液压绞车系统分析及性能研究-基于二次调节技术

杨存智，李富柱，常彦伟
(江苏师范大学机电工程学院，江苏徐州221116)

摘要：建立了由限压式变量泵供油、蓄能器储能、电液比例伺服阀控变量液压马达的液压绞车容积调速系统。利用AMESim软件，建立了液压绞车比例伺服控制系统仿真模型，利用该模型对系统的性能进行仿真研究。结果表明:该调速系统具有很好的速度跟踪特性、较高的速度控制精度以及较好的系统工作稳定性，同时具有显著的节能效果。

关键词：液压传动与控制;二次调节技术;液压绞车;AMESim仿真

DOI:10.3969/j.issn.1001－3881.2016.04.015

收稿日期:2014－12－29 
基金项目:江苏师范大学科研基金重点项目 (14XLA11) 
作者简介:杨存智 (1966—)，男，硕士，副教授，研究方向为液压与气压传动及其控制。E－mail:cunzhiyang66@126.com。

节能技术现在已运用于现代工业的各个领域。传统的液压绞车大都采用变量泵控定量液压马达容积调速系统。该调速系统虽然具有优越的防爆性、良好的容积调速、恒定的扭矩输出、无节流损失和溢流损失、体积小结构紧凑等优点，在煤矿井下斜井提升中得到广泛应用，在金属矿山及其他工程领域作为非防爆提升设备也得到一定程度的推广，但还存在系统发热量大、效率低、能量不能回收、泵的流量和压力必与马达相匹配等问题。

近年来二次调节技术在液压控制领域已开始应用和发展。二次调节技术是指对工作于一个或一组压力耦联的恒压网络中执行元件进行调节与控制，实现能量的转换与传递。该技术使液压系统具有较高的控制性能，并可实现能量回收与再利用。作者把二次调节技术应用于液压绞车容积调速系统，从而形成了限压式变量泵与比例伺服阀控变量液压马达相结合的防爆液压绞车电液比例伺服调速系统，该系统在具有传统液压绞车各项优点的同时，能减少能量消耗、提高效率，达到理想的节能效果。

变量液压马达伺服控制液压绞车工作原理如图1所示。

图1　绞车液压及控制系统工作原理图

该系统主要由限压式变量泵、比例伺服阀控变量液压马达容积调速系统、变量液压马达驱动的绞车滚筒加载系统、调压回路及储能装置等部分组成，采用变量油缸位置反馈和液压马达速度反馈的双闭环控制系统，以提高系统的控制精度。

系统采用限压式变量泵给变量液压马达提供液压油，其流量压力特性曲线如图2所示。当液压泵出口压力小于pB时，其实际输出流量按AB线变化;当液压泵出口压力大于pB时，其实际输出流量按BC线变化。在AB线上，随着液压泵出口压力的变化其排量不变，只是随着压力的增大，泄漏量增大，实际流量有所减少;在BC线上，随着压力增大，液压泵的排量减小，流量减少，当压力达到pmax时，排量减小到0，流量为0，这时液压泵不给液压系统提供液压油。单向阀6的作用是把液压泵和工作部分隔离开，防止液压马达工作时压力变化对液压泵产生影响。

图2　限压式变量泵流量压力特性曲线

比例伺服阀控变量液压马达容积调速系统主要由电液比例伺服阀12、变量油缸11、变量马达13及控制部分组成。由给定信号21设定液压马达的转速，该信号与马达转速传感器14的反馈信号进行比较后通过控制调节器19，再与变量油缸位移传感器10的反馈信号比较，作为电液比例伺服阀12的输入信号，控制变量油缸11的位置，从而控制变量马达13的斜盘或缸体角度的变化，以调节变量马达的转速与转动方向，从而控制绞车的运行速度和运行方向。采用电液比例伺服阀是因为该阀是一种高性能但价格介于伺服阀和普通电液比例阀之间的控制阀，具有较高的控制精度、良好的动态和静态特性。绞车由滚筒、提升钢丝绳和提升载荷组成，由变量液压马达驱动，提升货载。变量液压马达的进口压力由电磁溢流阀8和远程调压阀9控制和调节，当系统不工作时，也可由电磁换向阀使系统卸压。

储能装置采用液压蓄能器。开始提升时，由限压式变量泵提供液压油使马达工作提升货物，下放货物时，液压马达在载荷的作用下以液压泵的工况工作输出液压油，液压能储存在蓄能器中，当再次提升货物时，可由限压式变量泵和蓄能器共同给液压马达供油，蓄能器在下放重物时储存的液压能可重新利用，减少了系统能量消耗。

用AMESim软件，建立变量马达驱动的液压绞车仿真模型如图3所示。此仿真模型的限压式变量泵的流量压力特性曲线如图2所示，其中qmax=55L/min，拐点压力pB=18MPa，pmax=20MPa，机械效率为0.95;变量液压马达选用低速大转矩液压马达，其排量为400mL/r;绞车滚筒直径为600mm，提升货物质量400kg，沿倾角为30°的斜面布置;蓄能器容积为200L，充气压力为18MPa;惯性负载转动惯量为20kg·m2。

图3　仿真模型

图4是液压马达速度跟踪仿真曲线，总仿真时间为300s，包括3个连续的提升和下放货载的工作循环过程。每一个工作循环过程为100s，马达转速按曲线1所示的匀加速→匀速→匀减速→匀速→匀加速的五段速图给定，前50s液压绞车提升货物，后50s液压绞车下放货物。

可看出:在液压绞车启动时，由于没有制动系统的参与，液压泵给液压马达供液的同时还要给蓄能器充液，这时液压马达没有建立起足够的启动转矩提升货物，所以在负载的作用下绞车有一个下滑过程;当液压马达建立起足够的转矩后，液压绞车才开始提升货载，提升速度滞后于给定速度，但提升加速度比给定加速度大，直到运行速度达到了给定的匀速提升速度。随后液压绞车按给定的速度信号曲线运行。由曲线2可看出液压绞车提升速度能跟踪系统的给定速度变化而变化，只是由加速或减速运行过程转为匀速运行过程中有很小的速度超调，后面两个循环过程由于液压系统已建立了足够的工作压力所以没有第一个循环开始时的下滑现象。说明该系统有很好的速度跟踪性能，能满足低速大惯量系统对速度控制的要求。

图5是液压绞车提升高度变化仿真曲线。可以看出:启动时液压绞车有一个下滑过程，但下滑距离很小;当液压马达建立的转矩能够克服绞车负载时，液压绞车才开始上提货物;提升过程中高度变化曲线比较光滑，没有突变，说明其运行稳定性很好。如果运行前给蓄能器充液并与制动系统协调配合，下滑问题可以很好地解决。

图4　液压马达速度n曲线

图5　绞车提升高度h变化曲线

图6　是速度跟踪过程中流量、压力变化仿真曲线。可看出:在液压绞车开始提升加速阶段变量泵的流量达到了近50L/min，随着压力升高液压泵的流量下降，在这过程中，液压泵通过单向阀既给变量马达供油，又给蓄能器充液，流量较大;在第一循环匀速提升段，液压泵还是既给液压马达供油，又给蓄能器充液，泵的流量减少，但变化比较平缓;在提升减速段，液压泵的流量下降很快，供给液压马达的流量逐渐减少而给蓄能器的充液流量逐渐增大，直到液压马达流量减小到0，液压绞车停止提升，这时货物被提升到最高位;停止提升后接着液压绞车开始加速下降，加速下降时的流量变化与减速提升过程相同，液压马达反转，以液压泵的工况工作，这时相当两个液压泵给蓄能器充液，系统压力升高，限压式变量泵流量减小，当压力达到限压式变量泵的最高压力pmax时，其流量减小到0。在匀速下降和减速下降过程中系统压力已超过限压式变量泵的最高压力pmax，其流量仍然为0，单向阀6(图1中)处于关闭状态，这时液压马达仍以液压泵的工况继续给蓄能器充液，系统压力继续升高，直到这一循环过程结束，液压马达工作压力达到最高，蓄能器充液量达到最大。(www.xing528.com)

图6　流量q、压力p变化仿真曲线

从第二个循环开始加速提升到匀速提升过程中，由于系统工作压力大于限压式变量泵的最高压力pmax，液压泵的排量为0，由蓄能器单独给液压马达供液使液压马达提升货物，在这一过程中液压马达的工作压力逐渐下降，当液压马达工作压力降到低于限压式变量泵的最高压力pmax时，限压式变量泵才开始给液压马达供液。由曲线1可看出在第二个循环过程中，限压式变量泵只在液压绞车上提结束之前和下降开始的一小段时间内供液，其他时间没有液压油排出。在第二个循环的匀速下降到减速下降过程中，液压马达又以液压泵的工况给蓄能器充液，储存液压能，系统压力又逐渐升高，直到第二个循环过程结束，液压马达工作压力又达到最高，蓄能器充液量又达到最大。第三个工作循环和第二个循环一样，绞车提升货载时由蓄能器给液压马达供液，下放货物时液压马达以液压泵的工况给蓄能器充液，储存液压能。限压式变量泵只是在压力降到低于其最高压力pmax，即液压绞车上提货物结束之前和下放货物开始的一小段时间内供液，其他时间没有液压油排出。说明该系统采用蓄能器对能量进行回收再利用，具有明显的节能效果，系统的效率较高。从系统压力变化曲线看，液压蓄能器使系统压力比较稳定，并能保护液压元件不受压力冲击的损害，可延长液压元件的使用寿命。

图7是液压绞车在速度跟踪过程中液压马达转矩和排量 (按最大排量的百分比表示)的变化仿真曲线。

图7　速度跟踪时转矩、排量变化仿真曲线

可看出:液压马达的转矩变化与其排量的变化相似，是因为液压马达的转矩与排量成正比。液压绞车在不同的提升阶段由于负载转矩不同，液压马达的排量也不同。例如在第二个循环过程中，第①阶段液压绞车加速提升货物，惯性负载和重力负载的方向相同，转矩最大，排量最大;第②阶段匀速提升货物，由于没有惯性负载，马达转矩有所下降，排量减小;第③阶段减速提升或加速下放货物，惯性力方向与重力方向相反，马达转矩明显减小，排量最小;第④阶段液压绞车匀速下放货物，和匀速提升货物一样没有加减速的惯性力，马达转矩基本稳定;第⑤阶段液压绞车匀减速下放货物，惯性力方向与重力方向一致，所以马达转矩和加速提升过程一样最大，马达排量最大。在一个循环过程中，由惯性方向的变化引起液压马达转矩和排量的明显变化。

(1)采用限压式变量泵供油、蓄能器储能、变量液压马达容积调速的液压系统，液压绞车具有很好的速度跟踪性能，同时液压蓄能器使系统压力比较稳定，能保护液压元件不受压力冲击的损害，延长液压元件的使用寿命。

(2)在下放货物时液压马达以液压泵的工况工作产生的液压能由蓄能器储存，在提升货物时蓄能器储存的能量释放供给液压马达使用，限压式变量泵在一个完整的工作循环过程中输出油液很少，功率消耗少，系统具有明显节能效果。

(3)因为系统有液压蓄能器储能和单向阀的隔离作用，所以液压马达的最大速度不完全取决于液压泵的流量大小，液压马达的最高压力也不完全取决于液压泵的最高压力，这样可显著减小液压泵功率。

参考文献:

［1］姜继海.二次调节压力耦联静液传动技术［M］.北京:机械工业出版社，2013.

［2］马登成，杨士敏，马登慧，等.二次调节技术在试验台加载系统中的应用研究［J］.中国机械工程，2014，25(11):1453－1459.

［3］姚树新，孔燕.二次调节静液传动系统的技术研究［J］.流体传动与控制，2014(3):31－33.

［4］杨存智，刘文艺.电液比例伺服控制容积调速系统仿真研究［J］.机床与液压，2012，40(13):170－171.

Research on the Hydraulic Winch System Performance Based on Secondary Regulation Technology

YANG Cunzhi，LI Fuzhu，CHANG Yanwei
(School of Mechanical and Electrical Engineering，Jiangsu Normal University，Xuzhou Jiangsu 221116，China)

Abstract：Hydraulic winch volume speed-modulating system was established.The components of this system included the limit variable-pressure oil pump，accumulator tank and variable hydraulic motor controlled by electro-hydraulic proportional servo valve.Using AMESim software，a hydraulic winch proportional servo control system simulation model was built，and the simulation research on the system performance was done.The results show that the speed-modulating system has good speed tracking feature，high speed control accuracy and systems stability，also has a significant energy saving.

Keywords：Hydraulic transmission and control;Secondary regulation technology;Hydraulic winch;AMESim simulation

中图分类号：TH137

文献标志码：A

文章编号：1001－3881(2016)4－048－3