無油泵交流伺服直驅新型液壓機的傳動理論研究

傳統(tǒng)的液壓機中的泵站及液壓系統(tǒng)結構復雜、能量利用率低，為此本課題提出一種無油泵交流伺服直驅式新型液壓機的新原理傳動方案。摒棄了傳統(tǒng)的液壓油泵，采用交流伺服電動機直接驅動絲杠-螺母運動副的方式產(chǎn)生所需的油的壓力勢能，并采用液壓增壓缸原理，實現(xiàn)低速增力壓制工作，液壓油在液壓缸體內部進行循環(huán)，在液壓缸工作時可以迅速反應充液和排液，回程采用剛性拉桿帶動滑塊的機械傳動方式替代傳統(tǒng)的液壓回程方式，滑塊空程與回程的速度顯著提高，并通過對交流伺服電動機的控制來實現(xiàn)位移、輸出力的閉環(huán)控制。 本項目首先采用理論計算和有限元分析的方法完成了無油泵交流伺服直驅式新型液壓機樣機的詳細設計，建立了無油泵交流伺服直驅式新型液壓機的整機及各零部件的三維模型，對主要部件進行靜力分析和預應力加載狀態(tài)下的模態(tài)分析，并根據(jù)分析的結果對機身結構進行改進優(yōu)化，最終使該無油泵新型液壓機機械結構靜態(tài)性能和動態(tài)性能均滿足設計要求。 然后完成了無油泵交流伺服直驅式新型液壓機樣機的機械加工、整機裝配和計算機控制回路的搭建，并對該無油泵交流伺服直驅式新型液壓機進行了空載實驗，不同的電機轉速條件下檢測分析電機位置、電機轉速、滑塊位置及各個液壓腔的壓強等參數(shù)，結果表明無油泵交流伺服直驅式新型液壓機具有快速下行和上行、低速增力鍛沖的特性。對該新型無油泵液壓機在不同負載工況下進行測試實驗，結果表明在帶負載情況下電機的轉速、電機轉數(shù)和滑塊運動規(guī)律與空載狀態(tài)下的變化規(guī)律相似，負載情況對無油泵液壓機的運動規(guī)律影響不大。 最后采用無油泵交流伺服直驅式新型液壓機對無鉚連接點進行平壓重塑形實驗，在成形過程中，該無油泵新型液壓機的位移和輸出力等可以實現(xiàn)伺服控制，產(chǎn)生的平壓重塑形無鉚連接點具有強度高、成形精度高等優(yōu)點，驗證了無油泵交流伺服直驅式新型液壓機的工作能力。本項目的研究結果為無油泵交流伺服直驅式新型液壓機的研制和產(chǎn)業(yè)化奠定了堅實的基礎。

傳統(tǒng)的液壓機中的泵站及液壓系統(tǒng)結構復雜、能量利用率低，為此本課題提出一種無油泵交流伺服直驅式新型液壓機的新原理傳動方案。摒棄了傳統(tǒng)的液壓油泵，巧妙地結合了機械壓力機的飛輪傳動與螺旋壓力機的螺旋傳動方式，采用交流伺服電動機直接驅動絲杠-螺母運動副的方式產(chǎn)生所需的油的壓力勢能，并采用液壓增壓缸原理，實現(xiàn)低速增力壓制工作，回程采用剛性拉桿帶動滑塊的機械傳動方式替代傳統(tǒng)的液壓回程方式，滑塊空程與回程的速度顯著提高。建立該新型傳動系統(tǒng)的動力學和運動學模型，揭示主要參數(shù)對滑塊運動特性及其控制特性的影響機理，構建該新原理液壓機的傳動理論；采用理論分析和計算機仿真的方法對該新的交流伺服直驅傳動系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)進行了設計優(yōu)化，獲得液壓系統(tǒng)的動態(tài)響應特性；開展該新原理液壓機傳動系統(tǒng)自動控制特性的計算機仿真與試驗研究，獲得最優(yōu)控制策略。為無油泵交流伺服直驅新型液壓機的研制和產(chǎn)業(yè)化奠定了堅實的理論基礎。

伺服液壓機節(jié)能

伺服液壓機 與普通液壓機比較，系統(tǒng)總體控制中不含比例伺服閥或比例泵環(huán)節(jié)，服驅動液壓機具有節(jié)能、噪聲低、溫升小、柔性好、效率高、維修方便等優(yōu)點，可以取代現(xiàn)有的大多數(shù)普通液壓機，具有廣泛的市場前景。與傳統(tǒng)液壓機比較節(jié)能效果顯著，根據(jù)加工工藝和生產(chǎn)節(jié)拍不同，伺服驅動液壓機比較傳統(tǒng)液壓機可節(jié)電 30%～70%。

伺服液壓機噪聲低

伺服驅動液壓機油泵一般采用內嚙合齒輪泵或高性能葉片泵，傳統(tǒng)液壓機一般采用軸向柱塞泵，在同樣的流量和壓力下內嚙合齒輪泵或葉片泵的噪聲比軸向柱塞泵低 5dB～10dB。伺服驅動液壓機在壓制和回程時電機在額定轉速下運行，其排放噪聲比傳統(tǒng)液壓機低 5dB～10dB。在滑塊快降及滑塊靜止時，伺服電機轉速為0，所以伺服驅動液壓機基本沒有噪聲排放。在保壓階段由于電機轉速很低，伺服驅動液壓機的噪聲一般小于 70dB，而傳統(tǒng)液壓機的噪聲為 83dB～90dB。經(jīng)測試及推算，在一般工況下，10 臺伺服液壓機產(chǎn)生的噪聲比一臺同樣規(guī)格的普通液壓機產(chǎn)生的噪聲還要低。

伺服液壓機發(fā)熱少

由于伺服驅動液壓機液壓系統(tǒng)無溢流發(fā)熱，在滑塊靜止時無流量流動，故無液壓阻力發(fā)熱，其液壓系統(tǒng)發(fā)熱量一般為傳統(tǒng)液壓機的 10%～30%。由于系統(tǒng)發(fā)熱量少，大多數(shù)伺服驅動液壓機可不設液壓油冷卻系統(tǒng)，部分發(fā)熱量較大的可設置小功率的冷卻系統(tǒng)。由于泵大多數(shù)時間為零轉速和發(fā)熱小的特點，伺服控制液壓機的油箱可以比傳統(tǒng)液壓機油箱小，換油時間也可延長，故伺服驅動液壓機消耗的液壓油一般只有傳統(tǒng)液壓機的 50%左右。

伺服液壓機自動化程度高

伺服驅動液壓機的壓力、速度、位置為全閉環(huán)數(shù)字控制，自動化程度高，精度好。另外其壓力、速度可編程控制，滿足各種工藝需要，還可以實現(xiàn)遠程自動控制。

伺服液壓機效率高

通過適當?shù)募訙p速控制及能量優(yōu)化，伺服控制液壓機的速度可大幅提高，工作節(jié)拍比傳統(tǒng)液壓機提高數(shù)倍，可達到 10/min～15/min。

伺服液壓機維修保養(yǎng)方便

由于取消了液壓系統(tǒng)中的比例伺服液壓閥、調速回路、調壓回路，液壓系統(tǒng)大大簡化。對液壓油的清潔度要求遠遠小于液壓比例伺服系統(tǒng)，減少了液壓油污染對系統(tǒng)的影響。

伺服液壓機發(fā)展方向

傳統(tǒng)液壓機系統(tǒng)雖然采用了恒功率變量泵的節(jié)能方案，但當機床處于快下、保壓以及機器人上下料狀態(tài)時，三相異步電動機仍會驅動油泵工作，而此時輸出的油液將通過液壓系統(tǒng)溢流回油箱，極大的造成能源浪費，同時循環(huán)溢流也極易造成油溫的上升。泵控電液伺服技術利用伺服電機的高速響應，實現(xiàn)即時供油的方式，還可以實現(xiàn)各個工藝過程中需要的不同壓力和流量，通過實時檢測來自油壓機控制系統(tǒng)的壓力和流量信號，適時調整各個工況動作所需的伺服電機轉速，讓泵輸出的流量和壓力最大化的滿足系統(tǒng)的需要，而在非動作狀態(tài)，讓伺服電機處于低速運行?？傮w來說節(jié)能效果與改造前相比可達20%-70%，另外噪音和油溫也有明顯降低，同時因為采用了伺服驅動器，可以很方便地進行液壓機的智能化改造升級?？梢钥隙?，液壓機的伺服化是未來的發(fā)展方向，對油壓機進行伺服節(jié)能改造也能夠獲得巨大的效率，相信這種性價比較高的泵控電液伺服系統(tǒng)會被更多的客戶所認同，必將推動整個產(chǎn)業(yè)的變革。

為了響應我國節(jié)能減排要求，工業(yè)液壓也向著節(jié)能方向轉型。而電液伺服系統(tǒng)，因為它良好的節(jié)能效果開始越來越多的被塑膠機械、壓鑄機械、鞋革機械、紡織機械、液壓機等機械行業(yè)重視和使用。伺服油泵（電液伺服泵）可以在低速下啟動，能適應電液伺服系統(tǒng)快慢速、高低壓、正反轉、快速切換的工況，電液伺服泵的出現(xiàn)改變了我國伺服液壓系統(tǒng)長期依靠日本、德國產(chǎn)品的局面，對整個液壓行業(yè)的節(jié)能減排做出了巨大貢獻。

由電液伺服驅動器、三相交流永磁同步電機、高性能專用伺服泵、壓力傳感器等幾部分可組成HES電液伺服節(jié)能系統(tǒng)。采用矢量控制 弱磁控制 專用PID控制算法，能精準控制整個工作過程所需的壓力與流量，消除高壓節(jié)流的能源損耗，達到節(jié)能省電的效果，同時降低系統(tǒng)油溫，最高節(jié)能率達65%，平均節(jié)能率30%以上。