伺服變量泵和泵控差動缸系統(tǒng)理論分析及靜動態(tài)特性研究.pdf

1、電液伺服系統(tǒng)有泵控系統(tǒng)和閥控系統(tǒng)，與閥控系統(tǒng)相比較，泵控系統(tǒng)具有節(jié)能環(huán)保、故障率低、維修方便、裝機(jī)成本低等優(yōu)點(diǎn)，同時也具有諸如響應(yīng)慢，控制精度不高等缺點(diǎn)。但是隨著能源的日益短缺，泵直接控制必將是液壓控制技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。本文以泵控差動缸系統(tǒng)為研究對象，重點(diǎn)研究如何提高泵控差動缸系統(tǒng)的響應(yīng)速度、差動缸的運(yùn)動平穩(wěn)性及降低系統(tǒng)的振動沖擊和噪聲，以推廣泵控系統(tǒng)的實際應(yīng)用為最終研究目標(biāo)。
　　泵控系統(tǒng)根據(jù)被控對象的不同，可以分為泵控馬達(dá)和

2、泵控液壓缸兩類，泵控液壓缸又可以分為泵控對稱液壓缸和泵控差動液壓缸兩種。泵控馬達(dá)和泵控對稱液壓缸由于被控兩腔容積相等，較容易實現(xiàn)，可以采用變轉(zhuǎn)速直接控制，受益于電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，目前技術(shù)已經(jīng)很成熟，在很多領(lǐng)域已經(jīng)成熟應(yīng)用。而對于廣泛應(yīng)用的差動液壓缸，由于兩腔容積不相等，存在不對稱流量問題，要實現(xiàn)對差動液壓缸的直接泵控制，首先要解決兩腔的不對稱流量及兩腔預(yù)壓緊問題，針對這一問題，大部分研究都采用輔助泵或蓄能器通過液控單向閥補(bǔ)償。本文中

3、介紹一種具有三個油口的液壓泵，兩個油口分別和差動缸的兩腔直接連接，第三個油口和油箱連接，根據(jù)被控差動缸兩腔的容積比分配三個油口的流量，可以自動平衡差動缸兩腔的不對稱流量，實現(xiàn)用一個液壓泵直接控制差動缸的目的。
　　泵控液壓缸的核心元器件是伺服變量液壓泵，論文首先對變量液壓泵進(jìn)行研究，從斜盤式軸向柱塞泵的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)開始進(jìn)行理論分析研究，建立斜盤式軸向柱塞泵的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)數(shù)學(xué)方程，在仿真軟件SimulationⅩ中搭建斜盤式軸向

4、柱塞泵的仿真模型，通過仿真研究對斜盤式軸向柱塞泵的變量特性和配流特性進(jìn)行研究。又針對串聯(lián)三油口軸向柱塞泵的流量壓力脈動特性進(jìn)行仿真研究，為降低脈動量，對配流盤減振結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，確定了三角形減振槽的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，有效降低了脈動量，為柱塞泵的減振降噪提供了數(shù)據(jù)支撐。
　　目前很多伺服變量泵都串聯(lián)有輔助泵，采用輔助泵平衡差動缸不對稱流量，可以充分利用現(xiàn)有的成熟液壓泵技術(shù)，也不失為一種很好的選擇。根據(jù)所使用的控制方案，泵控差動缸系統(tǒng)可

5、以分為定轉(zhuǎn)速變排量、變轉(zhuǎn)速定排量和變轉(zhuǎn)速變排量泵控差動缸系統(tǒng)三種類型，由于電動機(jī)調(diào)速控制技術(shù)已經(jīng)非常成熟，變轉(zhuǎn)速定排量型泵控差動缸系統(tǒng)發(fā)展最為快速和成熟。論文針對三種類型的泵控差動缸系統(tǒng)分別進(jìn)行了闡述，重點(diǎn)對定轉(zhuǎn)速變排量型和變轉(zhuǎn)速變排量型泵控差動缸系統(tǒng)進(jìn)行理論分析、建模仿真和實驗研究。泵控差動缸系統(tǒng)其實就是對變量泵流量的控制，泵的流量等于泵的排量和轉(zhuǎn)速的乘積，由于變轉(zhuǎn)速變排量控制是對排量和轉(zhuǎn)速同時控制，相對另外兩種泵控差動缸系統(tǒng)多了一個

6、控制自由度，具有更好的控制性能。但是同時增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，使系統(tǒng)成為本質(zhì)非線性的控制系統(tǒng)，給系統(tǒng)的控制和動態(tài)分析帶來了很大的難度。為簡化問題，采用變排量為主，變轉(zhuǎn)速為輔的控制方式，給轉(zhuǎn)速設(shè)置最低轉(zhuǎn)速控制閾值，在控制時將排量控制信號同時疊加在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號上，實現(xiàn)排量轉(zhuǎn)速的復(fù)合控制，提高了動態(tài)響應(yīng)速度。分別建立定轉(zhuǎn)速變排量型和變轉(zhuǎn)速變排量型泵控差動缸系統(tǒng)仿真模型，用仿真的手段研究分析動態(tài)特性。對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明變轉(zhuǎn)速變排

7、量復(fù)合控制差動缸系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度明顯快于定轉(zhuǎn)速變排量泵控差動缸系統(tǒng)。
　　在控制策略上，分別對電液伺服控制常用的位置伺服、速度伺服和壓力伺服的控制機(jī)理進(jìn)行分析，提出針對泵控差動缸系統(tǒng)的具有負(fù)載力補(bǔ)償?shù)奈恢?速度復(fù)合伺服策略，通過加載試驗測量，擬合出負(fù)載力補(bǔ)償量計算模塊，將力補(bǔ)償量控制信號疊加在位置伺服控制信號中，解決了負(fù)載力擾動問題。通過設(shè)計速度前饋模型和切換開關(guān)參數(shù)成功實現(xiàn)位置反饋和速度前饋復(fù)合控制的無擾切換。
　　為驗

8、證理論研究，搭建物理試驗臺，對定轉(zhuǎn)速變排量型和變轉(zhuǎn)速變排量型泵控差動缸系統(tǒng)的動態(tài)特性進(jìn)行測試，同時還測試變轉(zhuǎn)速變排量型泵控差動位置/速度復(fù)合伺服時系統(tǒng)的速度和位置曲線，表明采用這種復(fù)合伺服策略可有效控制活塞桿的運(yùn)行平穩(wěn)性和位置的精確性。測試結(jié)果驗證了理論和仿真研究的正確性，為泵控差動缸的推廣應(yīng)用提供了一定的依據(jù)。
　　為了用泵控系統(tǒng)順利替代閥控系統(tǒng)，對閥控系統(tǒng)中存在的液壓沖擊現(xiàn)象進(jìn)行研究，以煉鋼高爐扒渣機(jī)扒渣大臂液壓系統(tǒng)為研究對象