液压起货机具有起重能力强、装卸货适应性好、操作简便可靠和工作安全平稳等特点,广泛应用于各个工程

领域的安装作业。节流调速起货机的液压系统存在着溢流损失和节流损失较大、效率低和油液发热量大等

问题。而容积调速起货机的液压系统泵需要复杂的变排量控制机构,斜盘的摆角也只能限制在一定的范围内

,调速范围受限;驱动泵的电机保持定速,小流量时液压泵仍做高速运转,摩擦副的磨损加剧、噪声升高、效

率降低。因此,节能高效、安全可靠的新型调速系统仍是液压起货机发展的方向,本文将先进的变频技术应

用到液压起货机,提出了一种基于变频液压调速系统的起货机设计方案,并对系统的工作特性进行分析。

[1,2]

1 变频液压起货机调速系统的方案设计
1.1 基本结构
变频液压起货机液压回路主要由定量泵8、三位四通阀6、液压马达2、安全阀3、背压阀5和单向阀4及连接

管路组成;电气回路主要由变频电机9、变频器、PLC控制器、传感器和主令控制器组成,如图1所示。

1.2 工作原理
当主令控制器发出上升或下降信号时,一路至变频器使其产生相应的电压和频率驱动电机,电机9以等量的转

速转动;一路至PLC控制器使三位四通阀6工作在左位或右位,实现对液压马达的控制。当三位四通阀工作在

右位时,来自液压泵8的液压油通过三位四通阀和单向阀进入液压马达,驱动马达运转,同时带动转动惯量1和

滚筒10以提升负载11;反之降落负载。

1.3 数学建模
变频电机的转速与变频器输入侧控制电压的关系为一阶惯性环节[3,4],在不考虑低压补偿值时,有:

?
其中,n为变频电机转速;u为变频器输入电压;mp为电机的磁极对数;R′2为电机折合到定子侧的转子每相电

阻;Kf为频率电压转换系数;Ku为电压频率转换系数;JT为折算到电机轴上的转动惯量;S为拉氏变换的变

量;BT为电机转轴阻尼系数。

?图1 变频液压起货机的原理图
图1 变频液压起货机的原理图?? 下载原图

液压机构流量连续性方程:

?
其中,ηpv为液压泵的容积效率;Dp为液压泵的排量;ωp为变频电机的角频率;Dm为液压马达的排量;θm为马

达的轴转角;Ct为总的泄漏系数;P1为泵的出口压力;V0腔室容积;βe为液压油液的弹性模量。

液压机构的力矩平衡方程:

?
其中,Jm为马达的转动惯量;Bm为马达的黏性阻尼系数;TL为提升负载力矩。

根据(2)-(3)式可得如下两个传递函数。

马达的角位移对液压泵转速的传递函数为:

?
马达的角位移对提升负载力矩的传递函数为:

?
?
由以上特性方程可知，变频液压起货机调速性能与传统的变量泵控马达起货机相似，不同之处在于前者是

通过变频器调节电机转速，后者是调节变量泵的排量。[5]

2 变频液压起货机调速系统仿真特性研究
变频液压起货机采用AMESim平台进行仿真。AMESim是以图形的方式描述系统中各设备间的联系,能够反映元

件间的负载效应和系统中能量功率的流动情况,便于对变频液压起货机进行性能分析和合理设计。[6]在上

述图1信号源中,接入惯性环节并输入电压信号,对系统进行仿真,获得变频液压起货机不同工况下的仿真曲

线,仿真参数如表1所示。

表1 变频液压起货机仿真参数???? 下载原表

?表1 变频液压起货机仿真参数
2.1 变频液压起货机提升和降落负载的动态特性
?图3 变频液压起货机马达流量曲线
图3 变频液压起货机马达流量曲线?? 下载原图

?图2 变频液压起货机马达进口压力曲线
图2 变频液压起货机马达进口压力曲线?? 下载原图

?图5 变频液压起货机负载位移曲线
图5 变频液压起货机负载位移曲线?? 下载原图

?4 变频液压起货机负载速度曲线图
4 变频液压起货机负载速度曲线图?? 下载原图

由图2至图5可知,变频液压起货机提升和降落最大负载的过程中,马达的进口压力和流量,负载的位移和速度

在较短时间内达到稳定,变频起货机液压系统总体运行平稳、动态性好。由上述公式可知,通过调整液压马

达的排量、高压侧的有效体积和马达的转动惯量数值,改变固有频率和阻尼比,能够降低参数超调量和过渡

过程时间,进一步改善液压系统的动态性能。由于负载的重量、液压油的可压缩性和系统内部的漏泄等因素

,造成变频液压起货机“二次下滑”现象,如图4、图5所示,在提升负载初期,负载速度和位移在0.3秒内是负

值,随着系统压力和液压马达转矩的不断升高,液压马达获得正转角加速度,反转速度降低至0使液压马达正

转,负载上升至原始位置并进入开始起升状态。在变频液压起货机系统中设置制动器,并合理设定开启时间,

可较好地解决“二次下滑”的问题,防止系统受到液压冲击而损害机件。[7]

2.2 变频液压起货机负载特性
图6是模拟变频液压起货机在提升2 t、4 t、6 t负载情况下负载速度的变化曲线。从图中可以看出,负载重

力的大小对位移速度的动态品质影响较大,负载越重,负载提升速度的过渡过程波动越大,但到达稳定后,变

频液压起货机的负载速度保持在某一值上,平稳性较好,表明系统具有较强的刚度特性。考虑到系统的漏泄

因素和变频电机特性,稳态值还应随着负载的增加而略有下降,在采用矢量变频控制时,因系统具有较硬的特

性,稳态值下降小。在低速运行时需在变频器内增加低压补偿环节,以提高变频液压起货机的电机转矩。图6

的曲线表明负载提升初始阶段负载重量与“二次下滑”呈正比例关系。

?图6 变频液压起货机不同负载下马达的速度曲线
图6 变频液压起货机不同负载下马达的速度曲线?? 下载原图

2.3 变频液压起货机的速度特性
负载为4 t情况下,得到不同频率下负载提升速度曲线如图7所示,与目标速度一致,可由上述泵马达排量关系

公式得到验证,负载提升速度的稳态控制精度高。变频液压起货机在换挡工况下,变速平滑,冲击力小。当电

机低于额定转速时变频器采用恒转矩调速,高于额定转速时变频器采用恒功率调速,电机在高于额定转速工

况下运行时,液压马达可获得比传统调速液压系统更高的转速。变频器以较小的频率如0.2 Hz驱动电机,电

机转速低于起货机液压调速系统的最小稳定转速,因此马达的最低转速取决于马达和泵的性能,即主要是系

统漏泄量大小。所以,变频液压起货机液压系统比变量泵和定量马达液压系统变速范围宽。

?图7 变频液压起货机不同频率下的负载提升速度曲线
图7 变频液压起货机不同频率下的负载提升速度曲线?? 下载原图

3 结束语
变频液压起货机与传统泵控马达液压起货机的调速特性基本相似,动态特性好、运行平稳、负载刚度硬。同

时,变频液压起货机还具有节能、噪声小、寿命长、调速范围宽等诸多优点,在液压调速系统变频器上可设

定矢量变频等多种变频方式以适应不同的工作要求,应用前景广阔。