一种基于液力加载装置的扭矩控制方法及系统
阅读说明：本技术 一种基于液力加载装置的扭矩控制方法及系统 (Torque control method and system based on hydraulic loading device ) 是由 王贵勇 马强 常青 张爱国 王晓永 赵军 吕岩 郭永杰 刘庆华 汤若奇 毛晓宇 于 2019-10-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于液力加载装置的扭矩控制方法及系统,该方法是通过扭矩反馈,闭环控制流体对运动物体的阻力来形成液力加载装置所需的扭矩负载,可以解决液力加载装置在加载过程中对加载扭矩精确控制的问题。本发明的方法及系统以液力加载装置工作时产生的流体阻力作为控制量,比例溢流阀的工作参数作为调节量,通过PID调节器计算出控制量参数,实时调整液力加载装置液压腔内的油液压力,实现对流体阻力的控制,从而在液压加载装置的输出端得到准确的扭矩输出值。(The invention discloses a torque control method and a torque control system based on a hydraulic loading device. The method and the system of the invention take the fluid resistance generated when the hydraulic loading device works as the control quantity, the working parameter of the proportional relief valve as the regulating quantity, the control quantity parameter is calculated by the PID regulator, the oil pressure in the hydraulic cavity of the hydraulic loading device is regulated in real time, and the control on the fluid resistance is realized, thereby obtaining the accurate torque output value at the output end of the hydraulic loading device.)
技术领域
本发明属于工程流体力学应用的技术领域，提供一种基于液力加载装置的扭矩控制方法。
背景技术
运动的物体在流体内有相对运动时，物体会受到流体的阻力，该阻力的大小与流体密度、流体的粘滞性、流体速度变化梯度、接触面积、接触面的表面粗糙度等多种因素有关。流体阻力的产生原因多样，不能通过常规、有效的手段来获得流体阻力的各种控制方法和参数，并且没有合适准确的计算公式，传统控制方法大都依靠以往经验或现场调试来完成，不能实现扭矩精确控制。
传统的方法对于流体阻力不能做到精确的控制；
当物体运动的速度和流体的温度发生改变时，流体阻力也会发生相应变化，传统的控制方法由于没有形成闭环，不能实现自动补偿。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于液力加载装置的扭矩控制方法，该方法是通过扭矩反馈，闭环控制流体对运动物体的阻力(简称流体阻力)来形成液力加载装置所需的扭矩负载，可以解决液力加载装置在加载过程中对加载扭矩精确控制的问题。
液力加载装置在加载试验过程中采用本方法可形成扭矩闭环，动态控制液压腔内流体高度和压力从而改变流体阻力，快速形成一个准确、稳定的扭矩负载，满足了液力加载装置在加载试验中扭矩精确变化的要求。
与传统方法相比，本发明同时还具有的优越性是：避免了具体的公式计算，逻辑简单、易于实现；扭矩的闭环控制，保证模拟出的扭矩负载准确、稳定，保证了液压加载装置在加载试验中采集的数据准确。
本发明提出的技术方案为：一种基于液力加载装置的扭矩控制方法，其特征在于，该方法包括如下内容：液力加载装置工作时，扭矩控制值和传动轴上的扭矩传感器值比较作为输入，通过PID调节器实时得出液压腔的流体阻力控制量参数，控制液压腔出口的比例溢流阀的工作参数，实时调整液力加载装置液压腔内的油液压力，用于对液压加载装置液压腔流体阻力的控制,在液压加载装置的输出端得到扭矩控制值；其中，液力加载装置包括传动轴和齿轮，传动轴带动齿轮在油液液压腔中转动；油液的液压腔出口具有比例溢流阀，比例溢流阀能够调节液压腔的出油口的开口大小，齿轮在液压腔中转动产生流体阻力，传动轴上具有扭矩传感器。
一种基于液力加载装置的扭矩控制系统，其特征在于，包括液力加载装置和PID调节器，液力加载装置包括传动轴和齿轮，传动轴带动齿轮在油液中转动；油液的压力腔出口具有比例溢流阀，比例溢流阀能够调节油液的压力腔的出油口的开口大小，液力加载装置的传动轴转动，则齿轮在油液中转动产生流体阻力，传动轴上具有扭矩传感器；扭矩控制值和传动轴上的扭矩传感器值比较作为PID调节器输入，通过PID调节器实时得到液压腔出口的比例溢流阀的工作参数，实时调整液力加载装置液压腔内的油液压力，用于对液压加载装置液压腔流体阻力的控制,在液压加载装置的输出端得到的扭矩控制值。
一种基于液力加载装置的扭矩控制方法，其特征在于，该方法包括如下内容：
S1：确定需要得到的扭矩大小为扭矩M1；
S2：根据扭矩传感器的产生扭矩反馈信号为扭矩M2，与扭矩M1比较得到扭矩差值ΔM；采用PID调节器，使扭矩M2与扭矩M1的扭矩差值ΔM差值为零时，得到比例溢流阀的表示溢流阀开口大小的工作参数；
PID调节器的具体控制过程为：输入扭矩差值ΔM，通过PID调节器输出比例溢流阀的表示溢流阀开口大小的工作参数，比例溢流阀的开口大小根据该工作参数执行，则液力加载装置内的液压腔内油液的压力变化；接着扭矩传感器的扭矩M2相应变化；PID调节器再次输出新的表示溢流阀开口大小的工作参数；
当扭矩传感器的扭矩值M2变化到与扭矩需求信号的扭矩M1的差值达到一定要求的范围时或者为零时，PID调节器控制比例溢流阀的工作参数达到稳定值；
S3：比例溢流阀采用PID调节器输出的比例溢流阀的稳定值；
S4：此时的扭矩传感器输出的扭矩M2即为需要得到的扭矩大小。
其中，液力加载装置具体限定为：包括传动轴和齿轮，传动轴带动齿轮在油液液压腔中转动；油液的液压腔出口具有比例溢流阀，比例溢流阀能够调节液压腔的出油口的开口大小，齿轮在液压腔中转动产生流体阻力，传动轴上具有扭矩传感器。
本发明的技术效果是：
本发明提出的一种基于液力加载装置的扭矩控制方法，采用流体阻力的闭环控制，可以精确地模拟液力加载装置所需的实际负载扭矩，控制灵敏，响应迅速、准确，能广泛适用于各种车辆传动箱和变速箱体的加载试验，为传动箱部件的各种参数指标提供准确的试验数据，很好的实现了车辆整体装配前的质量控制。另外采用本方法还可以为各种液压变矩器和液压减速器在不同的转速、油液介质及温度下提供准确的扭矩。
附图说明
图1流体对运动物体的阻力示意图；
图2本发明的扭矩控制方法的扭矩控制逻辑框图。
图3一种液力加载装置的具体结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明进一步详细地描述。
本发明的原理是：
流体力学中指出，物体在流体内运动时，由于流体的粘滞性和压缩性会产生流体阻力t。本方法就是采用自校正、自适应算法，闭环控制液压加载装置工作时的流体阻力t，从而得到所需的加载扭矩。
液力加载装置工作时产生的流体阻力t可近似的看成两个部分：压差阻力 t1和内摩擦力t2，即t≈t1+t2。其大小与流体的密度、齿轮运动的线速度、流体与齿轮的在垂直于运动方向的接触面积、接触面粗糙度和流体的粘滞性等多种因素有关。
如图1所示：液力加载装置的齿轮轴在作逆时针旋转运动时，齿轮的两个侧面由于液体粘滞性产生的流线分离，会形成了大量的涡流，造成涡流区压强减少，从而在齿轮的两侧形成了很大的压差阻力t1，如果流体的阻力系数为 CD，密度为ρ，在垂直于运动方向的流体和齿轮轴的齿面接触面积为A，线速度为V，与流体接触的齿轮轴的齿数为n,那么齿轮在流体内运动时受到的压差阻力t1≈n*CD*ρ*A*V2/2。还有流体间的相对运动产生的内摩擦力t2，根据牛顿的内摩擦定律换算得出内摩擦力t2＝n*μA，其中μ为粘度系数，n为与流体接触的齿数，A表示接触面积，表示流体的速度梯度。
由上述公式可以看出：液力加载装置工作时产生的压差阻力t1和内摩擦力t2都与流体的流动性有关；而改变油液的压力，油液的流动性会发生变化，从而流体阻力t也会相应变化。因此可以得出：实时改变液压加载装置液压腔内流体的压力P可以得到一个不同转速下，在一定范围内可随时调整、相对稳定的流体阻力t。
本方法关键为：是以液力加载装置工作时产生的流体阻力作为控制量，比例溢流阀的工作参数作为调节量，通过PID调节器计算出控制量参数(控制比例溢流阀的工作参数)，实时调整液力加载装置液压腔内的油液压力，实现对流体阻力t的控制,从而在液压加载装置的输出端得到准确的扭矩输出值。
具体工作过程，如图2逻辑框图所示：扭矩输入信号M1和扭矩传感器的反馈信号M2进行比较产生扭矩偏差ΔM，通过PID调节器计算出比例溢流阀的工作参数(表示溢流阀开口大小)，使调节液压加载装置液压腔内产生一定的油液压力，油液压力的变化引起内摩擦力t发生变化,变化后的内摩擦力t通过扭矩传感器又产生新的扭矩反馈信号M2，再与M1进行比较形成新的ΔM，通过扭矩反馈量PID调节器实时、快速调整比例溢流阀的工作参数，使得液压腔内油液的压力迅速变化，当扭矩需求信号M1≈扭矩传感器的反馈信号M2(即ΔM≈0)时，PID调节器达到相对稳态，产生所需的流体阻力。
当液力加载装置的工作参数或转速变化时，PID调节器又开始工作，形成扭矩闭环，从而在液压加载装置的输出端得到准确的扭矩输出值。
一种基于液力加载装置的扭矩控制方法：
包括如下步骤：
S1：确定需要得到的扭矩大小为扭矩M1(或者称扭矩输入M1)；
S2：根据扭矩传感器的产生扭矩反馈信号为扭矩M2(或者称扭矩反馈 M2)，与扭矩M1比较得到扭矩差值ΔM；采用PID调节器，使扭矩M2与扭矩M1的扭矩差值ΔM差值为零时，得到比例溢流阀的表示溢流阀开口大小的工作参数；
PID调节器的具体控制过程为：输入扭矩差值ΔM，通过PID调节器输出比例溢流阀的表示溢流阀开口大小的工作参数，比例溢流阀的开口大小根据该工作参数执行，则液力加载装置内的液压腔(压力腔)内油液的压力变化；接着扭矩传感器的扭矩M2相应变化；PID调节器再次输出新的表示溢流阀开口大小的工作参数；
当扭矩传感器的扭矩值M2变化到与扭矩需求信号的扭矩M1的差值达到一定要求的范围时(或者为零时)，PID调节器控制比例溢流阀的工作参数达到稳定值；
S3：比例溢流阀采用PID调节器输出的比例溢流阀(表示溢流阀开口大小的工作参数)的稳定值。
S4：此时的扭矩传感器输出的扭矩M2即为需要得到的扭矩大小。
一种基于液力加载装置的扭矩控制方法，可以通过可编程序控制器PLC上实施，也可以用单片机做一个PID调节器，通过模数与数模转换实施。
具体实施方式逻辑相对简单，编写好PID调节器的程序后，首先要进行扭矩的循环数据采集，模数转换，数字量进入PID调节器，PID调节器工作，
产生一个数字量，然后再进行数模转换，输出一个模拟量控制被控元件，
就可以使液力加载装置产生所需的加载扭矩。
本发明的一种基于液力加载装置的扭矩控制方法，所基于的液力加载装置为：包括冷却壳体、箱体、齿轮、轴承、传动轴、比例溢流阀、温度传感器、弹性联轴节、扭矩仪、齿轮定位套；箱体内具有中心孔，形成压力腔；传动轴穿过箱体的中心孔，齿轮位于压力腔即箱体的中心孔内，且装配到传动轴上；位于齿轮两端的传动轴上分别具有齿轮定位套；齿轮定位套两端具有轴承；轴承装配到传动轴上，压力腔的前后分别具有端盖；位于前面的端盖包括前轴承支承端盖、前轴封端盖，箱体的压力腔连通出油口管路和进油口；出油口管路上安装温度传感器、比例溢流阀；通过弹性联轴节将扭矩仪与传动轴一端连接。
进一步地，位于后面的端盖为后轴承支承端盖。
进一步地，传动轴上具有圆周凸台，位于前轴封端盖和轴承之间，用于限位。
进一步地，还包括锁紧螺钉、支撑帽，锁紧螺钉将支撑帽固定在传动轴右端部，支撑帽压紧轴承、齿轮定位套以及齿轮。
进一步地，前轴封端盖与传动轴之间具有封油槽。
进一步地，前轴承支承端盖与与传动轴之间具有密封圈。
进一步地，扭矩仪通过第二弹性联轴节连接待试验装置。
进一步地，支撑帽与轴承之间具有调整垫圈。
如图3所示，一种液力加载装置的具体结构，包括冷却壳体1、箱体2(箱体内具有压力腔)、齿轮3、齿轮轴支撑轴承组4(简称轴承)、后轴承支承端盖 5、调整垫圈6、密封圈7、封油槽8、传动轴9、前轴封端盖10、前轴承支承端盖11、比例溢流阀12、温度传感器13、弹性联轴节14、扭矩仪15(扭矩传感器)、待试验对象16、齿轮定位套17、锁紧螺钉18、支撑帽19。以及其他辅助控制装置如液压站、冷却站、PLC、操作面板等。
箱体2内具有中心孔，形成压力腔；传动轴9穿过箱体的中心孔，齿轮3 位于压力腔内装配到传动轴9上；位于齿轮3两端的传动轴9上分别具有定位套17；定位套17两端具有轴承；轴承组4装配到传动轴9上，压力腔的前后具有端盖；前处端盖具体包括前轴承支承端盖11(也称前端盖)和前轴封端盖。在压力腔连通出油口管路和进油口；安装温度传感器13、比例溢流阀12；通过弹性联轴节14将扭矩仪15于传动轴9一端连接；扭矩仪15通过第二弹性联轴节连接待试验装置16。
将轴承组4装配到传动轴9上，由定位套17保证齿轮3位于压力腔的中间。通过拧紧锁紧螺钉18推动支撑帽19轴向锁紧轴承组4、定位套17、齿轮3。后端盖5固定在后轴承组上，使压力腔和后端盖5固定。前端盖11同时与压力腔固定，通过密封圈7进行密封，形成封闭油腔。前轴封端盖10固定在前端盖11 上，通过封油槽8和轴封保证旋转时不漏油。
在压力腔的出油口管路上安装温度传感器13、比例溢流阀12。通过调节12 的开口大小，可以调节压力腔中的油压。
使用时将待试验装置16与本装置可靠连接，在操作界面中输入指定的待测装置的转速及试验所需扭矩值，按下开始试验按钮，待试验装置16(如电动机、变速箱等)将带动本装置开始转动。当转动处于压力腔中的齿轮轴3时，由于压力腔中充满了调定压力的液压油，传动轴9上将会产生扭矩。
此时***控制系统将实时接收本装置中扭矩仪15、温度传感器13的反馈信号，通过控制程序中组态的PID功能实时调节比例溢流阀12的开闭大小，最终形成一个准确、稳定的扭矩负载。
例如需要测试某电机在1000rpm、50Nm工况下的负载特性曲线，启动电机后试验状态为空载状态，PLC将根据扭矩仪测定的实时扭矩值与设定值进行比较以及进出口压力、油温的变量信号，调用PID调节功能块进行自动计算，输出运算结果用于出口的比例溢流阀开口大小，最终达到稳定的50Nm的扭矩值。