含有蓄能器的液壓伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真設(shè)計(jì)

　　摘要:該文以一類(lèi)常見(jiàn)的電動(dòng)液壓能源為對(duì)象，建立了含有蓄能器的電動(dòng)液壓能源的仿真模型，并對(duì)能源的啟動(dòng)特性以及負(fù)載工作所要求的多種信號(hào)的跟蹤能力進(jìn)行了仿真分析。

　　關(guān)鍵詞:液壓;伺服系統(tǒng);蓄能器;設(shè)計(jì)

　　0引言

　　航天用液壓伺服系統(tǒng)的質(zhì)量、體積有著嚴(yán)格限制，而對(duì)能源系統(tǒng)的功率需求呈上升趨勢(shì)，工作時(shí)間也在不斷加長(zhǎng)。伺服系統(tǒng)實(shí)際工作在近似絕熱狀態(tài)，因此單純?cè)龃笠淮文茉吹墓β蕛?chǔ)備和工作時(shí)間都面臨著嚴(yán)重的發(fā)熱問(wèn)題。分析伺服系統(tǒng)實(shí)際功率需求，峰值功率需求往往持續(xù)時(shí)間很短，最大負(fù)載力矩和最大負(fù)載速度通常并不同時(shí)出現(xiàn)。因此小功率電動(dòng)液壓能源通常采用蓄能器，依靠蓄能器提供峰值功率和流量，具有簡(jiǎn)單、可靠，容易并聯(lián)使用等優(yōu)點(diǎn);在設(shè)計(jì)合理的情況下，可以大幅度降低系統(tǒng)發(fā)熱和對(duì)一次能源的功率需求，因此建立反映蓄能器和能源系統(tǒng)壓力流量特性的動(dòng)態(tài)仿真模型，并據(jù)此對(duì)系統(tǒng)要求的各種動(dòng)態(tài)信號(hào)的能力進(jìn)行考核和分析，對(duì)能源和整個(gè)伺服系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)和特性優(yōu)化會(huì)有很大的幫助。

　　1蓄能器的數(shù)學(xué)模型

　　充氣式蓄能器理想氣體的狀態(tài)方程:蓄能器在工作時(shí)，壓力從p1降到p2時(shí)，能夠輸出的油液體積ΔV:ΔV=V0p1/n0[(1/p2)1/n-(1/p1)1/n]蓄能器動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型則為QA=(VA/KA)(dpA/dt)式中pA———蓄能器內(nèi)氣體壓力;QA———蓄能器輸出流量;KA———蓄能器內(nèi)氣體的彈性模量，KA=npAO;pAO———蓄能器內(nèi)氣體壓力的穩(wěn)態(tài)值;VA———蓄能器內(nèi)氣體體積的穩(wěn)態(tài)值。

　　2數(shù)學(xué)仿真

　　以某伺服系統(tǒng)配套電動(dòng)液壓能源的設(shè)計(jì)為例，完成方案設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)的基本參數(shù)。

　　2.1能源啟動(dòng)特性的仿真計(jì)算

　　建立仿真模型:模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化:(1)蓄能器簡(jiǎn)化為初始狀態(tài)的積分環(huán)節(jié);(2)恒量泵依據(jù)100℃時(shí)的額定流量簡(jiǎn)化為恒流源，電機(jī)和油泵的動(dòng)態(tài)用時(shí)間常數(shù)為0.1s的慣性環(huán)節(jié)表示;(3)2臺(tái)作動(dòng)器的泄漏量總計(jì)0.8L/min，用一個(gè)負(fù)的恒流源表示;(4)溢流閥簡(jiǎn)化為一個(gè)條件開(kāi)關(guān)，其動(dòng)特性簡(jiǎn)化為0.1MPa的滯環(huán)。額定情況下能源的建壓時(shí)間小于3s。

　　2.2含有蓄能器的液壓伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真計(jì)算

　　為了考核系統(tǒng)工作壓力在持續(xù)大流量輸出時(shí)的變化情況，全面仿真系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟蹤能力。為了能夠反映能源壓力與伺服閥流量間的關(guān)系，對(duì)作動(dòng)器模型進(jìn)行處理:(1)只考慮伺服閥的壓力輸出特性，其上限為電動(dòng)液壓能源的蓄能器壓力;(2)伺服閥的額定壓力增益為2MPa/mA。

　　2.3仿真結(jié)果分析

　　在負(fù)載條件下，液壓伺服系統(tǒng)啟控后1s內(nèi)，作動(dòng)器以40°/s的最大速度往復(fù)一次運(yùn)動(dòng)并伴有一定高頻運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)液壓能源的功率能夠保證跟蹤。泵的輸出功率:WO=pO×QO×η=0.94kW驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需的最大瞬時(shí)功率:WO=N×ω=2.3kW蓄能器提供了56%以上的瞬時(shí)功率，使用效果是明顯的。

　　3試驗(yàn)驗(yàn)證

　　為驗(yàn)證含有蓄能器的液壓伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真結(jié)果，選用了3套0.95kW的小功率電動(dòng)液壓伺服系統(tǒng)，按仿真計(jì)算情況分別給2臺(tái)作動(dòng)器加±0.5°/4Hz正旋信號(hào)、±0.5°/8Hz正旋信號(hào)、3°/0.25Hz方波信號(hào)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)壓力并分析。通過(guò)數(shù)學(xué)仿真測(cè)試和產(chǎn)品的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，可以看出兩者數(shù)據(jù)接近，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)仿真模型的有效性。

　　4結(jié)論

　　蓄能器作為可提供瞬時(shí)功率的儲(chǔ)能元件，能夠大幅度降低對(duì)伺服系統(tǒng)一次能源的功率需求，有助于減小系統(tǒng)發(fā)熱。在對(duì)含有蓄能器的伺服系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)，作動(dòng)器的跟蹤能力和能源的壓力流量特性之間具有密切的關(guān)系，應(yīng)結(jié)合指令信號(hào)綜合考慮。因此，建立適當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)仿真模型有助于更準(zhǔn)確地對(duì)能源的功率儲(chǔ)備進(jìn)行分析和評(píng)估。

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　　機(jī)械論文投稿刊物：《機(jī)床與液壓》自創(chuàng)刊以來(lái)，一直以專(zhuān)業(yè)的視角，不斷跟蹤機(jī)電、流體傳動(dòng)科技的最新發(fā)展，全面介紹制造技術(shù)與裝備、液壓、氣動(dòng)和控制技術(shù)的發(fā)展和研究成果及其在生產(chǎn)制造、機(jī)電工程設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用;報(bào)道有關(guān)機(jī)電技術(shù)的專(zhuān)題綜述、技術(shù)講座、國(guó)內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)及最新信息，同時(shí)也介紹設(shè)備使用維修、技術(shù)改造等方面的經(jīng)驗(yàn)。

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