泵控缸电液技术研究现状_存在问题及创新解决方案

第44卷第11期2008年11月机械工程学报CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGVol.44NOV.NO.ll2008DOI:10.3901/JME.2008.ll.087泵控缸电液技术研究现状、存在问题及创新解决方案’权龙(太原理工大学机械电子工程研究所太原030024)摘要:降低液压系统的能耗、噪声,减小废油处理对环境的污染,最直接的方法是采用无节流损失的泵控技术,通过改变泵转速或泵排量,使泵输出流量和压力与负载要求完全匹配。在论述泵控液压缸技术特征、现状和存在问题的基础上,根据双作用叶片泵(马达)和轴向柱塞泵结构特点,提出两种新的配流原理,解决差动缸流量不对称影响控制的难题。采用新的配流原理,无需辅助元件,只用一台泵就可闭环控制差动缸的运动,具有能量效率高、结构紧凑和成本低的优势。进一步对这两种配流原理和采用这两种配流原理控制差动缸的系统集成方案作了论述和研究,研究成果对实现液压控制技术的绿色化具有理论和实际意义。关键词:泵控缸差动缸电液控制技术中图分类号:TH137CurrentState,ProblemsandtheInnovativeSolutionofElectro一hydraulieTeehnologyofPumPControlledCylinderQUANLong(InstitUteofMeehatronieEngineering,TaiyUanUniversityofTechnology,Taiy’Uan030O24)Abstraet:Inordertoredueetheenergyeonsun1Ption,thenolseandthePoltutioneausedbywaste011disPosalinhydrauliesystem,themostdireetmethod15adoptingthePumPeontrolledteehnologywithoutthrottle1055.InPumPcontrolledsystem,throughehangingthesPeedorthedisPlacementofthePumP,thePressureandvolumeflowwillbeeomPletelymatehedwiththeneedofloads.Firsttheteehniealeharaeteristies,stateoftheartandtheexistingProblernsaboutPumPeontrolledeylinderarediseussed,thenaccordingtotheconstruetionfeaturesofthedouble一aetingvanePumP(motor)andtheaxlialPistonPumP,twoinnovativeflowdistributionPrineiPlesarePutforwardtobalaneetheasymmetriealvolumefiowProdueedbyunequalareasofthedifferentia1eylinderByusingnewmethodsthemovementdifferentialeylindereanbeelosed一looPeontrolledwithonlyonePumPwithoutusinganyauxiliaryelements.50thenewsystemsolutionhastheadvantagesofhighenergyefficieney,eomPaetstrUetUreandloweost.ThetwonewflowdistributionPrineiPlesandthesystemintegrationsehemesusedtoeontrolthedifferentialeylinderwiththesetwonewPrineiPlesareanalyzed.TheresearehworkwillbeofgreattheoretiealandPractiealsignifieaneetorealizingthegreenhydrau1ieeontrolteehnology.Keywords:PumPeontrolledeylinderDifferentialeylinderEleetro一hydrauliecontrolteehnologyO前言电液控制技术有阀控和泵控两大类。目前广泛应用的阀控原理,最大的不足是存在大的节流损失,·国家自然科学基金(50775156)和山西省留学归国人员基金(一290576一)资助项目20071221收到初稿,20080609收到修改稿能量效率低。低能量效率不仅增大了系统装机功率,还引起系统发热,附加的冷却装置进一步增大了系统装机功率和成本,发热也是造成液压系统发生故障的主要原因之一。阀控系统都是开式回路,油液使用量大,处理废油时会产生环境污染问题。为了从根本上解决上述问题,理想途径是采用直接泵控技术,应用泵控原理,不仅可较阀控系统提高能量效率40%以上,减少系统发热,降低装机械工程学报第44卷第11期机功率,而且可实现用导线代替钢管传递动力的分布式智能控制,是实现液压控制技术绿色化的理想途径,是电液控制技术的发展方向和趋势。本文在分析泵控缸技术研究现状及存在问题的基础上,提出新的泵控差动缸系统解决方案,通过对液压泵配流机构的创新设计,只用一台液压泵,无需辅助元件,就能够像泵控对称缸一样,控制差动缸运动,完善了泵控差动缸技术,为在工业自动化领域推广应用直接泵控技术,实现液压技术节能降耗提供了新的理论。阻尼孔组合的泵控缸预压紧原理[41。叹叹叹;;;(((Gzzz巧巧图2双腔预压紧泵控对称缸回路原理泵控缸技术研究现状.d芝只图飞虽然大家都知道,提高液压系统能量利用率最有效的途径是采用无阀的泵直接控技术,但长期受泵响应特性的制约,该技术早先只用在大功率泵控马达系统。直到20世纪80年代末,伺服和比例泵技术才获得了突破性进展,应用泵变量机构和伺服阀阀芯位移双闭环控制原理,配合辅助液压源,在高的控制压力下,伺服泵的频率响应在小信号范围达到50Hz以上【’一2],为获得与比例阀控制系统性能相当的泵控系统奠定了基础。但是要能够像阀控技术一样,将泵控技术广泛用于实际,还必须解决好平衡差动液压缸不对称流量,像阀控原理一样对液压缸两腔预压紧,实现热交换和减小定位时液压泵发热等问题。Ll泵控双出杆缸技术1979年,德国Aachen工业大学液压研究所的sPROCKHOFF博士,将泵控马达回路原理引入液压缸控制,对泵控对称缸的动特性进行了研究[3],是较早开展的泵控缸研究工作,回路原理见图1。该原理使液压缸的两腔都处于液压压紧状态,提高了泵控缸系统固有频率和负载刚性,使系统具有与阀控原理类似的特性,完善了泵控对称缸的理论。当液压缸两腔容积相等时,系统固有频率是图1所示回路的1.4倍。回路中增加一对泵和马达进行热交换,图3所示是两种回路原理的压力增益曲线。一50泵排量。s/O/o(a)液压缸单腔预压紧图3一1001020泵排量as从(b)液压缸双腔预压紧泵控双出杆缸压力增益曲线笠几图1单腔预压紧泵控液压缸回路原理该液压系统由于采用具有恒定背压的换油阀进行热交换,工作过程液压缸只有一个容腔处于液压压紧状态,所以系统的固有频率较低,影响系统的动态特性。1988年,德国Aachen工业大学液压研究所的BERBUER博士,提出如图2所示的采用定压源和对比图3中曲线可知,采用传统的恒定腔压控制,泵摆角变化时只有一个腔的压力跟随变化,而采用双腔预压紧原理,液压缸两腔的压力都随着泵摆角的改变而变化。通过调整液阻G^、Gz可设定预压紧压力为二分之一的系统最高压力,在有负载作用和液压缸加速运动过程,液压缸两腔的压力同时朝反方向变化,提高了压差的变化率。1990年,位于德国的ParkerHalmifin公司申请了采用伺服电动机驱动定量液压泵控制对称缸的专利,用于飞机操控系统,系统原理如图4所示[5]。2008年11月权龙:泵控缸电液技术研究现状、存在问题及创新解决方案!】P^犷O二J!笋图4变速泵控对称液压缸回路原理变速泵控对称液压缸系统的特点是,用一个低压油箱或低压蓄能器通过两个单向阀对液压缸两腔预压紧,液压泵的泄油也引到低压油箱,用伺服电动机驱动定量泵控制液压缸的运动速度和方向。1990年,德国Demag公司,申请了采用该原理控制塑料注塑机的专利I6]。1992年,德国Liebherr-Aero公司申请了采用电子比例变量泵闭环控制对称缸的专利,用于飞机操控系统[7],回路原理同图4所示一样,只是采用电子比例泵代替了原定量泵,还在泵轴上串联一个小排量的定量泵,实现液压缸定位时的热交换。1998年,德国Hamburg工业大学的KAZMEIER博士,针对飞机上使用的小功率系统,对采用伺服电动机驱动比例泵控制的对称缸系统进行了研究,采用转速和泵排量双自由度控制方法改善了系统动静态性能。采用新研制的功率电传执行器系统,去掉了遍布飞机机身的钢管网络,代之以导线,使A340客机质量减轻了700kg多,提高了飞机安全性与可靠性[8]。同期,国内北京航空航天大学对采用图4所示回路原理,应用于飞行器控制的情况进行了研究件‘0],研究工作获得了国家自然科学基金的资助。LZ泵控差动缸技术由于安装空间和输出力,电液技术中80%以上采用差动液压缸作为执行器,差动缸两个运动方向的流量不相等,成为实现直接泵控必须解决的首要问题。1994年,德国Aachen工业大学液压研究所的LODEWYKS博士,提出如图5、6所示,采用液压变压器和通轴驱动两台比例液压泵补偿差动缸不对称流量的回路原理〔川,重点研究了采用液压变压器补偿的回路。德国Rexroth公司的FEUSER教授,采用各腔压力单独控制预压紧原理,对图6所示回路的动静态特性进行了研究,并用于控制压力图6双比例泵控制差动缸回路原理1998年,原德国Hamburg工业大学教授IVANTYSYNOVA提出在工程机械中采用直接泵控技术的思想,经过与阀控系统对比,采用直接泵控制技术,不仅可简化回路,减轻质量,改善性能,极大地提高系统能量利用率,同时也使得控制过程更加方便,展现了泵控技术的美好前景[’3]。2000年,该大学的KAHMFELD博士提出了如图7所示,采用单台液压泵配合液控单向阀补油的泵控差动缸回路原理[l4],同时研究了该项技术在水泥泵车、轮式装载机和多关节机械臂的应用情况〔’5一’6]。遴遴遴遴{(((i:、、;;;;;;;;;}}}}}}}}}月……{{{{{{{(((Gzzz;;;;;;;;;履履履巧巧巧((((((Gzzzzzzzzzzz图5液压变压器补偿的泵控差动缸回路原理图7单向阀平衡流量的泵控差动缸原理1998年,美国Vickers公司申请了用交流伺服电动机驱动定量泵,用液控单向阀进行流量平衡,闭环控制差动缸的专利[’7j,系统原理与图7所示回路类似。国内哈尔滨工业大学对采用图7所示回路,应用变速泵控制船舶舵机的系统进行了研究〔’“]。在国家自然科学基金的资助下,作者对采用伺服电动机驱动定量液压泵闭环控制差动缸系统进行了研究,提出了多种补偿差动缸不对称流量的回路原理。特别用两台伺服电动机分别驱动两台定量泵,闭环控制差动缸回路原理,不仅可完全补偿差动缸面积差,使系统在两个运动方向具有相同的运动特性,同时还增大了系统驱动功率,新提出的总压力原理也很好地解决了液压缸两腔预压紧问题。试验证实,该系统具有能量利用率高和输出功率大的特点,具有与比例阀控制系统相当的动静态性能,特别适用于大功率场合「’9一20]。21世纪初,日本油研公司和不二越公司,将图7所示回路原理开发成集成的系统单元,并形成产品投放市场[2’一221,在6自由度仿真平台、压力机等多个领域获得应用。瑞典Linkoping大学液压研究所也开始着手研究将这样的泵控执行器用于战斗机飞行控制系统123]。1.3泵控缸技术存在问题及发展目标经