汽车装载增压控制台的设计与性能研究
汽车装载过程承受着较大的载荷，动力主要依赖于液压控制系统[1]，能够方便地获取所需的机械能。随着液压技术的发展，液压系统的元件趋于高集成性[2]和低功耗性[3]，整个液压传动结构的设计对于车辆装载的可控性和节能效果均有着重要的影响。由于汽车装载标准逐年升高，用户对于车辆装载的稳定性[4]、控制精度以及功耗等都提出更高的要求。传统的液压装载系统基于机械力传递目标来设计，缺少对负载敏感度[5]和流量饱和度[6]的精确控制，在特定情况下经常会出现执行机构响应效率低、振动剧烈、能量损失较大等问题。由此可见，具有较高压力响应敏感度的液压系统是非常有必要的。针对以上问题，文中提出一种汽车装载增压控制平台，通过多路补偿[7]系统的设计，提升压力与流量的控制精度。
1液压平台设计
1.1设计要求
对于液压系统，虽然不同的控制元器件功能不同，但运行时仍需要依据控制流程，协同工作才能发挥系统整体的可靠性和稳定性。因此，在装载增压平台设计时，应结合流量控制、负载衡稳、出口增压等功能进行结构改进。汽车装载增压控制平台的设计要求如下:(1)除了满足额定的装载力矩和增压比例之外，还应具备低功耗和高稳定性特性;(2)尽量采用感应技术和电控技术代替原有的机械控制方案，对于阀口信号的监测具备补偿功能，避免温度等因素的干扰;(3)泵体的流量控制混合使用节流法和容积法[8]，要求不但具备较高的响应效率和流量精准度，还需要保持良好的功耗状态。
1.2负载增压模块设计
传统的负载控制主要以回路中的预设值作为控制变量，参考值为最高负载下的变量泵输出压力，对于反馈控制很少涉及。但是，由于负载具有显著的反馈敏感性特点，因此梭阀需要增加参照量响应元件，通过对变量泵自身功率的调节实现流量的控制，从而实现最终的输出压力不低于预设值。根据装载液压控制系统的功能特点，设计负载增压系统的结构如图1所示，可以看出，压力可有效地实现闭环控制[9-10]，变量泵能够根据流量要求不断反馈压力值，摆脱了溢流耗散问题[11]，功耗损失降低，这对于能量效率的提升有重要意义。负载增压模块中的反馈参数基于管路传感器的测试结果，应优先选用动态特性良好的元件。负载增压模块作为液压装载系统重要的组成部分，能够有效地响应液压回路中较为剧烈的振动，弱化外界因素对压力输出特性的影响，能够在起重机、叉车、挖掘机等工程车辆中得到良好的应用效果。
1.3流量饱和控制模块
流量饱和控制模块的结构如图2所示，其主要功能为基于流量饱和度的控制来实现多路压力补偿。因此，在系统中增设多路联动的压力补偿器，当回路中的压力载荷超过预设值时，模块开始进行节流操作，当不同的节点入口压力偏差低于允许值时，再次分配初设值，使得出口压力的压力差同样保持稳定，即入口压差与出口压差相匹配。根据流量饱和控制模块的工作机理可知，油液在回路中经过执行器的实际流速与过流面积之间为线性关系，便于实现分布式控制和独立控制的结合。为确保流量控制精度，增设溢流阀，将负载因素离散化，避免压力偏差对阀口流量造成干扰，使其仅与阀口闭合度相关。
1.4负流量控制模块
负流量控制模块的结构如图3所示，主要用于匹配变量泵流量信号与反馈信号之间的线性关系，其核心组成部分为液压回路中的节流器。在该模块的控制下，流量控制可以转变为闭环条件。当传感器检测到单油路的流量变动值超过20%时，将反馈信号传输至控制器，进而与流量饱和控制模块协调运行，最终将油液回路中的流量保持在许用范围内。根据负流量控制模块的工作机理可知，其能量效率较高，功率损失主要发生在旁路控制和负载响应。当装载增压系统工作时，将触动变幅液压缸的位移，使其发送引导性控制参数，进而带动变幅联主阀和比例减压阀工作，使得阀芯朝上运动。负载增压模块所控制的油液在功率补偿[12]作用下以增压模式进入梭阀，此时，增压元件将液压油引入增加补偿器内。当系统检测到流量差值较大时，设定增压器的前后腔为连通状态，油液在辅助阀作用下以分支方式回流至变幅液压缸。在负流量控制模块的作用下，大大降低了梭阀对负载变化的敏感度。再次调节输出压力时，能够直接接收负载压力的反馈信号，调节变量泵的工作参数，实现负载压力的稳定。
1.5比例多路阀设计
装载增压控制台各个功能模块之间的油路连接通过比例多路阀实现，其机械结构如图4所示。比例多路阀的压力与流量属性是平台性能仿真和测试的依据，其控制机理为泵体与阀体的联合性功能补偿，包括变幅和伸缩联动机构的行程，功率补偿等。当油路循环工作时，负载增压模块中的压力补偿器首先以最大功耗运行，随后通过流量饱和控制模块调节至理想的阀口压力与泵口流量。比例多路阀具有传感器接口和油路接口，对处于不同工作参数条件下的功能模块均具有良好的控制效果。
2性能测试与仿真分析
2.1阀压分析
主阀的输入压力和输出压力控制精度是衡量装载增压系统性能的重要指标。文中针对比例多路阀的机械特点，将各路功能模块连接，得到管路与传感器的连接结构如图5所示。在试验测试中，设定流程如下:首先开启电液比例泵，使其在额定转速下工作，设定先导压力值并将油液增压进入补偿器，抵消外部重力和弹力载荷后流入节流器并到达主阀入口;然后在负载增压模块作用下持续提高入口压力，当两腔油压接近平衡时，停止增压;最后控制其他补偿器管路接通，输出压力达到最大负载状态，同步测量入口压力、出口压力和负载压力，整个过程的液压仿真可基于AMESim实现。压力随流量变化的测试与仿真结果如图6所示，可以看出:入口压力、出口压力和负载压力的控制精度较高，测试值与仿真值具有较高的匹配性，增压效果与预期值差别很小，低于5%;当油液进入主阀口时，负载即达到了稳定值，响应效率非常高;在闭环控制条件下，整体压力变化平稳，未出现载荷突变问题。
2.2比例泵输出特性
在汽车装载增压控制台中，比例泵的输出特性能够有效地体现系统最大承载性能，其在控制平台中的安装结构如图7所示。在功能试验测试中，设定操作流程如下:首先将所有的阀口置于开启状态，使得比例泵的摆角位移处于极速模式，即不需要预设相应的运行程序;预设主阀压力峰值为2.5MPa，将变量泵的检测信号导入上位机进行实时监测;改变输入电流，调整比例阀，使回路油压增益不超过1MPa。通过测试与仿真分析，可得出不同输入电流条件下的流量与压力变化规律如图8所示。可以看出:仿真结果与测试结果在数值和变化趋势上的一致性较高，由于未考虑摩擦损耗，仿真值略大于测试值;在稳定的负载作用下，随着输入电流的增大，比例泵的输出流量表现出线性增大至平稳状态的变化规律。在试验中，比例溢流阀的开启与闭合需要一定的时间，并非直接导通，在压力积聚作用下将产生局部应力过大。文中所设计的流量饱和控制模块可实现良好的过载泄压效果，使得泵扣压力与仿真结果不会出现。
3结论
车辆工程的快速发展是当前经济与社会进步的必然结果。作为装载车辆，其液压系统的性能是安全性和可靠性的关键因素。本文基于精准控制和节能要求，对一种增压控制平台进行了设计，通过研究得出以下结论:(1)该系统对于压力和流量的控制能够达到预期效果，各个性能的测试结果与仿真结果具有显著的一致性;(2)系统对电液比例控制信号的响应效率较高，变量泵在闭环的反馈回路控制中能够有效减小能量损失，从而得到更高的控制效率。
《汽车装载增压控制台的设计与性能研究》来源：《液压气动与密封》，作者:韩笑
