力士樂A4VHS4電子泵仿真研究

王 銳

(中國鐵建重工集團股份有限公司 液壓研究設計院，湖南 長沙 410000)

0 引言

工程機械液壓系統中常用到流量、功率及壓力復合控制的液壓泵，相較于定量泵，這種泵具有更好的節能、防功率超、流量補償等特點，因此得到廣泛應用。常見的力士樂A10VDFLR和A11VLRDU系列、派克PV/MLPV系列、川崎K3VDT和K5VDT系列等均是通過液壓閥及機械變量反饋裝置實現復合控制。其中A11VLRDU的流量[1，2]和川崎K3VDT、K5VDT[3，4]的功率調整采用了電比例，但在恒功率控制上A10VDFLR和K3V、K5V均采用了雙彈簧的結構，其恒功率曲線是兩條折線，并不能保證嚴格的雙曲線[5-7]；A11VLRDU和PV/MLPV恒功率控制由于采用了杠桿和內雙曲線變量活塞的特殊機械變量反饋裝置，其恒功率控制精度較好，但其壓力、流量的控制精度一般。唐維定[8]研究了一種變頻系統和A10V定量泵的組合裝置，具有工作效率高、動作靈敏并能夠使功率等于恒值，但成本較高。隨著大直徑泥水盾構的出現，為滿足其推進系統中對壓力、流量、功率的要求，力士樂A4VHS4電子泵因其控制響應快、控制精度高、穩定性強被廣泛應用其中。與常用液壓泵相比，電子泵采用電反饋控制，使得其具有閉環控制精度高、頻響快和恒功率曲線能保證嚴格雙曲線等優點，從而被得到推廣。然而，對于這種電子液壓泵，其控制原理、控制方式國內研究較少，其產品尚屬空白[9]，因此了解掌握電子泵原理技術對于廣大相關技術和科研人員在電子泵產品選型、系統設計及故障診斷等方面具有重要指導意義。

計算機仿真技術的出現很好地提高了研發效率，減少了研發成本，如盧寧等[10]應用AMESim軟件對雙壓力柱塞泵進行了建模與仿真，得出了其動態特性；陳海泉等[11]基于ITI-SIM軟件對液壓泵和馬達的能量和扭矩進行了仿真分析；王勇剛[12]對SWEl5挖掘機柱塞泵在軟件中進行建模，并得出挖機復合動作過程不協調的原因。本文在分析力士樂A4VHS4電子泵結構原理的基礎上，在AMESim中搭建出仿真模型，分析得出電子泵的動態響應特性，以掌握此類泵的特性。

1 力士樂A4VHS4電子泵結構與控制原理分析

1.1 力士樂A4VHS4電子泵結構

力士樂A4VHS4電子泵的結構和系統原理如圖1所示。

1-泵軸；2-搖擺座；3-斜盤;4-回程盤；5-柱塞；6-缸體;7-配流盤；8-變量活塞；9-斜盤擺角傳感器；10-伺服閥;11-VT控制器;12-壓力傳感器

VT控制器11一般單獨安裝在電氣控制柜中作為控制核心。S為電子泵進口，B為電子泵出口，P為電子泵先導口，R(L)為電子泵泄油口，其余接口為工藝口或備用口。伺服閥10自帶閥芯位移傳感器，閥芯位移信號轉換為0～10 V電壓輸入到控制器11；電子泵流量通過斜盤擺角傳感器9計算、壓力信號通過壓力傳感器12轉換成0～10 V電壓輸入到控制器11；伺服閥10自帶閥芯位移反饋，并形成小閉環，以提高伺服閥控制精度；控制器11的接口可進行壓力、流量、功率參數的設定，由外部PLC或電位器0～10 V信號輸入設定。

力士樂電子泵的輸出流量Qf為：

(1)

其中：dz為柱塞直徑；Z為柱塞數；N為主軸轉速；γ為斜盤擺角；R0為柱塞分布圓半徑；α為柱塞旋轉角。

變量活塞位移Xf為[13]：

(2)

其中：L和β分別為變量活塞作用點到斜盤中心的長度和夾角。

由式(1) 和式(2)可知，通過斜盤擺角γ可計算出電子泵實際輸出流量Qf和變量活塞位移Xf。

1.2 電子泵控制原理

根據A4VHS4電子泵結構得出其控制原理，如圖2所示。其中，Pwst、PQst、Ppst分別為電子泵功率、流量和壓力設定信號；Ppf1、Ppf2、Ppf分別為電子泵S口、B口壓力和工作壓力反饋信號；F1(x)、F2(x)、DG419分別為絕對值、最小值選擇、信號選擇功能器。

由于電子泵也可做閉式泵，故將Ppf1與Ppf2通過比較得出較大值Ppf，以此作為PID_1的反饋值，并形成第一個閉環。Ppst由外部輸入(通常是電位器)至PID_1，同時Pwst除以壓力反饋信號后得到的流量值與PQst進行比較，將流量較小值作為PID_2的流量信號設定值，而Qf作為PID_2的反饋信號形成第二個閉環。控制器在比較壓力偏差與流量信號偏差后，偏差小的輸出到PID_3作為設定值，并作用于伺服閥，而斜盤擺角γ作為伺服閥反饋信號形成第三個閉環。由此可知：

(1) 當電子泵的實際功率和壓力偏差大于流量信號偏差時，流量信號PQst起作用，即PID_2與PID_3發揮調節作用，泵進入流量環(恒流模式)。

(2) 而當功率偏差小于流量和壓力偏差信號時Pwst起作用，即流量設定變成了功率限制下的流量，仍是PID_2與PID_3發揮調節作用，泵進入功率環(恒功率模式)。

(3) 當壓力偏差最小時，Ppst起作用，PID_1與PID_3發揮調節作用，泵進入壓力環(恒壓模式)。

圖2 A4VHS4電子泵控制原理

2 AMESim`中電子泵的模型搭建及仿真分析

根據電子泵的工作原理在AMESim中搭建電子泵的模型,如圖3所示。

圖3 A4VHS4電子泵在AMESim中的模型搭建

2.1 A4VHS4電子泵模型參數設置

根據泥水盾構推進系統及電子泵結構設置如下參數：

(1) 電子泵：轉速為1 450 r/min，排量為71 mL/r，額定壓力為30 MPa，流量為103 L/min,額定功率為51.5 kW。

(2) 先導泵：恒壓變量泵，轉速為1 450 r/min，排量為5 mL/r,壓力設定為10 MPa。

(3) 電子泵變量活塞：重量為5 kg,庫倫摩擦力為1 200 N/(m/s),行程為0～20 mm。

(4) 電子泵伺服閥：頻率為80 Hz,阻尼比為0.8，輸入信號為4 mA～20 mA。

2.2 三種控制模式的輸入參數設置

三種控制模式下的輸入參數設置如表1所示。

表1 三種控制模式下的輸入參數

2.3 三種控制模式下的仿真結果

輸入參數后得到的仿真結果如圖4～圖9所示。

從圖4、圖6和圖8可看出，電子泵僅需0.3 s就可達到所需的流量、壓力、功率設定值，可見其反應較快，操控性好；同時穩態誤差控制在5%以內(精確度高)，振蕩小(穩定性強)，便于實現復合控制。從圖9可看出，恒功率模式下，壓力與流量與雙曲線較為接近，說明電子泵的功率控制性能較好。

3 結論

本文通過對力士樂A4VHS4電子泵進行結構原理分析，并在AMESim軟件中搭建了仿真模型，得到以下結論：

(1) 電子泵控制器時刻在比較壓力偏差與流量信號偏差，將兩者中值小的作用于伺服閥。

(2) 當電子泵的實際功率和壓力偏差大于流量信號偏差時，泵進入恒流模式。

(3) 而當功率偏差小于流量和壓力偏差信號時，泵進入恒功率模式。

(4) 當壓力偏差最小時，泵進入恒壓模式。

(5) 三種模式中，電子泵的響應均極快，穩定性較好，精確度高。

圖4 恒流模式下的流量響應曲線 圖5 恒流模式下的壓力響應曲線 圖6 恒壓模式下的壓力響應曲線

圖7 恒壓模式下的流量響應曲線 圖8 恒功率模式下的功率響應曲線 圖9 恒功率模式下的壓力與流量響應曲線