新型直接驅(qū)動(dòng)式液壓伺服泵的基礎(chǔ)研究

多電是未來(lái)飛機(jī)的重要發(fā)展方向，其中功率電傳作動(dòng)是多電飛機(jī)最關(guān)鍵的技術(shù)之一。目前發(fā)展較快的主要是電靜液作動(dòng)(EHA)技術(shù)，采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)-柱塞泵-作動(dòng)器三元件串聯(lián)的控制模式，存在頻寬低、可靠性與壽命差、精度低等問(wèn)題。本項(xiàng)目針對(duì)多電飛機(jī)對(duì)高性能功率電傳技術(shù)日益增長(zhǎng)的迫切需要，創(chuàng)新性地提出一種電磁直接驅(qū)動(dòng)柱塞的液壓伺服泵，通過(guò)諧振直線伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)活塞吸排油的同時(shí)，帶動(dòng)后端閥口進(jìn)行交互式配流，實(shí)現(xiàn)液壓泵流量與壓力的伺服控制，具有動(dòng)態(tài)特性好、功重比高、流量壓力控制靈活、模塊化組合、容錯(cuò)能力強(qiáng)和可靠性高等突出優(yōu)點(diǎn)，特別適用于電靜液作動(dòng)核心驅(qū)動(dòng)部件。該項(xiàng)目原創(chuàng)性強(qiáng)，對(duì)于開創(chuàng)直接容積伺服驅(qū)動(dòng)這一全新領(lǐng)域，推動(dòng)飛機(jī)多電化發(fā)展具有重要作用。 項(xiàng)目重點(diǎn)開展了新原理液壓泵高容錯(cuò)結(jié)構(gòu)構(gòu)建與配流調(diào)控機(jī)制研究，高功率密度直線諧振驅(qū)動(dòng)工作機(jī)理探索，直驅(qū)泵固液耦合作用及流量脈動(dòng)的自適應(yīng)抑制，及多通道多變量的協(xié)調(diào)控制等研究。取得了如下重要結(jié)果：提出新型復(fù)合哈爾巴赫磁極陣列，使直線電機(jī)諧振頻率達(dá)到了100Hz國(guó)際先進(jìn)水平；發(fā)現(xiàn)了直線電機(jī)諧振頻率與系統(tǒng)頻寬的相關(guān)性，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)輸出特性可高達(dá)7-15Hz，相比傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)作動(dòng)系統(tǒng)有明顯優(yōu)勢(shì)；提出基于無(wú)窮可微函數(shù)的主動(dòng)控制方法，為抑制流量脈動(dòng)提供了有效手段；突破了容錯(cuò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與流量壓力控制等關(guān)鍵性技術(shù)，完成了電磁直接驅(qū)動(dòng)新原理伺服泵的樣機(jī)研制及原理性驗(yàn)證，為自饋能剎車系統(tǒng)直線泵的取能裝置的設(shè)計(jì)提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)。以上研究?jī)?nèi)容已滿足并超過(guò)預(yù)期計(jì)劃。 初步取得如下成果：1.在IEEE/ASME Trans. on Mech.、IEEE Trans. on Ind. Elec.等領(lǐng)域內(nèi)頂級(jí)期刊和國(guó)際會(huì)議發(fā)表論文101篇，其中SCI 43篇；出版專著2部。2.受到皇家工程院院士、IEEE/ASME Fellow等國(guó)際同行積極關(guān)注和引用，SCI引用600余次，2篇論文入選ESI高引論文。3.國(guó)家發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)(排名1)；何梁何利科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)1項(xiàng)；省部級(jí)科技一等獎(jiǎng)2項(xiàng)(排名1)；IEEE國(guó)際會(huì)議最優(yōu)論文獎(jiǎng)1項(xiàng)(排名1)。 2100433B

針對(duì)多電飛機(jī)、船舶等重大裝備對(duì)高性能功率電傳(Power By Wire)技術(shù)日益增長(zhǎng)的迫切需要，提出一種電磁直接驅(qū)動(dòng)柱塞的新型液壓伺服泵，通過(guò)諧振式直線伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)活塞吸排油，采用創(chuàng)新交互式配流代替配流盤，實(shí)現(xiàn)液壓泵流量與壓力的伺服控制，具有動(dòng)態(tài)特性好、功重比高、流量壓力控制靈活、模塊化組合、容錯(cuò)能力強(qiáng)和可靠性高等突出優(yōu)點(diǎn)，特別適合于作為電靜液作動(dòng)器的核心驅(qū)動(dòng)部件使用。該課題將主要解決新原理液壓泵的高容錯(cuò)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新與配流調(diào)控機(jī)制、高功率密度直線驅(qū)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換與振動(dòng)機(jī)理、伺服泵協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制與控制策略等科學(xué)問(wèn)題，重點(diǎn)突破容錯(cuò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與流量壓力控制、高功率密度直線驅(qū)動(dòng)式諧振電機(jī)、高速固液耦合作用下的振動(dòng)噪聲及自適應(yīng)抑制、多柱塞運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)控制等關(guān)鍵技術(shù)。為電磁直接驅(qū)動(dòng)這一新原理伺服泵奠定系統(tǒng)完整的理論基礎(chǔ)，并形成關(guān)鍵技術(shù)支撐。該項(xiàng)目原創(chuàng)性強(qiáng)，預(yù)期將開創(chuàng)直接容積伺服驅(qū)動(dòng)這一全新領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的液壓機(jī)中的泵站及液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能量利用率低，為此本課題提出一種無(wú)油泵交流伺服直驅(qū)式新型液壓機(jī)的新原理傳動(dòng)方案。摒棄了傳統(tǒng)的液壓油泵，采用交流伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)絲杠-螺母運(yùn)動(dòng)副的方式產(chǎn)生所需的油的壓力勢(shì)能，并采用液壓增壓缸原理，實(shí)現(xiàn)低速增力壓制工作，液壓油在液壓缸體內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)，在液壓缸工作時(shí)可以迅速反應(yīng)充液和排液，回程采用剛性拉桿帶動(dòng)滑塊的機(jī)械傳動(dòng)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(guò)對(duì)交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)位移、輸出力的閉環(huán)控制。 本項(xiàng)目首先采用理論計(jì)算和有限元分析的方法完成了無(wú)油泵交流伺服直驅(qū)式新型液壓機(jī)樣機(jī)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，建立了無(wú)油泵交流伺服直驅(qū)式新型液壓機(jī)的整機(jī)及各零部件的三維模型，對(duì)主要部件進(jìn)行靜力分析和預(yù)應(yīng)力加載狀態(tài)下的模態(tài)分析，并根據(jù)分析的結(jié)果對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，最終使該無(wú)油泵新型液壓機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能均滿足設(shè)計(jì)要求。 然后完成了無(wú)油泵交流伺服直驅(qū)式新型液壓機(jī)樣機(jī)的機(jī)械加工、整機(jī)裝配和計(jì)算機(jī)控制回路的搭建，并對(duì)該無(wú)油泵交流伺服直驅(qū)式新型液壓機(jī)進(jìn)行了空載實(shí)驗(yàn)，不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速條件下檢測(cè)分析電機(jī)位置、電機(jī)轉(zhuǎn)速、滑塊位置及各個(gè)液壓腔的壓強(qiáng)等參數(shù)，結(jié)果表明無(wú)油泵交流伺服直驅(qū)式新型液壓機(jī)具有快速下行和上行、低速增力鍛沖的特性。對(duì)該新型無(wú)油泵液壓機(jī)在不同負(fù)載工況下進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在帶負(fù)載情況下電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)和滑塊運(yùn)動(dòng)規(guī)律與空載狀態(tài)下的變化規(guī)律相似，負(fù)載情況對(duì)無(wú)油泵液壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律影響不大。 最后采用無(wú)油泵交流伺服直驅(qū)式新型液壓機(jī)對(duì)無(wú)鉚連接點(diǎn)進(jìn)行平壓重塑形實(shí)驗(yàn)，在成形過(guò)程中，該無(wú)油泵新型液壓機(jī)的位移和輸出力等可以實(shí)現(xiàn)伺服控制，產(chǎn)生的平壓重塑形無(wú)鉚連接點(diǎn)具有強(qiáng)度高、成形精度高等優(yōu)點(diǎn)，驗(yàn)證了無(wú)油泵交流伺服直驅(qū)式新型液壓機(jī)的工作能力。本項(xiàng)目的研究結(jié)果為無(wú)油泵交流伺服直驅(qū)式新型液壓機(jī)的研制和產(chǎn)業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的液壓機(jī)中的泵站及液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能量利用率低，為此本課題提出一種無(wú)油泵交流伺服直驅(qū)式新型液壓機(jī)的新原理傳動(dòng)方案。摒棄了傳統(tǒng)的液壓油泵，巧妙地結(jié)合了機(jī)械壓力機(jī)的飛輪傳動(dòng)與螺旋壓力機(jī)的螺旋傳動(dòng)方式，采用交流伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)絲杠-螺母運(yùn)動(dòng)副的方式產(chǎn)生所需的油的壓力勢(shì)能，并采用液壓增壓缸原理，實(shí)現(xiàn)低速增力壓制工作，回程采用剛性拉桿帶動(dòng)滑塊的機(jī)械傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，揭示主要參數(shù)對(duì)滑塊運(yùn)動(dòng)特性及其控制特性的影響機(jī)理，構(gòu)建該新原理液壓機(jī)的傳動(dòng)理論；采用理論分析和計(jì)算機(jī)仿真的方法對(duì)該新的交流伺服直驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，獲得液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；開展該新原理液壓機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)控制特性的計(jì)算機(jī)仿真與試驗(yàn)研究，獲得最優(yōu)控制策略。為無(wú)油泵交流伺服直驅(qū)新型液壓機(jī)的研制和產(chǎn)業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。