閥-泵并聯(lián)變模式電液比例調(diào)速系統(tǒng)研制及實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用

丁海港 趙繼云 沈剛 陳飛 楊寅威

摘? 要 針對(duì)目前電液比例控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能單一、操控困難、不易二次開發(fā)、無法滿足教學(xué)需求的問題，研制閥-泵并聯(lián)變模式電液比例調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以改變控制模式，開展泵控馬達(dá)、閥控馬達(dá)、閥-泵并聯(lián)控制馬達(dá)等多種電液比例調(diào)速實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)閥-泵并聯(lián)變模式電液比例調(diào)速系統(tǒng)，闡述其結(jié)構(gòu)和工作原理，建立基于虛擬儀器技術(shù)的測(cè)控系統(tǒng)，并將此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用于電液比例控制的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有效提高學(xué)生的實(shí)踐能力，促進(jìn)電液比例控制課程建設(shè)。

關(guān)鍵詞 閥-泵并聯(lián)變模式;電液比例控制;液壓調(diào)速系統(tǒng);實(shí)驗(yàn)教學(xué);LabVIEW;虛擬儀器技術(shù)

中圖分類號(hào)：G642.423? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）18-0114-04

1 引言

電液比例控制技術(shù)是在以開環(huán)傳動(dòng)為主要特征的傳統(tǒng)液壓技術(shù)和以閉環(huán)控制為主要特征的電液伺服控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，為適應(yīng)一般工程系統(tǒng)對(duì)傳動(dòng)與控制特性提出的更高要求，采用比例閥或比例泵作為電液控制元件的新興液壓控制技術(shù)[1-2]。電液比例控制技術(shù)是連接現(xiàn)代微電子技術(shù)和大功率的液壓傳動(dòng)之間的橋梁，已被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、礦山機(jī)械及國防尖端產(chǎn)品等領(lǐng)域，已經(jīng)成為現(xiàn)代控制工程的基礎(chǔ)技術(shù)之一[3-5]。目前美國普渡大學(xué)、德國亞琛工業(yè)大學(xué)以及國內(nèi)的浙江大學(xué)、燕山大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)均將電液比例控制技術(shù)作為機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生的專業(yè)課程，以培養(yǎng)機(jī)電液控制復(fù)合人才[6-8]。

電液比例控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是開展電液比例控制教學(xué)，培養(yǎng)機(jī)電液控制復(fù)合人才的重要保障。電液比例調(diào)速實(shí)驗(yàn)是必開實(shí)驗(yàn)之一，但目前的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能單一，只能進(jìn)行閥控或泵控實(shí)驗(yàn)，而且界面不友好，操控困難，且不易二次開發(fā)，無法滿足教學(xué)需求[9-10]。針對(duì)這些問題，中國礦業(yè)大學(xué)電液控制團(tuán)隊(duì)研制了閥-泵并聯(lián)電液比例調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)界面友好，易于操控和二次開發(fā)，可以改變控制模式，開展泵控馬達(dá)、閥控馬達(dá)、閥-泵并聯(lián)控制馬達(dá)等多種電液比例調(diào)速實(shí)驗(yàn)，有效提高電液比例控制課程教學(xué)質(zhì)量。

2 閥-泵并聯(lián)變模式電液比例調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，閥-泵并聯(lián)變模式電液比例調(diào)速系統(tǒng)主要由比例泵控馬達(dá)單元、比例閥控馬達(dá)單元、加載單元、測(cè)控單元、切換單元組成，主要元器件及其參數(shù)見表1。

比例泵控馬達(dá)單元是閉式回路，主要由14-補(bǔ)油電機(jī)-泵組、1-閉式電比例變量泵、3-電比例變量馬達(dá)組成。補(bǔ)油電機(jī)-泵組為閉式系統(tǒng)向閉式泵控馬達(dá)閉式回路供油，以補(bǔ)充系統(tǒng)泄漏，通過調(diào)整變量泵或者變量馬達(dá)的排量，調(diào)節(jié)變量馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。

比例閥控馬達(dá)單元是開式回路，主要由13-閥控油源、7-比例方向閥組成。閥控油源為比例方向閥提供恒壓油源，通過調(diào)整比例方向閥的開度，就可以調(diào)節(jié)變量馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。

加載單元主要由6-轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、8-加載泵、9-比例溢流閥、10-加載電機(jī)-補(bǔ)油泵組組成。通過改變慣量的大小，實(shí)現(xiàn)慣量加載;通過調(diào)節(jié)比例溢流閥的溢流壓力，實(shí)現(xiàn)負(fù)載力矩的加載。

測(cè)控單元主要有2-流量傳感器、12-壓力傳感器、5-轉(zhuǎn)速扭矩儀及變模式控制器，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和模式切換。

切換單元包括15-L型三通截止閥、16-二通截止閥、17-梭閥。通過切換截止閥的位置，可實(shí)現(xiàn)閥控馬達(dá)、泵控馬達(dá)、閥-泵并聯(lián)控制馬達(dá)。截止閥狀態(tài)與控制模式關(guān)系見表2。

閥-泵并聯(lián)變模式電液比例調(diào)速系統(tǒng)是多輸入單輸出系統(tǒng)，可以處于多種工作模式。當(dāng)處于泵控模式時(shí)，通過調(diào)節(jié)變量泵或變量馬達(dá)的排量，以控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速;當(dāng)處于閥控模式時(shí)，通過調(diào)節(jié)比例方向閥的開度，以控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速;當(dāng)處于閥-泵并聯(lián)模式時(shí)，轉(zhuǎn)速進(jìn)入馬達(dá)的流量等于泵的流量和閥的流量之和，泵控和閥控共同調(diào)節(jié)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。閥-泵并聯(lián)變模式電液比例調(diào)速系統(tǒng)，建立了控制結(jié)構(gòu)依控制要求而變的靈活的控制機(jī)制，可充分發(fā)揮閥控、泵控各自的優(yōu)勢(shì)，改變了目前液壓調(diào)速方式選擇的單一性和簡(jiǎn)單化，豐富了液壓系統(tǒng)的方式，使電液控制系統(tǒng)更具靈活性和適應(yīng)性，將有望提高大功率液壓調(diào)速系統(tǒng)的綜合性能。

3 基于虛擬儀器技術(shù)的測(cè)控系統(tǒng)

虛擬儀器技術(shù)是儀器領(lǐng)域的一次變革，利用“硬件虛擬化、軟件化”的思想，以便最大限度降低成本，并增加系統(tǒng)的功能與靈活性。利用美國NI公司研發(fā)的LabVIEW平臺(tái)開發(fā)基于虛擬儀器技術(shù)的測(cè)控系統(tǒng)（見圖2），其主要包括工控機(jī)、采集卡、傳感器、測(cè)控程序。通過傳感器測(cè)量馬達(dá)轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)壓力、泵及比例閥的流量等信號(hào)，通過采集卡采集傳感器信號(hào)，然后傳輸進(jìn)入工控機(jī)，以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示與存儲(chǔ)、變結(jié)構(gòu)控制，最后采集卡分別輸出信號(hào)到變量泵、控制閥、比例溢流閥，實(shí)現(xiàn)多模式控制和系統(tǒng)加載。

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用

在江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程、江蘇省自然基金項(xiàng)目、中國礦業(yè)大學(xué)教育教學(xué)項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助下，研制閥-泵并聯(lián)變模式電液比例調(diào)速系統(tǒng)（見圖3），其主要由泵站、電液控制系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)臺(tái)組成，系統(tǒng)總功率180 kW，流量250 L/min，壓力25 MPa。利用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可進(jìn)行閥-泵并聯(lián)控制馬達(dá)閉環(huán)調(diào)速實(shí)驗(yàn)[11-12]（見圖4），各調(diào)速階段的控制模式為：在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行階段，采用泄油式并聯(lián)閥控模式，以提高馬達(dá)轉(zhuǎn)速的低速平穩(wěn)性;加速和減速階段，采用并聯(lián)泵控模式，以保持系統(tǒng)的高效率;在勻速階段，采用補(bǔ)油式并聯(lián)閥控，以實(shí)現(xiàn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速對(duì)階躍負(fù)載干擾的快速調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，閥-泵并聯(lián)變模式比例調(diào)速系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和速度跟蹤特性，提高了大功率液壓馬達(dá)調(diào)速的綜合性能，如啟停平穩(wěn)性，對(duì)負(fù)載干擾的快速調(diào)節(jié)特性，以及系統(tǒng)的高效率。

目前，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已成為電液比例控制課程主要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，開設(shè)的實(shí)驗(yàn)主要有變量泵控定量馬達(dá)、定量泵控變量馬達(dá)、閥控馬達(dá)、閥-泵并聯(lián)控制馬達(dá)實(shí)驗(yàn)，虛擬儀器測(cè)控實(shí)驗(yàn)，電液比例智能控制實(shí)驗(yàn)。通過以上實(shí)驗(yàn)，貫通了機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生在機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)、自動(dòng)控制等方面的理論知識(shí)，使學(xué)生更加深入了解電液比例調(diào)速系統(tǒng)與控制技術(shù)，提高了學(xué)生對(duì)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、搭建、分析的能力，增強(qiáng)了綜合利用機(jī)電液一體化技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新的能力和實(shí)踐能力。

5 結(jié)語

針對(duì)目前電液比例調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能單一、操控困難、不易二次開發(fā)的問題，研制閥-泵并聯(lián)變模式電液比例調(diào)速系統(tǒng)，豐富了電液比例控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可通過改變控制模式，實(shí)現(xiàn)泵控馬達(dá)、閥控馬達(dá)、閥-泵并聯(lián)控制馬達(dá)等多種電液比例調(diào)速實(shí)驗(yàn);同時(shí)基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)測(cè)控系統(tǒng)，以便于系統(tǒng)的二次開發(fā)。將閥-泵并聯(lián)變模式電液比例調(diào)速系統(tǒng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，促進(jìn)了電液比例控制課程建設(shè)，有效提升了機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力，有利于培養(yǎng)國家急需的機(jī)電液復(fù)合型專業(yè)人才。

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