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成绩：移动式机械的柔性液压工作系统摘要：本文针对移动式机械提出了一个新型的液压工作系统构架。负载传感，流量控制以及中位全开合并成了一个常见的系统类型。提出的这个系统是可配置的，操作者可以实现任何标准系统的特性而不损害能效。这可以在连续运转时实现。电子控制的变量泵供应这个系统，其中也用到了传统的中位关闭滑阀。泵的控制方法会在文中详细解释。实验的结果论证了一个关于流量匹配问题的解决方案以及在不同控制模式时静态和动态的区别。关键词：移动式液压技术；动力学；能源效率；泵控制器1.前言近几十年液压传动系统已成功地应用于移动式机械。由于机械的多功能性，针对不同的用途已开发出不同的液压系统。液压系统的重要性能包括能源效率，可控性，减幅以及系统复杂性。液压工作系统的选择通常是这些性能的折中。这篇论文提出了一个节能且灵活的液压工作系统。关于这个系统，它有可能在运转时改变静态和动态特性以适应一个特殊的机械，工作循环或操作者。在移动式液压系统领域，一个热门的研究题目就是消除控制阀并将一个泵用于每个执行机构。多种概念已被发展，包括泵控制的执行机构(RahmfeldandIvantysynova2001,Heybroek2008)，液压变压器(Achtenetal.1997)以及2/21电动静液作动器(GommandVanderlaan2009)。在移动式机械中这些系统还没有普遍投入市场，但也是可以找到的，例如航天产业(RaymondandChenoweth1993)。相对于单泵系统，无阀系统提高了能源效率，尤其是多种功能同时起作用时。然而，有一点必须得考虑的是无阀系统或许会要求很少的阀来操作，例如，非对称气缸驱动以及满足安全要求(WilliamsonandIvantysynova2007,Heybroek2008)。此外，因为在无阀系统的概念中所有执行机构都有自己专用的泵，每一个都得分尺寸以易于控制最大速度。在单泵系统中，泵可以被简化，因为每一个负载都同时以全速驱动并不常见。由于这些原因，总的安装排量趋势是无阀系统高于单泵系统。不同于这些无阀概念，本文关注的是单泵系统。在移动式液压系统研究中另一个有趣的地方是换向阀的进油调路回路和回油调路回路的孔口的系统是解耦的。在学术界和工业上，许多针对单独计量系统的配置已开发出来了(Eriksson2010)。然而，类似于无阀系统，在移动式机械中这些系统还没有普遍投入市场，主要是因为控制复杂以及成本问题。在这篇论文中，关注点是使用传统滑阀的系统。2．移动式液压工作系统现今，大多数移动式机械的液压工作系统是通过中位全开阀和定量泵来运转。这种系统相对而言比较简单，粗糙而且性价比高，但通常低效能。这些系统有负载干涉，这意味着一个负载的压力等级很大程度上影响着其他执行机构的速度。此外，流速不仅取决于阀芯位置，也取决于负载压力，通常涉及到负载依赖项。从可控性角度来说，这通常被认为是一个缺点。从动态学角度来说，负载依赖项使系统有一个大的减幅，这意味着系统很少有振动趋势。当控制大3/21惯性负载时，减幅是首选的性能，例如一个移动式起重机的摆动功能。通过持续改变它们的压力使其高于最大负载，负载传感系统相对于中位全开系统提高了能效。这意味着在一个确定的流量时有一个特定的阀芯位移结果，这个结果独立于负载压力。这对于使用压力补偿器时负载同时运转的情况也是成立的。压力的不灵敏性使负载传感系统在低惰性负载时很容易操控速度或位移控制。然而，对于高惰性负载，会由于低减幅使操作变得不平稳。此外，泵的闭环控制模式可能会导致平稳问题(Krus1988)。这来自于Andersson(1980)早前对于负载传感系统的说法。为了提高能效的同时仍保持负载依赖项和大的减幅，基于变量泵和中位全开阀的系统已被开发出来，即负控制(Andersson1997)。其可控性类似于中位全开系统。功率损耗通常高于负载传感系统，但由于有变量泵，所以并不像中位全开系统的功率损耗那么高。然而，中位全开变量泵系统有功率损耗而负载传感系统没有。液压机械泵控制器的前一步是用一个电子控制泵。这样使实现一个电子负载传感系统成为可能(Hansenetal.2010)。另一个可能性是基于操作者的指令信号而不是负载的反馈信号来控制泵排量的设置。一个系统解决方案是根据所有要求的负载流量的总和来控制泵排量的设置，这涉及到流量控制。相比负载传感，流量控制的优点是由于在大部分操作处有个减小的压力裕度从而有更高的能效(Djurovic2007)以及由于是开环控制所以有更好的动态特性(Latour2006,Finzel2010)。然而，流量是静态压力独立于流量控制系统，会使系统只有一个小的减幅(Axin2013)。这是Axin等人关于流量控制系统的评论。关于使用补偿器的流量控制系统通过换向阀来控制完全的流量，存在一个4/21问题是流量匹配(ErikssonandPalmberg2010)。泵的流量必须与所有负载流量的总和相持平。泵流量过低：在最高负载时补偿器阀芯将会完全打开，从而导致负载速度下降。泵流量过高：不仅补偿器阀芯会关的更紧，而且泵的压力会升高直到系统中的减压阀打开。许多研究已提出了怎样解决这种流量匹配问题(FeddeandHarms2006,Djurovic2007,Grosbrinketal.2010,Xuetal.2015)。这些解决方案包括附加传感器或给水槽加一个泄水阀。另一种解决方案是使用流量分担压力补偿器，干扰全部的泵流量从而使每个阀门打开(FinzelandHelduser2008)。然而，在一些用途中，当泵饱和时它并不需要分配流量。此外，流量分担补偿器使最大的负载妨碍了所有较轻负载。3.柔性液压系统就像前几节所描述的，不同的液压系统有不同的系统特性。在一些用途中，当要求高能效和控制能力的精确位置控制时，需要高减幅个平稳控制比其他性能更重要。这篇论文提出了一个使用电子控制变量泵的柔性系统的解决方案。它不仅能实现中位全开，负载传感以及流量控制，而且也是这三个系统的混合。其中使用了传统的中位关闭短管阀，这样会有高能效。4.泵控制器在柔性液压工作系统中泵控制器的使用见图1。传感器测量泵压力，最大负5/21载压力，轴速以及泵排量布置。操作员者给电子控制器的输入信号是压力和流量指令。因此有可能在没有任何系统反馈信号时实现在一个闭环回路中控制压力和在一个开环回路中控制流量。5.负载传感和流量控制的组合负载传感和流量控制分别有它们各自的优缺点。负载传感的一个缺点是泵控制器是闭环控制增益的一部分(Krus1988)。提高泵的响应时间将会减小整个系统的稳定裕度。流量控制没有此类问题，但又有其他问题。例如，将流量控制泵和传统的压力补偿器组合问题仍存在疑点(ErikssonandPalmberg2010)。在此(Axinetal.2014b)提出的解决方案是结合压力和流量控制从而在利用这两个系统优点的同时避免他们的缺陷。其他的研究者也提出了类似的想法。GrosbrinkandHarms(2009)andGrosbrinketal.(2010)研究出一个由控制流量的电子液压阀和控制压力的液压机械阀组成泵控制器。一般会选择这种两个控制器中泵最小排量。这意味着泵控制流量将和泵需要流量不高时那样久。如果电子液压控制器需要泵中的流量多于阀可控制的，压力将会上升，图1.电子泵控制器测量泵的压力，最大负载压力，转换泵控制器将会自动转换到压力控制6/21速度以及排量布置。操作者输入的是压力和流量指令。模式。Xuetal.(2012)和(2015)已研究出了一个类似的方法。不同之处在于流量和液压控制是通过电子液压来实现。这两种方法都将流量控制作为首选控制模式而压力控制作为一种安全控制模式。转换控制器或许会像Xuetal.(2015)展示的那样引起稳定问题。Hansen(2009)andHansenetal.(2010)提出了一个有压力控制器的电子负载传感设计，以附加的操纵杆指令信号供给前面装置。图2.本文所使用的电子控制器的原理图。输出信号接收来自压力控制起和流量控制器的影响。操作者设定的参数σ决定了会从控制器的压力和流量部分产生多少影响。这篇论文打算总结流量控制器和压力控制器是为了获得压力和流量的共同影响。此外，对操作者来说选择应该分别从流量和压力控制器部分受到多少影7/21响是可能的。这里用了一个参数σ，见图2.σ=1结果是纯压力控制器，σ=0结果是纯流量控制器。而0σ1结果是压力和流量控制的联合。因此有可能控制泵不间断的从压力控制到流量控制。通过运用压力和流量联合控制，泵排量布置一部分决定于负载压力反馈，一部分决定于流量控制信号。低的负载压力反馈增益可用来解决流量匹配问题。当泵需要太多的流量而且系统压力升高，压力控制器将会减小泵排量设置，从而避免产生不必要的压力。此外，因为压力控制器只能给位移控制阀体工一小部分输出信号，所以就有了稳定裕度。6.中位全开和流量控制的组合虽然流量控制相比泵控制器没有稳定性问题，但其减幅通常很低。提高减幅的一个方法是想系统中引入一个负载附加项。中位全开系统在中位全开通道方面有这个负载依赖项。然而，损耗通常也很大。改成一个变量泵但仍保持中位全开阀提高效率(Andersson1997)。本文打算通过使用电子控制泵和中位关闭阀来模仿传统的中位全开系统的运行状况。相比使用中位全开阀的变量泵系统这将很大程度上提高能效。8/21图3.所提到的使用流量控制泵的系统解决方案。ξ=1，中位全开模式，ξ=0，流量控制模式，0ξ1，两种模式之间。在提议的解决方案中，通过控制变量泵真实再现了中位全开的流量。在传统的中位全开系统中，通过中位全开通道的流量可从测量泵压力计算出来，还有一个根据方程式（1）建立的在中位全开通道开区域的模型。际通过中位全开路径的流量将会从泵的最大流量比率中减去。当无阀活动时，相关流量是零。这可以和所有流量通过中位全开通道时做对比。开动一个阀将会减少实际中中位全开通道中的开区域，因此允许泵供给其一个小的流量，提高泵的压力。在一个特定的压力级，相关流量将会寻求到平衡，仅补偿它自己的泄漏量。激活更多的阀将会继续提高压力直到泵的压力变得高于负载压力。然后就会有一个流量流向负载。大幅度提高阀芯行程将会9/21减少实际中中位全开通道的开区域，这意味着提高了来自泵处的流量。当阀完全打开时，泵将会达到最大排量，将所有流量都输向负载。恰好一个传统的中位全开系统有同样的工作原理，虽然已达到了全液压而不是电控制。自从使用了电控制，使一个实际的中位全开通道有一个任意的模型成为可能。例如，持续降低它从而减少负载依赖项将会成为可能。在此提出了一个参数ξ，它是实际流量的一个增加系数。ξ同时也会改变给系统的输入信号，见图3.输入信号将决定于操作者给操纵杆的指令信号，而不是达到最大流量。一个极端的例子就是当完全没有负载依赖项存在时，ξ=0，结果就是一个流量控制系统。通过改变ξ的值，有可能实现一个有中位全开特性的系统，一个流量控制系统或介于两个系统特性之间的系统。7.中位全开和负载传感的组合在传统的中位全开系统中，操作者通过开动阀来控制泵的压力。泵的压力决定于中位全开通道的开区域和中位全开流量的大小。本文提议通过变量泵来控制泵压力。和在前面章节所用到的中位全开通道的开区域实际模型相同。通过测量电流泵排量布置和旋转速度来计算通过中位全开通道的实际流量，见方程式（2）。然后根据方程式（3）可计算出泵压力。当没有阀活动时，相关泵的压力接近于零。这是一个传统中位全开系统中所有流量都通过中尉全开通道时的例子。开动一个阀将会减少中位全开通道的10/21开区域，提高相关泵的压力。在一个特定的压力级，将会达到平衡，泵将仅补偿它本身的泄漏。然后泵排量布置将接近于零，这表示所有的流量仍通过中位全开通道。开动的阀越多，压力就持续增大，直到知道泵的压力高于负载压力。然后会有一个流量流向负载，甭排量布置将提高来支撑压力。根据方程式（2），这将减少实际的中位全开流量。大幅度提高阀芯行程将会减少实际中中位全开通道的开区域以及世纪的