高压变排量数字液压缸驱动技术研究

代立明

（山西天地煤机装备有限公司，太原030006）

0 引 言

最新的液压驱动压力机不仅允许高的工作频率，还可以实现高负载及对运动或力的精确控制。此类驱动器的最新驱动技术可分为两大类：1）比例阀的阻力控制。通常配备用于降低损失的负载传感概念，用于较小力和中等力的系统。2）具有大排量和高功率需求的系统。例如，板坯定型压力机采用可变排量的主控制泵或由变速电动机驱动的泵。对于具有高压力、高功率和高频率要求的大型压力机，其主控制驱动器的主要缺点是：为了满足所需的流量，需要大量的可变排量泵。但是大量的泵与其电驱动器、必要的辅助设备相结合需要很大的安装空间。然而，这种额外的空间及压力机上或其附近的设备可能会给设计、操作、安装、维护和安全带来难题[1]。

1 概念示意

本文提出了一种处理这种大功率需求系统的改进概念，需要靠近压力机的可变排量单元数量少得多。图1（a）显示了一般布置。该概念将现场连续运行的可变驱动器与简单的数字液压缸单元结合在一起，这些数字液压缸单元从一个置于远处并连续输送流量的恒压供应系统中获得动力。切换引起的流量波动由靠近切换阀的蓄能器补偿，连续运行的子系统为模拟驱动器，可切换子系统为助力驱动器。后一个子系统分为两个助力驱动器，以高亮的区域表示，并标记为助力驱动I 级和II 级。每一个助力驱动器都由普通的3/2 方向转换阀和差动缸（CI和CII）组成，它们连接到由过程力F 加载的连接架上。其余的模拟驱动器由1 个差动缸CA、1 个变量泵P、1 个蓄能器和一些止回阀组成。此外，CI、CII和CA的环形腔室连接到公共回流管线。因此，正确的泵操作要求这些环型面积之和和CA的活塞面积相等。就像许多液压动力消耗高的生产工厂所做的那样，高压和低压的恒定压力供应可通过远程站实现。

图1 高压变排量数字液压缸驱动技术概念示意图

在基本控制策略的方面，只有以特定方式启动模拟和助力驱动器，才能在整个预期作用力范围内获得连续的作用力[2]。在2 个助力驱动器都禁用的情况下，可通过输入α（即泵排量）改变模拟驱动器及其相关的力来影响力分布（如图1（b））。一旦超过力的阈值，便会启用第一个助力器驱动器。在没有任何进一步干扰的情况下，假设差动缸有一个瞬时压力变化，由于助力的突然变化，合力FC=FA+FI+FII将会不连续。为了防止系统出现此类不良响应，模拟驱动器的压力必须在同一时间瞬间反转，以补偿不稳定的助力器性能。如果达到了模拟级和第一级助力器的可接受最大力水平，则可以对第二级助力驱动重复整个过程。假设助力驱动器可承受的力设计为模拟驱动器的2 倍，图1（b）描绘了理想的完整切换顺序。

2 建模与控制

图2（a）说明了模型的基本设置及其组件的布置，与第1 节中描述的概念设置相反。所应用的模型包括5 个大小相等的差动缸。因此，为了确保在泵的进口和出口处有适当的流量平衡，5 个气缸的面积比必须为1/5。此外，由于实际设备中力对称的原因，助力器由气缸对组成，由高亮的区域表示，并由带有输入u1和u2的切换阀驱动。系统压力和油箱压力PH和PL为理想的压力源，还可以用于止回阀限制泵的进出口压力大小。

由于助力驱动器是数字设备，可变驱动器是模拟设备，因此控制被分为几部分，但仍相互依赖。模拟驱动器由前馈部分和反馈部分组成。助力驱动器由开关逻辑（Switching Logic）控制。这种控制结构遵循基本功能原理，根据所需速度v 控制适当的旋转斜盘倾角来控制运动，如果需要更大的作用力，则打开助力器（如图2（b））。当然，系统的稳定性主要是受到流体可压缩性和其他系统缺陷影响。

前馈分量符合期望速度，反馈成分通过一个简单的PI结构和控制参数kP和kI将实际位置x 调整为所需的轨迹xd。暂时减小期望速度可以抵消助力的快速增加及在位置x 上产生的超调，这是通过在切换时刻叠加脉冲来实现的。由于更改期望速度时泵的速度限制，上述补偿功能可满足上述切换后果的抵消。宽度对应于助力驱动中的压力建立时间。因此，仅将矩形高度Ai作为新的控制参数。在实验过程中通过反复试验发现了合适的值。数字驱动器的切换阀的触发点（如图2（a））由切换逻辑确定。它的输入是过程力和当前位置，其参数是力和位置的阈值。

图2 数字液压驱动建模与控制

3 试验设置及结果

3.1 试验台架设置

与第2 节的系统模型相比，试验台具有一些明显的区别：首先，高压PH和低压PL的压力大小相互依赖。这种依赖性是由于在整个实验室中只用一个动力单元实现了低压压力pL的升高，从而提供了供给压力PS和储罐压力PT。高压PH设定为PS。如图3（a）所示，通过流量控制阀和卸压阀创建了低压PL。由于补油系统，溢流阀和流量控制阀的动态能力有限，由助力驱动器切换引起的PL突然变化会影响PH值，反之亦然。在工业驱动中，2 个压力将独立实现[3]。其次，过程力不是由材料成型过程产生的，而是由负载缸和前馈伺服阀施加的。相应的设置显示在图3（b）中。伺服阀输入是一个随时间变化的信号，由要求定义，以实现分别针对所需位置xd和速度vd的正确值Pload。最后，重要差异由传输线中的压降引起，尤其是助力驱动器的切换需要非常高的体积流量，由于传输线表现出容积约束行为，所有液压油流量供应线都会因瞬时流量需求而出现波动[4]。

图3 高低压试验台设置

3.2 实验结果

图4（a）显示了使用热轧板坯定型压力机按比例缩小的占空比进行的试验台测量。该占空比以正弦形变轨迹实现，选择起始点为x=50 mm，结束点为x=110 mm。同样，实际变形始于x=70 mm。期望位置与测量位置的比较显示出令人满意的一致性，误差小于3 mm。 如前所述，使用负载缸模拟锻造力。因此，相应的伺服阀控制流出的体积流量并因此控制负载压力Pload。实现最大过程力Fpr≈49 kN 需承受Pload≈15 MPa 的负载压力。如图4（b）所示的第1 行和第2 行，当助力驱动器都关闭时，在变形过程结束时会出现轻微的超调（e<0）。这是由于过程力和组合有效力减小速度不平衡引起的。如果过程力的减小速度快于合力，则压力机将超过其所需位置，反之亦然。必须指出的是，这个特殊的超调问题只是测试设备的特定问题，这是由Fload的实验模拟得出的。在实际工作条件下，锻造力始终与锻造深度和锻造速度协调[5]。因此，在该情况下，关闭助力驱动器后不会发生超调。

4 结 论

图4 热轧板坯定型压力机数字液压缸驱动试验结果

本文介绍了一种新颖的液压驱动器，该驱动器结合了可变排量控制和液压数字控制技术，可在较高的工作频率下提供较大的力和额定功率。试验台实验揭示了增压驱动器恒压供应系统的弱点。特别是在切换助力驱动器时，高压水平明显下降。该问题可以通过靠近切换阀的液压蓄能器及从蓄能器到切换阀的足够大的管路来克服。