非对称泵控单出杆液压缸实验方法研究王爱红;韦关龙;刘等卓;吕振峰;成杰【摘要】非对称泵是一种可平衡单出杆液压缸有杆腔和无杆腔不对称流量的新型高效节能元件,对消除或减少液压系统能量损失具有显著效果,故需要在现有研究基础上从原理、功能及使用等方面不断完善改进,以便于投入到工程应用中.由于非对称泵结构的特殊性,进行泵控单出杆液压缸台架实验设计是非对称泵在液压回路中使用的基础性研究.实验回路中,非对称泵A油口接单出杆液压缸有杆腔、B油口接单出杆液压缸无杆腔、C油口接蓄能器、利用DSpace控制非对称泵斜盘倾角,达到变量控制液压缸.理论和实验表明,非对称泵可以有效匹配单出杆液压缸有杆腔和无杆腔不对称流量,实现非对称泵控单出杆液压缸的有效节能控制.【期刊名称】《太原科技大学学报》【年(卷),期】2017(038)006【总页数】5页(P440-444)【关键词】非对称变量泵;单出杆液压缸;斜盘倾角;DSPACE【作者】王爱红;韦关龙;刘等卓;吕振峰;成杰【作者单位】太原科技大学机械工程学院,太原030024;太原科技大学机械工程学院,太原030024;太原科技大学机械工程学院,太原030024;太原科技大学机械工程学院,太原030024;太原科技大学机械工程学院,太原030024【正文语种】中文【中图分类】TH322负载敏感控制系统当几个执行器同时工作，只有压力最高的负载效率较高，其他负载用压差补偿会产生较大的节流损失[1]。

为了消除阀控系统的节流损失,原德国汉堡工业大学Monika教授在1998年提出将全泵控技术用于工程车辆上，以变量泵/马达为控制元件消除节流损失、实现能量回收利用[2]。

实验表明在轮式装载机上采用泵控差动缸液压系统，燃油消耗量可降低15～25%[3]，挖掘机采用泵控技术，可降低燃油消耗49% [4].国外Rexroth公司、美国Vickers公司、德国Aachen工业大学液压研究所、普渡大学、Hamburg工业大学等 [5-7]，国内哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、太原理工大学等对泵控技术都进行了相关研究[8-11]。

泵控单出杆液压缸需要用液压阀来平衡有杆腔和无杆腔的不对称流量，造成系统复杂。

非对称泵是一种可平衡单出杆液压缸有杆腔和无杆腔不对称流量的新型高效节能元件，对消除或减少液压系统能量损失具有显著效果，故需要在现有研究基础上从原理、功能及使用等方面不断完善改进，以便于投入到工程应用中。

非对称泵通过改变斜盘角的角度大小和方向实现排量大小和液压油流向的调整，从而对液压缸的举升和下降进行控制。

若转速不变，当非对称泵斜盘倾角为正值时,B 口和T口为出油口， A口为进油口，处于液压泵工况，液压缸举升货物。

当货物降落时,改变非对称泵斜盘倾角方向及大小，则 B口和T口为进油口、A口为出油口，非对称泵处于马达工况，进行势能回收，其原理如图1所示。

实验台主要部件包括由液压缸等组成的执行系统；由dsPACE、电液伺服阀等组成的控制系统；由电机组成的动力系统，由泵站等组成的供油系统；由扭矩传感器、位移传感器、流量压力传感器等组成的测试系统等部分，如图2所示。

控制系统原理为，在dSPACE上有模拟信号转数字信号A/D接口和数字信号转模拟信号D/A.位移传感器将电阻信号经电压转换后，将信号线接入dsPACE A/D接口，在电脑端中MATlab和Controldesk中既可以显示并保存位移电压信号；角度传感器输出匹配电压后，信号先经过A/D接口将信号转化成数字信号，该信号经PCI总线输入电脑，经过Controldesk与MATlab/Simulink闭环系统处理，将反馈信号经D/A转换后发送给电液伺服阀控制伺服阀的开度，继而改变斜盘角度，信号流如图3所示。

扭矩传感器发出的信号经过测量仪可以实时显示，同时通过RS-232串口可以直接和电脑进行数据传输。

当电脑发出指令后既可从测试仪中获得15位浮点数组数据，接线原理如图4所示。

蓄能器最低工作压力p1、最高工作压力p2、充气压力p0、充气体积V0、以及蓄能器有效工作体积ΔV为:ΔV =AL式中，A—液压缸活塞工作面积，为0.003 m2；L—活塞杆最大行程，为0.75 m，则ΔV为2.3 L.液压缸无杆腔压力pw1为:pw1=F/A液压缸需提供的顶推力F为10 976 N.则由式(2)可得pw1为3.5 MPa.由于液压蓄能器的最大压力应大于系统的最高压力,并考虑到蓄能效果，本试验选取6.4 L10 Mpa的蓄能器。

非对称泵输出功率为:P=ηppVpnp式中，P—泵的驱动功率，W； pp—液压泵的最大工作压力Pa，取泵额定压力的0.8倍； Vp—液压泵排量，mL/r; η—液压泵的效率，柱塞泵为0.9～0.95，np—液压泵转速，r/s.非对称泵排量为40 mL/r，将相关参数带入式(3)可得P=2.3 kW，则选择电机功率为2.5 kW.液压缸型号为HSGL01-63/DE,缸径63 mm,杆径45 mm，最大行程750 mm，推力49 870 N，拉力34 480 N.根据液压缸的行程选择了最大测量行程为800 mm的位移传感器，精度达到正负0.5%.调节泵站压力使其达到试验要求的1.5 Mpa.打开Controldesk和Dspace系统，确认输入角度数值为零；启动电机后微调非对称泵斜盘倾角，使非对称泵供油压力和负载压力平衡，液压缸处于相对静止位置。

在Controldesk系统中设置非对称泵斜盘倾角，使油液压缸开始举升，采集压力流量、位移、角度等数据。

当液压缸上升至顶端，改变非对称泵斜盘倾角，使油液压缸下降，图5为MATLAB/Simulink中控制斜盘倾角闭环反馈回路。

图6为非对称泵控单出杆液压缸±5°斜盘倾角时液压缸位移曲线，由图可知，液压缸在刚开始起升时有冲击，这与蓄能器瞬间释放压力有关，随后变平稳并以相同加速度上升。

下降过程同样稳定且速度更快，原因是上升时需要克服自重，下降时自重变成驱动力增大了液压缸下行加速度。

其上升和下降分别用时为17.46 s和8.963 s.图7为非对称泵控单出杆液压缸在±10°斜盘倾角时液压缸位移曲线，上升用时9.183 s，下降用时6.005 s，液压缸作业速度快于±5°斜盘倾角。

B口和T口的流量和压力一个起降工况的测试曲线如图8(a)、(b)所示，图8(b)中出现压力峰值(溢流阀设定安全压力值)，主要是由于液压缸到达极限位置时，由于非对称泵斜盘倾角正负转化和液压缸运行方向改变的不一致，造成非对称泵流量在过渡期间向蓄能器和有杆腔充油，导致压力上升最后从溢流阀流出。

同时，蓄能器的充放特性也会造成系统中压力脉冲。

图9(a)中可以看出在液压缸上升时B口和T口的流量分别为7 L/min和10 L/min，下降时流量变大，这与下降时速度较快有关。

对比斜盘倾角为±5°和±10°两种情况，可知大斜盘倾角时非对称泵控单出杆液压缸压力流量更稳定。

斜盘倾角为±5°和±10°时非对称泵功率曲线如图10所示，可知±10°斜盘倾角非对称泵输出功率大于±5°斜盘倾角，系统相应也更快。

基于Controldesk和Dspace系统的非对称泵控单出杆液压缸实验，验证了非对称泵控单出杆液压系统可以实现非对称变量泵对液压缸的位移和速度的有效控制，说明了该原理的正确性和可行性，为理论上的近一步完善和控制策略的改进提供了实验基础。

也为非对称泵控单出杆液压在工程上的应用做了试验台架上的测试。

【相关文献】[1] SH CHO, NOSKIEVI P. Position tracking control with load-sensing for energy-saving valve-controlled cylinder system[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2012, 26(2): 617-625.[2] M IVANTYSYNOVA. Variable displacement pump will be of great developmental potential[C]// lst IFK, Aachen, Germany, 1998: 359-371．[3] RAHMFELD R, IVANTYSYNOVA M. Displacement controlled linear actuator with differential cylinder- a way to save primary energy in mobile machines[C]//ICFP 2001: Fifth International Conference on Fluid Power Transmission and Control，2001: 296-301. [4] WILLIAMSON C, ZIMMERMAN J, IVANTYSYNOVA M. Efficiency study of an excavator hydraulic system based on displacement controlled actuators[C]// ASME Symposium on Fluid Power and Motion Control,Bath, UK, 2008.[5] RAHMFELD R．Development and control of energy saving hydraulic servo drivers for mobile machine[D]. Hamburg: Technische Universitaet Hambur7g, 2002．[6] WILLIAMSON C, LEE S, IVANTYSYNOVA M. Active vibration damping for an off-road vehicle with displacement controlled actuators[J]. International Journal of Fluid Power, 2009, 10(3): 5-16.[7] JROSE, IVANTYSYNOVA M. A study of pump control systems for smart pumps[C]// Proceedings of the 52nd National Conference on Fluid Power, 2011: 683-692.[8] 付永领, 张卫卫, 纪友哲. 电机泵阀作动系统的分级压力控制及效率分析[J]. 北京航空航天大学学报, 2011, 37(12): 1552-1556.[9] JIANG JH. Direct drive variable speed electro-hydraulic servo system to position control of a ship rudder[C]// 4th IFK,Dresden, Germany, 2004: 103-114.[10] 权龙. 转速可调泵直接闭环控制差动缸伺服系统的动特性[J]. 机械工程学报, 2003,39(2): 13-17.[11] 权龙，廉自生.应用进出油口独立控制原理改善泵控差动缸系统效率[J].机械工程学报，2005，41(3): 124-127.。