基于柴油机机体清洗设备行程同步问题的建模

何汪洋 姜莉莉

(广东工业大学机电工程学院，广州 510006)

在柴油机机体清洗设备行程控制系统中，液压回路占主导位置，液压主回路采用两个同步液压回路确保两个执行元件的一致。在同步液压回路中，由于不同的控制元件结构和性能，以及安装方法的差异，会引起同步液压控制回路的误差。设备研制实验过程中，液压双缸升降过程中会产生不同步误差(0～32mm)，直接影响高压喷头的定位精度，最终导致清洗效果达不到预期。笔者利用伺服比例阀控制的液压同步系统，建立了液压同步系统的数学模型，通过Matlab软件模拟仿真，证明了此数学模型具有可行性。

1 双缸同步回路系统总体方案设计①

对于液压闭环同步控制系统，通常采用同等方式和主从方式两种控制方法。因为清洗机内的同步液压缸是立式安装的，并且是通过液压缸的同步升降来实现喷头平稳的升降和信号触发。由于在实际清洗过程中存在重心不对称，换不同类型连杆清洗时负载具有差别，液压回路流量、压力的波动，机械系统安装误差，夹具架上升过程中的偏振，以及运行后的累计误差等问题，笔者采用比例流量阀与伺服阀并行控制，同时采用主从方式的控制来保证此系统在下行过程中的同步精度，在主油路上采用双比例流量阀[1]，控制双缸同步运行则采用伺服阀，工作原理如图1所示。

在系统空载运行时，通过系统输入信号来调节比例流量阀1、2，使液压系统中双缸达到初步的同步。由于调节比例阀流量的不一致，在双缸下行到最低端和最高端位置时，比例流量阀就无法满足双缸同步的精度要求，因为在最低端和最高端位置，双缸其中的一个会触发位置传感器改变运行方向，所以必须保证同步精度来维持系统的安全运行。针对这个问题，设计了一个基于伺服比例阀来控制双缸同步的控制系统，当达到指定位置时，比例阀才开始工作。缸G2为从动缸，位移传感器分别检测两缸的位置信号，然后进行比较，经放大电路放大后，通过偏差信号(电流)实现对缸G2进行补油或放油的功能，直到双缸达到同步要求。

图1 液压双缸同步系统工作原理

2 双缸同步数学模型的建立

由图1可知，比例流量阀1、2分别接收触发、调节信号，达到双缸初步同步。因此缸G1为主动缸，缸G2为从动缸，改变指令信号(电压)即可改变两缸的速度。通过对其建立数学模型(图2)并仿真，来进行系统动态特性的分析。

图2 双缸同步系统模型框架

在一般环境下液压缸系统没有弹性负载(即K=0)，且在系统中没有负载干扰力项(FL=0)，则系统框图可简化为：

(1)

式中A1——液压缸有杆腔的面积；

Ce——外泄漏系数；

Kc——阀的流量压力系数；

wh——液压无阻尼固有频率；

εh——液压阻尼比。

2.1 伺服比例阀模型

伺服比例阀选用MOOGD-633型，阀口流量系数Cd=0.38。其传递函数可由样表查得：

(2)

式中rc——阀芯与阀套间隙的行向间隙；

W——阀面积梯度；

μ——油液的运动粘度。

2.2 液压缸模型

液压双缸同步系统动态分析经常在零位工作条件下，此时其增量和变量相等，因此阀的线性化流量方程为：

QL=KqXv-KcPL

(3)

液压系统中动力元件的连续流量方程为：

(4)

式中Ctp——液压缸的总泄漏系数。

液压系统中液压缸的输出力与负载的平衡方程为：

(5)

式(2)～(5)完整地描述了阀控液压缸的动态性能，对其拉式变换并消去中间变量，其中由于负载特性为惯性负载(K=0)，Bp一般很少可忽略不计，所以简化得到最终液压缸活塞的总输出位移是：

(6)

而指令输入为V、X时的传递函数为：

(7)

所以液压缸-负载的传递函数为：

(8)

其中，ωh=628。

取μ=1.4×10-2Pa·s，rc=5×10-6m，而全开口阀W=3.14d=22.6mm，即得Kce=65.84×10-12(N·m/s)，所以εh≈0.214。则液压缸传递函数数学模型为：

(9)

液压双缸同步系统选用的位移传感器为SGC-2型光栅尺，其放大系数Kf=100。

3 仿真与分析

仿真时所选用的各仪表参数为：伺服比例阀选用MOOGD-633型，阀芯开口是矩形，液压缸的型号是MOB80×800-FA，无杆腔的有效作用面积A1=0.038m2，有杆腔A2=0.027 7m2，面积比m=0.73，总行程L=0.8m，液压缸负载质量M=75kg，粘性阻尼系数B=800N/m[2]。对液压双缸同步系统进行Matlab仿真得到的系统闭环bode图如图3所示。

由图3可知，此伺服比例阀控制的液压缸闭环响应频宽为35.5Hz，响应速度较快[3]。仿真结果可知此系统与实验所得的数据相似，故可证明该系统的数学模型是合理的。

图3 液压同步系统闭环bode图

4 结束语

液压同步系统采用闭环控制，用反馈的功能来减少误差，因此与液压缸行程相关的累积误差将不会出现。系统中采用的伺服比例阀安装在支路上，通过伺服比例阀的流量合适，因此液压缸的同步性有较大的提高，且整个系统的响应速度加快。系统中的比例流量阀对液压缸的同步性进行了初步的调节，所以即使是伺服比例阀控制系统突然失效，也可对其起到保护作用。