，其運(yùn)行狀態(tài)改變是環(huán)境工況作用于系統(tǒng)的結(jié)果。因此各子系統(tǒng)的動能變化率的變化根據(jù)激擾源不同均可分為兩部分:一部分為動力源輸入變化而引起的動能變化;另一部分為負(fù)載變化導(dǎo)致的子系統(tǒng)動能變化。定義各子系統(tǒng)動能抵抗負(fù)載變化的能力為逆向剛度，抵抗動力源輸入變化的能力為正向剛度。逆向剛度越大，則系統(tǒng)抗負(fù)載沖擊的能力越強(qiáng)，動能變化率越小；正向剛度越大，則系統(tǒng)響應(yīng)速度延長，動能變化率越小。逆向剛度與正向剛度共同組成了系統(tǒng)的動能剛度。下面通過建立機(jī)電液系統(tǒng)動力學(xué)模型，研究系統(tǒng)內(nèi)部參量對動能剛度的影響機(jī)理。

2 機(jī)電液系統(tǒng)動能剛度

2.1 電機(jī)轉(zhuǎn)速剛度

對式(2)～式(6)進(jìn)行拉式變換，聯(lián)立可得

(16)

由式(16)可得電機(jī)的速度剛度表達(dá)式

(17)

由式(17)可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速剛度由逆向剛度與正向剛度組成。電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量和阻尼越大，電機(jī)極對數(shù)越少，逆向剛度越大，反之，則越小。正向剛度受轉(zhuǎn)動慣量、阻尼、轉(zhuǎn)子繞組自感、轉(zhuǎn)子回路時(shí)間常數(shù)、極對數(shù)、定轉(zhuǎn)子繞組互感、轉(zhuǎn)差率的影響，正向剛度越大，電機(jī)在啟停或轉(zhuǎn)速階躍變化時(shí)，動能變化率較小，輸出平穩(wěn)。

2.2 液壓泵流量剛度

對式(9)進(jìn)行拉式變化，可得

(18)

由式(18)可得液壓泵的流量剛度表達(dá)式

(19)

由式(19)可知，泵的流量剛度由逆向剛度與正向剛度組成。泵的泄漏量越小、體積彈性模量越大，則逆向剛度越大，反之，則越小；泵排量越小，則正向剛度越大，反之，則越小。剛度的大小隨液壓系統(tǒng)參量動態(tài)變化。

2.3 液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速剛度

對液壓馬達(dá)的流量連續(xù)性方程以及力矩平衡方程進(jìn)行拉式變化，聯(lián)立可得

(20)

由式(20)可得液壓馬達(dá)的動態(tài)速度剛度表達(dá)式

(21)

由式(21)可知，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速剛度由逆向剛度與正向剛度組成。馬達(dá)的排量、轉(zhuǎn)動慣量、體積彈性模量以及黏性阻尼越大，馬達(dá)的泄漏量越小，則逆向剛度越大，反之，則越小。泄漏量、黏性阻尼、馬達(dá)排量和轉(zhuǎn)動慣量越大，體積彈性模量越小，則正向剛度越大，反之，則越小。剛度的大小隨系統(tǒng)參量動態(tài)變化。

2.4 機(jī)電液系統(tǒng)剛度

由式(16)、式(18)、式(20)可得機(jī)電液系統(tǒng)動能剛度表達(dá)式

(22)

由式(22)可知，系統(tǒng)的正向剛度由各子系統(tǒng)正向剛度組成，是機(jī)電液系統(tǒng)內(nèi)部參量相互耦合的結(jié)果，其大小主要受泵和馬達(dá)排量以及各子系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量、阻尼、液壓系統(tǒng)泄漏和油液體積彈性模量影響。負(fù)載工況或動力源輸入的主動變化，必會導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部參量的改變，因此系統(tǒng)的動能剛度隨工況改變而動態(tài)變化。正向剛度增強(qiáng)，則系統(tǒng)動能變化率減小，輸出平穩(wěn)，節(jié)能效果好；逆向剛度減弱，則系統(tǒng)抗沖擊抗擾動能力降低，動能變化率增大，系統(tǒng)能耗增大。因此，從系統(tǒng)動能剛度角度出發(fā)，通過分析動能變化率的大小，對研究機(jī)電液系統(tǒng)的節(jié)能控制、功率匹配、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷等具有重要意義。

結(jié)合機(jī)械信號調(diào)制技術(shù)，融合機(jī)電液各子系統(tǒng)輸出的變化量，形成基于李薩如圖示化的剛度在線監(jiān)測方法，通過李薩如圖形特征對動能剛度進(jìn)行量化，獲取動能變化率的大小，以評價(jià)系統(tǒng)動力源與負(fù)載功率匹配性。

3 動能剛度在線圖示化檢測方法

3.1 基于信號調(diào)制的李薩如圖信息融合

選用單位幅值的正弦信號對上述信號進(jìn)行調(diào)幅處理，則可得調(diào)幅信號為

(23)

式中:A∈{n，Qo};B∈{T，P};C∈{i，Qi}。令φ=ψA-ψB，φ為動能信號與勢能信號載波的相位差，ψC=ψA。令α=ωt+ψB，則

(24)

由式(24)可得

(25)

將式(25)代入式(24)可得

(26)

由式(25)、式(26)可得

(27)

當(dāng)載波信號的相位差φ=180°時(shí)，由式(27)可得

(28)

同理可得

(29)

在笛卡爾坐標(biāo)平面內(nèi)，由式(28)、式(29)繪制的李薩如圖均為過原點(diǎn)的直線，分別稱為逆向剛度線與正向剛度線，如圖2所示，其傾角的大小描述了逆向剛度與正向剛度的大小。逆向剛度線順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，角β增大，則逆向剛度增大，反之減小；正向剛度線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，角α增大，則正向剛度增大，反之減小。

圖2 動能剛度李薩如圖Fig.2 Lissajous pattern of kinetic energy stiffness

3.2 動能剛度圓

機(jī)電液系統(tǒng)動能剛度由各子系統(tǒng)的動能剛度組成，設(shè)在機(jī)電液系統(tǒng)中，電機(jī)、液壓泵及液壓馬達(dá)的剛度角大小分別為ζM、ζP、ζm，則可得

(30)

式中:ζM∈{αM;βM};ζP∈{αP，βP}，ζm∈{αm，βm}。

由方程組(30)在同一坐標(biāo)系下繪制機(jī)電液系統(tǒng)動能剛度圓，如圖3所示。

圖3 機(jī)電液系統(tǒng)動能剛度圓Fig.3 The kinetic energy stiffness pattern for mechanical electro-hydraulic system

圓的面積代表子系統(tǒng)的動能剛度大小，圓環(huán)的面積代表子系統(tǒng)間的動能剛度損失。圓面積越大，則所代表的子系統(tǒng)動能剛度越大，動能變化率越小，該子系統(tǒng)節(jié)能效果越好。圓環(huán)面積越小，則動能剛度損失越小，子系統(tǒng)間的連接越趨近于剛性，能量傳遞過程中因動能變化率改變而產(chǎn)生的損失越小，系統(tǒng)動力源與負(fù)載之間的匹配性越好。電機(jī)拖動液壓系統(tǒng)運(yùn)行過程中，各子系統(tǒng)剛度圓的面積隨系統(tǒng)負(fù)載及工況動態(tài)變化，通過動能剛度圓可實(shí)時(shí)在線檢測各子系統(tǒng)之間的動能剛度關(guān)系與功率匹配規(guī)律。

4 機(jī)電液系統(tǒng)動能剛度檢測實(shí)驗(yàn)

4.1 變轉(zhuǎn)速機(jī)電液系統(tǒng)測控平臺

如圖4所示，變轉(zhuǎn)速機(jī)電液系統(tǒng)測控平臺由變轉(zhuǎn)速液壓系統(tǒng)與工控機(jī)測控系統(tǒng)兩部分組成[13-14]。

油液經(jīng)濾油器15、截止閥2-2，由永磁同步電機(jī)驅(qū)動定量泵建立系統(tǒng)壓力，壓力油流經(jīng)單向閥11，通過三位四通電磁換向閥9控制柱塞馬達(dá)換向，驅(qū)動柱塞馬達(dá)帶載工作。

液壓系統(tǒng)的流量控制，通過變頻電機(jī)驅(qū)動齒輪泵實(shí)現(xiàn)。伺服控制器18控制變頻電機(jī)13的轉(zhuǎn)速變化，從而使液壓泵的輸出流量改變，流量的大小與伺服控制器的輸入電壓大小成正比。通過控制輸入磁粉制動器6的電流，使馬達(dá)輸出軸上的摩擦力矩變化，模擬負(fù)載工況，實(shí)現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的變載控制。模擬負(fù)載的大小與磁粉制動器的輸入電流大小成正比。

如圖5所示，系統(tǒng)運(yùn)行后，伺服控制器可輸出同步電機(jī)狀態(tài)量——輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)監(jiān)測信號；組合傳感器10測量液壓泵的輸出壓力、流量；通過磁電式轉(zhuǎn)速傳感器獲取柱塞馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速，輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)系統(tǒng)壓力以及柱塞馬達(dá)參數(shù)間接測量得到。多傳感器的輸出信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡A/D轉(zhuǎn)換后，傳至工控機(jī)，在開發(fā)的測控系統(tǒng)人機(jī)界面進(jìn)行信號調(diào)制與融合，并提取圖形特征，以實(shí)現(xiàn)機(jī)電液系統(tǒng)動能剛度的在線檢測。

圖5 基于LabVIEW的計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)框圖Fig.5 The block diagram of computer measurement and control system based on LabVIEW

4.2 變載荷工況

變載荷工況時(shí)，動力源輸入恒定，系統(tǒng)動能剛度主要受逆向剛度的影響。設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速為820 r/min，控制輸入磁粉制動器的輸入電流，使馬達(dá)輸出軸上的摩擦力矩斜坡變化，模擬實(shí)際變載工況，系統(tǒng)壓力由3.34～11.29～3.34 MPa斜坡變化。為消除量綱不同對于流量剛度與轉(zhuǎn)速剛度對比的影響，選取系統(tǒng)空載時(shí)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、壓力及流量作為基準(zhǔn)進(jìn)行去量綱化處理，可得機(jī)電液子系統(tǒng)動能剛度李薩如圖的變化過程，如圖6所示，動能剛度角的變化曲線如圖7所示。

圖6 變載工況機(jī)電液系統(tǒng)動能剛度李薩如圖變化過程Fig 6.Lissajous pattern changing process of kinetic energy stiffness for mechanical electro-hydraulic system under variable load

圖7 變載工況機(jī)電液系統(tǒng)動能剛度角變化曲線Fig.7 The changing curve of kinetic energy stiffness for mechanical electro-hydraulic system under variable load

變載工況下，負(fù)載變化所產(chǎn)生的影響，由液壓馬達(dá)端至動力源端逆向傳遞，因此，如圖6、圖7所示，各子系統(tǒng)動能剛度逆向依次遞增。由于同步電機(jī)經(jīng)伺服控制器閉環(huán)控制轉(zhuǎn)速，負(fù)載的變化不會引起電機(jī)轉(zhuǎn)速剛度角產(chǎn)生較大變化，其均值為26.17°。當(dāng)系統(tǒng)壓力由3.34 MPa增大至10.29 MPa時(shí)，因油液的體積彈性模量變化較小[15]，負(fù)載壓力增大主要導(dǎo)致泵與馬達(dá)的泄漏量增大，由式(19)、式(21)可知，泵的流量剛度角由23.32°減小至21.68°，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速剛度角由20.79°減小至19.03°。如圖6動能剛度圓所示，電機(jī)與液壓馬達(dá)之間的動能剛度圓環(huán)面積增大，系統(tǒng)動能變化率變大，能量損失增大，節(jié)能效果變差。

4.3 變動力源轉(zhuǎn)速工況

變油泵轉(zhuǎn)速工況時(shí)，負(fù)載恒定，系統(tǒng)動能剛度主要受正向剛度影響。控制伺服控制器的輸入電壓，使電機(jī)轉(zhuǎn)速由210～1 560～210 r/min呈斜坡函數(shù)規(guī)律變化，磁粉制動器的輸入電流為0。可得機(jī)電液系統(tǒng)各階動能剛度李薩如圖的變化過程，如圖7所示，動能剛度角的變化曲線如圖8所示。

圖8 變轉(zhuǎn)速工況機(jī)電液系統(tǒng)動能剛度李薩如圖變化過程Fig.8 Lissajous pattern changing process of kinetic energy stiffness for mechanical electro-hydraulic system under variable speed

圖9 變轉(zhuǎn)速工況機(jī)電液系統(tǒng)動能剛度角變化曲線Fig.9 The changing curve of kinetic energy stiffness for mechanical electro-hydraulic system under variable speed

變轉(zhuǎn)速工況時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速變化所產(chǎn)生的影響，由動力源至液壓馬達(dá)端正向傳遞，因此如圖8、圖9所示，各子系統(tǒng)動能剛度正向依次遞增。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速由210～1 560 r/min逐漸升高時(shí)，液壓泵和馬達(dá)的容積效率升高，油液迅速壓縮，由式(19)、式(21)可知，泵的流量剛度角由6.1°迅速升高至28.13°，馬達(dá)的動能轉(zhuǎn)速剛度由84.93°迅速降低至64.69°，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高時(shí)，黏性阻尼及機(jī)械阻尼逐漸增大，導(dǎo)致系統(tǒng)壓力逐漸升高，液壓系統(tǒng)泄漏增大，泵和馬達(dá)的動能剛度角變化變緩。當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，動能剛度角的變化相反。如圖8動能剛度圓所示，圓環(huán)面積隨轉(zhuǎn)速的升高逐漸減小，說明低轉(zhuǎn)速時(shí)，液壓系統(tǒng)動能變化率較大，能量損失大，難以驅(qū)動液壓馬達(dá)帶載工作，隨著轉(zhuǎn)速的升高，子系統(tǒng)間的剛度損失減小，能量傳遞過程中的因動能變化率而引起的損失減小，節(jié)能效果提高。

5 結(jié) 論

(1) 機(jī)電液系統(tǒng)動能剛度可分為逆向剛度和正向剛度兩部分，逆向剛度描述系統(tǒng)動能抵抗負(fù)載擾動的能力，正向剛度描述系統(tǒng)動能抵抗動力源輸出變化的能力。動能剛度越大，則系統(tǒng)動能變化率越小，節(jié)能效果與功率匹配性越好。

(2) 通過信號調(diào)制與信息融合技術(shù)，構(gòu)建了基于李薩如圖的機(jī)電液系統(tǒng)動能剛度圖示化識別方法。李薩如圖的傾角表征系統(tǒng)動能剛度的大小與變化規(guī)律，為客觀衡量動能變化率大小，評價(jià)動力源與負(fù)載功率動態(tài)匹配特性提供了有效的方法。

(3) 根據(jù)本方法形成的李薩如圖，將系統(tǒng)動能剛度進(jìn)行量化，為對比節(jié)能控制策略的優(yōu)劣，開發(fā)新型控制算法提供了技術(shù)支持。

(4) 動能剛度是機(jī)電液系統(tǒng)多參數(shù)耦合的結(jié)果。李薩如圖傾角還包含能夠反映機(jī)械慣性負(fù)載、液壓系統(tǒng)泄漏、油液黏性阻尼以及體積彈性模量等參數(shù)的信息，仍需進(jìn)一步進(jìn)行挖掘。

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A graphical technique of kinetic energy stiffness identification for mechanical electro-hydraulic system

YANGBin1,GULichen1,2,LIUYong1,3

(1. State Engineering Laboratory of Highway Maintenance Equipment,Chang’an University, Xi’an 710064, China; 2. School of Mechanical and Electronic Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710054, China; 3.School of Mechanical Engineering, Hubei University of Automotive Industries, Shiyan 442002, China)

In order to measure the kinetic energy stiffness and evaluate the power matching nature between the power source and the load, a graphical recognition method of dynamic stiffness was put forward based on information fusion using Lissajous pattern. Based on the analysis result of system modeling, the energy-saving principle of the system, physical significance of kinetic energy stiffness and its influence mechanism for the mechanical electro-hydraulic system were analyzed. By using the signal modulation and information fusion technology, the signal of torque, speed, press and flow were fused as Lissajous pattern, and the change of graphic feature could identify the dynamic stiffness on line. The results show that the change of kinetic energy stiffness is the result of intercoupling between mechanical electro-hydraulic parameters, which can be used to measure the changing rate of kinetic energy and evaluate the energy- saving effect of the system. The inclination of Lissajous pattern can characterize the kinetic energy stiffness and the value can be used to evaluate the power matching nature between the power source and the load and monitor the on-line running state.

mechanical electro-hydraulic system; kinetic stiffness; power matching; graphical recognition; information fusion

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275375;51675399)

2015-11-17 修改稿收到日期：2016-02-02

楊彬 男，碩士生，1992年生

谷立臣 男，博士，博士生導(dǎo)師，1956年生

TH137

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.04.019