２０１８年２月 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ Ｔ０ＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｆｅｂ．２０１８ Ｖｏ１．４６ Ｎｏ．４ 第４６卷第４期 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１８．０４．０２４ 液黏软起动装置控制油压调节特性的分析 刘传峰，周满山，张媛，张哲维，公业，朱江峰 （山东科技大学机械电子学院，山东青岛２６６５９０） 摘要：通过对软启动装置控制油路原理的分析，得出液压泵输出的流量一部分通过节流阀流回油箱，另一部分进入液 黏软起动装置后通过内部泄漏流回油箱。进一步推导出通过变频器调节定量泵转速调节液压系统时系统油压与电源频率的 关系并建立了动力学模型。并使用ＭＡＴＬＡＢ软件对系统控制油压的可控性进行了分析。 关键词：液体黏性软起动装置；系统油压；频率；流量；可控性 中图分类号：ＴＨ１３７ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１—３８８ｌ（２０１８）０４—０９４—３ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｖｉｓｃｏｕｓ Ｄｒｉｖｅ ＬＩＵ Ｃｈｕａｎｆｅｎｇ，ＺＨＯＵ Ｍａｎｓｈａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｙｕａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｚｈｅｗｅｉ，ＧＯＮＧ Ｙｅ，ＺＨＵ Ｊｉａｎｇｆｅｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２６６５９０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌｉｎｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｈｙｄｒｏｖｉｓｃｏｕｓ ｄｒｉｖｅ，ｉｔ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｈｅ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｕｍｐ ｗａｓ ｂａｃｋｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｔａｎｋ ｂｙ ｔｈｅ ｔｈｒｏｔｔｌｅ ｖａｌｖｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｐａｒｔ ｗａｓ ｌｅａｋｅｄ ｂａｃｋ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｔｎｋ ｔｈｒｏｕｇｈ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｌｅａｋａｇｅ．Ｉｔａ ｗａｓ ｆｕｒｔｈｅｒ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｉｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｍｐ ｗａｓ ａｄｊｕｓｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｔｒｅｒ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ＭＡＴＬＡＢ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｙｄｒｏｖｉｓｃｏｕｓ ｄｒｉｖｅ；Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ；Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；Ｆｌｏｗ；Ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｉｌｉｔ 液体黏性软起动装置通过调节油缸的压力来改变 主、从动摩擦片之间的间隙。控制油压的调节特性直 接影响到液黏软起动装置的起动效果和调速特性。无 论多好的机械结构、多先进的控制策略，如果控制油 压调节特性不好．那么软起动装置根本发挥不了自身 的最大潜能。 安全阀动作压力，安全阀处于关闭状态），另一部分 进入液黏软起动装置内部的油缸。 ２液压泵输出流量的分配 液压泵输出的流量除了通过节流阀的流量．还有 就是通过软启动内部泄漏以及齿轮泵由于轴向间隙而 产生泄漏的流量。 １ 软起动装置控制油路原理 液黏软起动装置控制油路的原理…如图１所示。 由于出口均通大气，所以软启动内部泄漏流量和 压差的关系为： Ｑｔ －１－－１ ｐ ｂ．ｈ （ ） （２） ５ ｌ一电机 ４ ＾ｖ． ｒ． ｉ ｒ３ ２一控制泵 ３一单向阀 ４一压力表 ５一滤油器 ６一安全阀 ７一节流阀 ８一压力传感器 Ｑｚ ２－ －２ 式中：Ｑ 为软起动内部泄漏量，ｍ ／ｓ；Ｑ 为齿轮泵 内部泄漏量，ｍ ／ｓ；Ｐ为软起动内部等效缝隙进口压 力，也是系统工作压力，ＭＰａ；／ｘ为油液的动力黏 度，Ｎ·ｓ／ｍ ；Ｐ 为控制泵出口压力，ＭＰａ；ｂ 、Ｚ。、 ｈ 分别为软起动内部等效缝隙的宽、长、高，ｎｌ； ｂ 、ｚ 、ｈ 分别为齿轮泵内部等效缝隙的宽、长、 ｚ（＝） Ｉ ，图１软起动装置控制油路原理 高，ｍ。 通过滤油器的流量为： 油泵电机采用变频器驱动。控制油泵采用定量齿 轮泵，节流阀和安全阀出口接油箱。工作时，齿轮泵 输出的油一部分经过节流阀流回油箱（由于未达到 收稿日期：２０１６—０７—２２ ６ ｉ ＱＩ＋Ｑ， （Ｐｌ＿ｐ一 ） １２二 ／Ａ３ （３）作者简介：刘传峰（１９９Ｏ一），男，硕士研究生，研究方向为机电液一体化。Ｅ－ｍａｉｌ：１９２５３６４７３８＠ｑｑ．ｅｏｍ。 第４期 刘传峰等：液黏软起动装置控制油压调节特性的分析 ·９５· 式中：Ｑ，为通过节流阀的流量，ｎｌ ／ｓ；△ｐ 为节流阀 的压降，一般为０．０３—０．０５ ＭＰａ；ｂ”Ｚ，、ｈ。分别为 滤油器等效缝隙的宽、长、高，Ｉｎ。 当孔Ｉ＝Ｉ通大气时，节流阀的流量为 ］： ３控制油压调节特性的动力学模型 ３．１ 油泵电机的数学模型 性为 引： Ｑ３＝ＣａＡｏ√ （４） ：６ 一 （１０） 式中：Ｃ 为流量系数，Ｃ ＝Ｃ 亡√１ ；Ｃ。为孔口截面 收缩系数； 为局部阻力系数；Ａ。为小孔的截面积， ｎｌ ；Ｐ为润滑油密度，ｋｇ／ｍ 。 当节流阀的开口度较大而通过节流阀流量很小 时，公式（４）是不成立的。只有通过节流阀的流量 超过某一最小值Ｑ， 时，公式（４）才成立。Ｑ， 和 节流阀开度有关，开度越大，进口形成压力所需流量 越大，Ｑ， 越大。 当在稳定工作状态时，软起动活塞行程的变化量 为零，控制油液全部泄漏，由式（１）一（３）得泵 输出的稳态流量为： Ｑ Ｑ ＋Ｑ２＋Ｑ３Ｂ—警 ＿ｐ＋ 却ｔ＋ ＋ （５） 式中： ＝ ＝ 。√ 。 当油泵采用变频调速时，输出的流量为： Ｑ ’ （６） 由于变频时，电机频率和稳态转速之间存在如下 关系［３ ２： 一Ｐ【ｌ－ｓ） （７） ｍ式中：Ｐ 为对数；ｓ为电机转差率； 为油泵的排 量，（ｍ ／ｒ）；ｆ为变频器输出频率，Ｈｚ。 联立式（５）一（７）可得： ｋ ｋ， ：ｋ÷￣＋－＋ｋ２ ｐ＋ ＋ ＋ ㈣ ＋警 ＿Ｃｌ， １－８眦 ＋ｋ ４ｋｚ－Ｃ２，得： Ｃ２√ｐ＋ｃ１Ｐ＝ｃｆ一÷△ｐ１ （９） 由式（９）可知当节流阀开度、软起动和油泵泄 漏处的几何尺寸一定时，改变控制泵电机源频率．就 可改变系统的工作压力。 式中：Ｍ。为输出力矩，Ｎ·ｍ；ｋ。为电压一角频率系 数；Ｒ为折算到定子侧的转子每相电阻，ｎ；／７，。为电 机实际转速，ｒ／ｍｉｎ；ｎ 为电机同步转速，ｒ／ｒａｉｎ， 。 ３．２油泵的动力学方程 已知油泵负载力矩 为： ） 式中：Ｖ为油泵排量，Ｉｌｌ ／ｒ；Ｐ 为控制油压，ＭＰａ。 Ｍｐ－帆＝丽２￣ｒＪ． ｄｎｐ （１２） 式中：Ｊ为油泵与电机的转动惯量，ｋｇ·ｉｎ 。由式 ｔ，誓＝ 詈（产 一 ｃ－３ 由式（７）（９）并考虑在平衡点（ｎ。。，Ｐ。。）时 Ｐｃ＝札 （１４） 其中： ＝——Ｉ＿ 。 ｃ，＋ ２ ｐ∞ ３．４动力学模型 对式（１３）（１４）进行拉普拉斯变换可得： ｏｎ＂２ ‘ ’ ■ ‘ ５） ＋—百一丽 Ｐｃ ｓ）＝缸 ｎｐ（ｓ） （ ６） 由式（１５） （１６）可得油压调节特性的传递函 数。用方框图 表示如图２所示。 图２油压调节特性的传递函数框图 ·９６· 机床与液压 第４６卷 ４控制油压调节特性的理论分析 根据实际应用取各参数值如下： Ｐ ＝２，ｋ＝４．９ｘ１０“， ｋ ＝０．７， ＝０．０２７ Ｎ·ｓ／ｍ ， ＝９ｘ１０一ｋｇ·１３３ 。 控制系统仿真框图 ’ 如图３所示。 ＝１０一 Ｉｎ ／ｒ，Ｒ＝２．９５ Ｑ， 图３控制系统仿真框图 在单位阶跃信号的作用下对系统进行仿真，其输 出响应如图４所示。 通过图４可知控制油压在单位阶跃信号的作用 下，输出响应不能达到稳态平衡，说明该控制油压是 不可控的。为了解决这个问题，采用线性二次型ＬＱ 泵泄漏、单向阀阻力和节流阀开度越大， 右移；反 之左移。 （３）通过图４可知系统控制油压是不可控的， 随着时间的推移系统一直处于发散状态，但利用线性 最优控制 Ｊ。 对上述系统采用线性二次型ＬＱ最优控制，它在 单位阶跃信号作用下的响应如图５所示。 二次型ＬＱ最优控制后，通过图５可知系统控制油压 在ｔ＝３ ｓ时就能达到稳态．故该线性二次型控制能够 达到最优控制的结果。 参考文献： ［１］孟庆睿．液体粘性传动调速起动及其控制技术研究［Ｄ］． 徐州：中国矿业大学，２００８：６７—６８． ［２］何存兴，张铁华．液压传动与气压传动［Ｍ］．武汉：华中 科技大学出版社，２０００：２９—３１． ［３］秦曾煌．电工学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００９：２３８－ ２３９． ［４］陈伯时．电力拖动自动控制系统［Ｍ］．北京：机械工业出 图４系统的单位阶 图５ ＬＱ最优控制后的输出 版社．１９９６：２１５－２１６． 跃响应曲线 单位阶跃响应曲线 ［５］姜雪．液体粘性软起动装置的仿真分析与实验研究［Ｄ］． 青岛：山东科技大学，２０１１：７２—７３． ［６］玄兆燕，朱洪俊，杨秀萍，等．机械控制工程基础［Ｍ］．北 京：电子工业出版社．２０１１：７５—７６． ５结论 （１）由式（９）可得，由于节流阀开度越大， Ｑ 越大，则系统输出压力就越小，系统处于稳态时 所需的频率就越大；反之，系统输出压力就越大，但 由于安全阀的存在控制泵电机频率不会无限缩小。 （２）当系统控制压力为零时，起始点频率． 与 油泵内部泄漏、单向阀阻力降和节流阀开度有关。油 『７］刘卫国．ＭＡＴＬＡＢ程序设计教程［Ｍ］．北京：中国水利水 电出版社．２０１０：２２５—２２７． 『８］飞思科技产品研发中心．ＭＡＴＬＡＢ７辅助控制系统设计 与仿真［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００５：２５５—２５７． （上接第８７页） ［７］李锻能，张恩龙，马平．应用Ｍａｒｃ分析气体静压轴承静 态性能［Ｊ］．润滑与密封，２００５，１７１（５）：４７—７９． ＬＩ Ｄ Ｎ，ＺＨＡＮＧ Ｅ Ｌ，ＭＡ Ｐ．Ｓｔａｔｉｃ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ［９］李欢欢，于贺春，马文琦，等．李志强狭缝节流径向气体 静压轴承的结构设计研究［Ｊ］．制造技术与机床，２０１４ （２）：８１—８５． ＬＩ Ｈ Ｈ，ＹＵ Ｈ Ｃ，ＭＡ Ｗ Ｑ，ｅｔ １．ａＲｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄｅ— Ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ Ｂｅａｉｒｎｇ ｗｉｔｈ Ｍａｒｃ［Ｊ］．Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２００５，１７１（５）：４７－４９． ｓｉｇｎ ｏｆ Ｓｌｏｔ－ｒｅｓｔｉｒｃｔｅｄ Ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ Ｂｅａｒｉｎｇ［Ｊ］．Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌ，２０１４（２）：８１—８５． ［８］夏欢，陶继忠，王洋．基于ＭＡＴＬＡＢ ＰＤＥ的气体润滑球 轴承的数值分析［Ｊ］．润滑与密封，２００９，３４（５）：５０—５３． ＸＩＡ Ｈ，ＴＡＯ Ｊ Ｚ，ＷＡＮＧ Ｙ．Ａ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ａｉｒ ［１０］浮燕，李想，王辉．液体静压主轴回转精度测试方法的 研究［Ｊ］．机床与液压，２０１６，４４（３）：１５８－１６２． ＦＵ Ｙ，ＬＩ Ｘ，ＷＡＮＧ Ｈ．Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｒ Ｈｙｄｒｏ— Ｌｕｂｒｉｃａｔｅｄ Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＡＴＬＡＢ ＰＤＥ ｆ Ｊ］． ｓｔａｔｉｃ Ｓｐｉｎｄｌｅｓ Ｒｏｔａｒｙ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ『Ｊ １．Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌ＆Ｈｙ． ｄｒａｕｌｉｃｓ，２０１６，４４（３）：１５８－１６２． Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，２００９，３４（５）：５０—５３．