伺服變量泵和泵控差動(dòng)缸系統(tǒng)理論分析及靜動(dòng)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(shí)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(dòng)缸系統(tǒng)為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究如何提高泵控差動(dòng)缸系統(tǒng)的響應(yīng)速度、差動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性及降低系統(tǒng)的振動(dòng)沖擊和噪聲，以推廣泵控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用為最終研究目標(biāo)。
　　泵控系統(tǒng)根據(jù)被控對(duì)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(duì)稱液壓缸和泵控差動(dòng)液壓缸兩種。泵控馬達(dá)和泵控對(duì)稱液壓缸由于被控兩腔容積相等，較容易實(shí)現(xiàn)，可以采用變轉(zhuǎn)速直接控制，受益于電動(dòng)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(duì)于廣泛應(yīng)用的差動(dòng)液壓缸，由于兩腔容積不相等，存在不對(duì)稱流量問(wèn)題，要實(shí)現(xiàn)對(duì)差動(dòng)液壓缸的直接泵控制，首先要解決兩腔的不對(duì)稱流量及兩腔預(yù)壓緊問(wèn)題，針對(duì)這一問(wèn)題，大部分研究都采用輔助泵或蓄能器通過(guò)液控單向閥補(bǔ)償。本文中

3、介紹一種具有三個(gè)油口的液壓泵，兩個(gè)油口分別和差動(dòng)缸的兩腔直接連接，第三個(gè)油口和油箱連接，根據(jù)被控差動(dòng)缸兩腔的容積比分配三個(gè)油口的流量，可以自動(dòng)平衡差動(dòng)缸兩腔的不對(duì)稱流量，實(shí)現(xiàn)用一個(gè)液壓泵直接控制差動(dòng)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(duì)變量液壓泵進(jìn)行研究，從斜盤式軸向柱塞泵的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)開(kāi)始進(jìn)行理論分析研究，建立斜盤式軸向柱塞泵的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)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(guò)仿真研究對(duì)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(duì)串聯(lián)三油口軸向柱塞泵的流量壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行仿真研究，為降低脈動(dòng)量，對(duì)配流盤減振結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(dòng)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(dòng)缸不對(duì)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(dòng)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(dòng)缸系統(tǒng)三種類型，由于電動(dòng)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(dòng)缸系統(tǒng)發(fā)展最為快速和成熟。論文針對(duì)三種類型的泵控差動(dòng)缸系統(tǒng)分別進(jìn)行了闡述，重點(diǎn)對(duì)定轉(zhuǎn)速變排量型和變轉(zhuǎn)速變排量型泵控差動(dòng)缸系統(tǒng)進(jìn)行理論分析、建模仿真和實(shí)驗(yàn)研究。泵控差動(dòng)缸系統(tǒng)其實(shí)就是對(duì)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(duì)排量和轉(zhuǎn)速同時(shí)控制，相對(duì)另外兩種泵控差動(dòng)缸系統(tǒng)多了一個(gè)

6、控制自由度，具有更好的控制性能。但是同時(shí)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(dòng)態(tài)分析帶來(lái)了很大的難度。為簡(jiǎn)化問(wèn)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(shí)將排量控制信號(hào)同時(shí)疊加在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)上，實(shí)現(xiàn)排量轉(zhuǎn)速的復(fù)合控制，提高了動(dòng)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(dòng)缸系統(tǒng)仿真模型，用仿真的手段研究分析動(dòng)態(tài)特性。對(duì)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(dòng)缸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度明顯快于定轉(zhuǎn)速變排量泵控差動(dòng)缸系統(tǒng)。
　　在控制策略上，分別對(duì)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(duì)泵控差動(dòng)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(guò)加載試驗(yàn)測(cè)量，擬合出負(fù)載力補(bǔ)償量計(jì)算模塊，將力補(bǔ)償量控制信號(hào)疊加在位置伺服控制信號(hào)中，解決了負(fù)載力擾動(dòng)問(wèn)題。通過(guò)設(shè)計(jì)速度前饋模型和切換開(kāi)關(guān)參數(shù)成功實(shí)現(xiàn)位置反饋和速度前饋復(fù)合控制的無(wú)擾切換。
　　為驗(yàn)

8、證理論研究，搭建物理試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)定轉(zhuǎn)速變排量型和變轉(zhuǎn)速變排量型泵控差動(dòng)缸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)還測(cè)試變轉(zhuǎn)速變排量型泵控差動(dòng)位置/速度復(fù)合伺服時(shí)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(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了理論和仿真研究的正確性，為泵控差動(dòng)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(duì)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(duì)象