大流量快速加壓系統(tǒng)蓄能器補流壓力控制回路的設(shè)計

0壓力的壓壓結(jié)構(gòu)及仿真環(huán)境儲能器是液壓機(jī)系統(tǒng)上的能量儲存裝置，主要用于輔助動力源。蓄能器按照加載方式的不同可以分為重力加載式、彈簧加載式和氣體加載式3大類。重力加載式在輸出液體的過程中可以得到恒定的液體壓力,但是體積大,非常笨重。彈簧式和氣體式蓄能器都有一個共同的特點,就是輸出壓力由蓄能器中液體的容積決定,在釋能的過程中壓力隨著液體的輸出而降低,常用的氣囊式蓄能器壓力變化是非線性的。這樣,在需要壓力由低到高或者恒壓以及其它要求精確控制輸出壓力的系統(tǒng)中,壓力控制成為應(yīng)用蓄能器的關(guān)鍵問題。本文將詳細(xì)介紹的蓄能器壓力的壓差控制方法就是這一問題的很好的解決方案。AMESim作為非常優(yōu)秀的仿真軟件,為流體、機(jī)械、控制、電磁等工程系統(tǒng)提供了一個較為完善的綜合仿真環(huán)境和解決方案。AMESim非常適合液壓傳動及控制系統(tǒng)與元件的建模,為液壓技術(shù)的創(chuàng)新研究和設(shè)計分析提供了很好的仿真平臺。本文應(yīng)用AMESim對蓄能器壓力控制進(jìn)行了系統(tǒng)建模,得到了合理的設(shè)計計算和滿意的仿真結(jié)果。1蓄能器壓力與充液體積的關(guān)系這里著重研究常用的氣囊式蓄能器的壓力控制,該控制方法對其它種類的蓄能器也適用。氣囊式蓄能器的工作原理:利用氣體的可壓縮性,靠封閉氣體的彈性變形儲存和釋放能量。當(dāng)進(jìn)入蓄能器中的油液壓力升高時,蓄能器氣囊內(nèi)的氣體受壓縮體積變小,儲存能量,同時蓄能器內(nèi)的油液體積增大。當(dāng)蓄能器內(nèi)油液壓力降低時,氣囊內(nèi)氣體膨脹,釋放能量,同時把油液擠出蓄能器。通常,氣體的壓力與體積的關(guān)系可用下式描述:pVnggn=Const(1)式中,p、Vg分別為氣體的壓力和體積,指數(shù)n在不同的過程下有不同的取值,一般等溫過程取1,絕熱過程取1.4。當(dāng)蓄能器中的液體體積為Vf,蓄能器總?cè)莘e為V0時,Vg=V0-Vf(2)則有p(V0-Vf)n=Const(3)圖1所示為蓄能器壓力與充液體積的關(guān)系曲線。若蓄能器預(yù)充氣壓力為10MPa,總?cè)莘e為20L,蓄能器的壓力p隨充入油液體積Vf的變化而變化,蓄能過程壓力非線性地由低到高上升,釋能過程壓力非線性地由高到低下降。2種低壓控制回路當(dāng)所需壓力pL與蓄能器壓力pA不同時,就必須對蓄能器進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)。對于一般的壓力變化,如恒壓、降壓過程等,通常的壓力控制是使用減壓閥,其回路簡圖如圖2所示。這種控制方法的壓力調(diào)節(jié)受減壓閥性能限制,壓力差(pA-pL)需在減壓閥工作范圍內(nèi)。而且,減壓閥使用時會帶來很大的節(jié)流損失和液壓系統(tǒng)的發(fā)熱。若(pA-pL)較大,減壓閥可能無法滿足調(diào)壓要求,例如圖3所示的壓力變化,pL由1MPa上升到30MPa,而pA在釋能過程中由50MPa下降到32MPa,這樣就在一開始需要使壓力控制閥產(chǎn)生近50MPa的壓降,這種情況下,使用減壓閥進(jìn)行蓄能器壓力控制就很難達(dá)到滿意的效果。壓差控制方法是結(jié)合液壓缸兩腔或增壓缸兩低壓腔壓力差,以其中一腔壓力為控制對象進(jìn)行背壓調(diào)節(jié),獲得液壓缸活塞桿輸出力或增壓缸高壓腔更高的可控壓力。圖4是使用增壓缸壓差控制的一種蓄能器壓力調(diào)節(jié)回路。系統(tǒng)按照表1中電磁鐵動作,可以實現(xiàn)增壓缸回推、蓄能器蓄能、蓄能器釋能工作。按增壓缸工作特性,在蓄能器釋能過程中有pL=(pA-pP)A1/A2(4)pP為比例溢流閥調(diào)節(jié)的背壓。這樣,輸出壓力就等于壓差pA-pP乘以一個增壓比α=A1/A2,不同的輸出壓力范圍,可以設(shè)計相應(yīng)的增壓比獲得。通過調(diào)節(jié)pP,就可以控制輸出壓力pL的大小。這種壓差控制方式非常適合于蓄能器作輔助動力源的應(yīng)用場合,如快速補充大流量、變載變速升降、液壓高速回路等。由于使用了增壓缸,可以根據(jù)不同的設(shè)計要求給出更大的壓力調(diào)節(jié)范圍,提高了蓄能器的壓力等級。利用比例溢流閥調(diào)節(jié)背壓來達(dá)到蓄能器壓力控制的目標(biāo),在降低了對液壓元件的性能要求的同時,提高了系統(tǒng)的控制性能,更容易實現(xiàn)精確的壓力控制。3增壓缸增壓控制仿真設(shè)系統(tǒng)最低工作壓力為p1,最高工作壓力為p2,蓄能器預(yù)充氣壓力一般可以從單位容積儲能最大、蓄能器重量最小、延長使用壽命等角度出發(fā)選擇,設(shè)為p0。作輔助動力源時,蓄能器的有效排油量ΔV按系統(tǒng)需求確定,蓄能器的總?cè)莘eV0可按下式計算:V0=ΔVp1n0[(1p1)1n?(1p2)1n](5)V0=ΔVp01n[(1p1)1n-(1p2)1n](5)式中,n為氣體多變指數(shù)。增壓缸的高壓腔工作容積ΔVSC按照執(zhí)行單元所需最大工作油量設(shè)計。一般地,增壓缸的高壓腔為柱塞缸,增壓缸的增壓比α=pL/(pA-pP)≥pL/pA(6)另一方面α=(qA+qs)/qL(7)qA+qs為增壓缸低壓腔輸入流量,qL為高壓腔輸出流量,即負(fù)載流量。為使qA盡量小,降低系統(tǒng)流量需求,在負(fù)載流量qL一定的情況下,應(yīng)使α盡可能小。設(shè)增壓缸的行程為s,低壓腔和高壓腔的活塞、活塞桿直徑分別為d1p、d1r,d2p、d2r,一般有d1r=d2p,d2r=0(8)這樣,就有α=A1A2=π4(d21p?d21r)π4(d22p?d22r)=d21p?d21rd22p?d22r(9)ΔVSC=π4(d22p?d22r)s(10)α=A1A2=π4(d1p2-d1r2)π4(d2p2-d2r2)=d1p2-d1r2d2p2-d2r2(9)ΔVSC=π4(d2p2-d2r2)s(10)確定工作容積ΔVSC和增壓比α,就可根據(jù)增壓缸尺度標(biāo)準(zhǔn)對缸的行程、活塞及活塞桿直徑進(jìn)行設(shè)計。圖5的AMESim仿真模型是針對一種應(yīng)用蓄能器的大流量快速加壓系統(tǒng)建立的,考查基于圖4所示回路和壓差控制方法的蓄能器壓力控制特性。系統(tǒng)主要仿真參數(shù)如表2所示,負(fù)載設(shè)定為彈性阻尼負(fù)載,壓力pL按圖3變化。增壓缸增壓比按α=3,高壓腔為無桿腔,工作容積按ΔVSC>3L設(shè)計。系統(tǒng)控制單元實現(xiàn)比例溢流閥壓力pP按式(11)pP=pA-pL/α=pA-pL·A2/A1(11)進(jìn)行背壓調(diào)節(jié),由蓄能器壓力pA反饋、比例溢流閥壓力pP反饋以及飽和函數(shù)等組成。系統(tǒng)仿真的負(fù)載壓力pL、蓄能器壓力pA、比例溢流閥壓力pP以及蓄能器輸出流量qA、增壓缸高壓腔輸出的負(fù)載流量qL等的仿真曲線如圖6、7所示。在本仿真模型中,設(shè)定的控制信號是線性的,彈性阻尼負(fù)載為勻速動作,負(fù)載流量qL基本恒定。從壓力仿真曲線看,雖然蓄能器壓力pA從21MPa降低到10.48MPa,但是在壓差控制策略下,比例溢流閥控制背壓pP相應(yīng)地以更大的幅度從21MPa下降到0.35MPa,同時由于增壓缸的應(yīng)用,系統(tǒng)輸出壓力pL從1MPa迅速上升到29.86MPa,基本與圖3的目標(biāo)壓力控制曲線相吻合。根據(jù)流量仿真曲線,負(fù)載流量qL達(dá)到157L/min,蓄能器輸出流量qA達(dá)到424L/min,也就是qL=(qA+qs)/α,在應(yīng)用增壓缸獲得高壓的同時是以犧牲流量為代價的。由仿真結(jié)果可以看出,基于壓差控制的蓄能器壓力調(diào)節(jié)方法可以很好地達(dá)到控制要求。盡管蓄能器在儲能、釋能過程中壓力變化是非線性的,而且釋能過程的壓力變化曲線與圖3所示的目標(biāo)壓力控制曲線相差非常大,但是,結(jié)合增壓缸,以比例溢流閥調(diào)節(jié)背壓的壓差控制可以得到滿意的蓄能器壓力控制效果,其可控制的壓力范圍也更大了。4基于amesim的系統(tǒng)建模與仿真本文提出了一種新的蓄能器壓力控制方法,并以典型的大流量快速加壓系統(tǒng)為對象,應(yīng)用蓄能器補流,結(jié)合增壓缸設(shè)計壓差控制回路和控制策略,進(jìn)行了基于AMESim的系統(tǒng)建模與仿真,得到了合理的設(shè)計計算