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摘要:為提升汽車裝載系統的控制精度和響應效率，提出一種液壓增壓控制平臺。針對壓力和流量控制機理，對平臺進行了功能和結構設計，主模塊包括負載增壓模塊、流量飽和模塊和負流量控制模塊等。在比例多路閥控制下，對閥口壓力和比例泵輸出特性進行了仿真和測試。結果表明，該平臺具有較高的可靠性和穩定性，增壓值與期望值的偏差低于5%。

關鍵詞:液壓系統;增壓控制;壓力;流量;模塊設計

0引言

汽車裝載過程承受著較大的載荷，動力主要依賴于液壓控制系統［1］，能夠方便地獲取所需的機械能。隨著液壓技術的發展，液壓系統的元件趨于高集成性［2］和低功耗性［3］，整個液壓傳動結構的設計對于車輛裝載的可控性和節能效果均有著重要的影響。由于汽車裝載標準逐年升高，用戶對于車輛裝載的穩定性［4］、控制精度以及功耗等都提出更高的要求。傳統的液壓裝載系統基于機械力傳遞目標來設計，缺少對負載敏感度［5］和流量飽和度［6］的精確控制，在特定情況下經常會出現執行機構響應效率低、振動劇烈、能量損失較大等問題。由此可見，具有較高壓力響應敏感度的液壓系統是非常有必要的。針對以上問題，文中提出一種汽車裝載增壓控制平臺，通過多路補償［7］系統的設計，提升壓力與流量的控制精度。

1液壓平臺設計

1.1設計要求

對于液壓系統，雖然不同的控制元器件功能不同，但運行時仍需要依據控制流程，協同工作才能發揮系統整體的可靠性和穩定性。因此，在裝載增壓平臺設計時，應結合流量控制、負載衡穩、出口增壓等功能進行結構改進。汽車裝載增壓控制平臺的設計要求如下:(1)除了滿足額定的裝載力矩和增壓比例之外，還應具備低功耗和高穩定性特性;(2)盡量采用感應技術和電控技術代替原有的機械控制方案，對于閥口信號的監測具備補償功能，避免溫度等因素的干擾;(3)泵體的流量控制混合使用節流法和容積法［8］，要求不但具備較高的響應效率和流量精準度，還需要保持良好的功耗狀態。

1.2負載增壓模塊設計

傳統的負載控制主要以回路中的預設值作為控制變量，參考值為最高負載下的變量泵輸出壓力，對于反饋控制很少涉及。但是，由于負載具有顯著的反饋敏感性特點，因此梭閥需要增加參照量響應元件，通過對變量泵自身功率的調節實現流量的控制，從而實現最終的輸出壓力不低于預設值。根據裝載液壓控制系統的功能特點，設計負載增壓系統的結構如圖1所示，可以看出，壓力可有效地實現閉環控制［9－10］，變量泵能夠根據流量要求不斷反饋壓力值，擺脫了溢流耗散問題［11］，功耗損失降低，這對于能量效率的提升有重要意義。負載增壓模塊中的反饋參數基于管路傳感器的測試結果，應優先選用動態特性良好的元件。負載增壓模塊作為液壓裝載系統重要的組成部分，能夠有效地響應液壓回路中較為劇烈的振動，弱化外界因素對壓力輸出特性的影響，能夠在起重機、叉車、挖掘機等工程車輛中得到良好的應用效果。

1.3流量飽和控制模塊

流量飽和控制模塊的結構如圖2所示，其主要功能為基于流量飽和度的控制來實現多路壓力補償。因此，在系統中增設多路聯動的壓力補償器，當回路中的壓力載荷超過預設值時，模塊開始進行節流操作，當不同的節點入口壓力偏差低于允許值時，再次分配初設值，使得出口壓力的壓力差同樣保持穩定，即入口壓差與出口壓差相匹配。根據流量飽和控制模塊的工作機理可知，油液在回路中經過執行器的實際流速與過流面積之間為線性關系，便于實現分布式控制和獨立控制的結合。為確保流量控制精度，增設溢流閥，將負載因素離散化，避免壓力偏差對閥口流量造成干擾，使其僅與閥口閉合度相關。

1.4負流量控制模塊

負流量控制模塊的結構如圖3所示，主要用于匹配變量泵流量信號與反饋信號之間的線性關系，其核心組成部分為液壓回路中的節流器。在該模塊的控制下，流量控制可以轉變為閉環條件。當傳感器檢測到單油路的流量變動值超過20%時，將反饋信號傳輸至控制器，進而與流量飽和控制模塊協調運行，最終將油液回路中的流量保持在許用范圍內。根據負流量控制模塊的工作機理可知，其能量效率較高，功率損失主要發生在旁路控制和負載響應。當裝載增壓系統工作時，將觸動變幅液壓缸的位移，使其發送引導性控制參數，進而帶動變幅聯主閥和比例減壓閥工作，使得閥芯朝上運動。負載增壓模塊所控制的油液在功率補償［12］作用下以增壓模式進入梭閥，此時，增壓元件將液壓油引入增加補償器內。當系統檢測到流量差值較大時，設定增壓器的前后腔為連通狀態，油液在輔助閥作用下以分支方式回流至變幅液壓缸。在負流量控制模塊的作用下，大大降低了梭閥對負載變化的敏感度。再次調節輸出壓力時，能夠直接接收負載壓力的反饋信號，調節變量泵的工作參數，實現負載壓力的穩定。

1.5比例多路閥設計

裝載增壓控制臺各個功能模塊之間的油路連接通過比例多路閥實現，其機械結構如圖4所示。比例多路閥的壓力與流量屬性是平臺性能仿真和測試的依據，其控制機理為泵體與閥體的聯合性功能補償，包括變幅和伸縮聯動機構的行程，功率補償等。當油路循環工作時，負載增壓模塊中的壓力補償器首先以最大功耗運行，隨后通過流量飽和控制模塊調節至理想的閥口壓力與泵口流量。比例多路閥具有傳感器接口和油路接口，對處于不同工作參數條件下的功能模塊均具有良好的控制效果。

2性能測試與仿真分析

2.1閥壓分析

主閥的輸入壓力和輸出壓力控制精度是衡量裝載增壓系統性能的重要指標。文中針對比例多路閥的機械特點，將各路功能模塊連接，得到管路與傳感器的連接結構如圖5所示。在試驗測試中，設定流程如下:首先開啟電液比例泵，使其在額定轉速下工作，設定先導壓力值并將油液增壓進入補償器，抵消外部重力和彈力載荷后流入節流器并到達主閥入口;然后在負載增壓模塊作用下持續提高入口壓力，當兩腔油壓接近平衡時，停止增壓;最后控制其他補償器管路接通，輸出壓力達到最大負載狀態，同步測量入口壓力、出口壓力和負載壓力，整個過程的液壓仿真可基于AMESim實現。壓力隨流量變化的測試與仿真結果如圖6所示，可以看出:入口壓力、出口壓力和負載壓力的控制精度較高，測試值與仿真值具有較高的匹配性，增壓效果與預期值差別很小，低于5%;當油液進入主閥口時，負載即達到了穩定值，響應效率非常高;在閉環控制條件下，整體壓力變化平穩，未出現載荷突變問題。

2.2比例泵輸出特性

在汽車裝載增壓控制臺中，比例泵的輸出特性能夠有效地體現系統最大承載性能，其在控制平臺中的安裝結構如圖7所示。在功能試驗測試中，設定操作流程如下:首先將所有的閥口置于開啟狀態，使得比例泵的擺角位移處于極速模式，即不需要預設相應的運行程序;預設主閥壓力峰值為2．5MPa，將變量泵的檢測信號導入上位機進行實時監測;改變輸入電流，調整比例閥，使回路油壓增益不超過1MPa。通過測試與仿真分析，可得出不同輸入電流條件下的流量與壓力變化規律如圖8所示。可以看出:仿真結果與測試結果在數值和變化趨勢上的一致性較高，由于未考慮摩擦損耗，仿真值略大于測試值;在穩定的負載作用下，隨著輸入電流的增大，比例泵的輸出流量表現出線性增大至平穩狀態的變化規律。在試驗中，比例溢流閥的開啟與閉合需要一定的時間，并非直接導通，在壓力積聚作用下將產生局部應力過大。文中所設計的流量飽和控制模塊可實現良好的過載泄壓效果，使得泵扣壓力與仿真結果不會出現。

3結論

車輛工程的快速發展是當前經濟與社會進步的必然結果。作為裝載車輛，其液壓系統的性能是安全性和可靠性的關鍵因素。本文基于精準控制和節能要求，對一種增壓控制平臺進行了設計，通過研究得出以下結論:(1)該系統對于壓力和流量的控制能夠達到預期效果，各個性能的測試結果與仿真結果具有顯著的一致性;(2)系統對電液比例控制信號的響應效率較高，變量泵在閉環的反饋回路控制中能夠有效減小能量損失，從而得到更高的控制效率。

作者:韓笑 單位:煙臺汽車工程職業學院