新型直接驅動式液壓伺服泵的基礎研究結題摘要

多電是未來飛機的重要發(fā)展方向，其中功率電傳作動是多電飛機最關鍵的技術之一。目前發(fā)展較快的主要是電靜液作動(EHA)技術，采用旋轉電機-柱塞泵-作動器三元件串聯(lián)的控制模式，存在頻寬低、可靠性與壽命差、精度低等問題。本項目針對多電飛機對高性能功率電傳技術日益增長的迫切需要，創(chuàng)新性地提出一種電磁直接驅動柱塞的液壓伺服泵，通過諧振直線伺服電機直接驅動活塞吸排油的同時，帶動后端閥口進行交互式配流，實現(xiàn)液壓泵流量與壓力的伺服控制，具有動態(tài)特性好、功重比高、流量壓力控制靈活、模塊化組合、容錯能力強和可靠性高等突出優(yōu)點，特別適用于電靜液作動核心驅動部件。該項目原創(chuàng)性強，對于開創(chuàng)直接容積伺服驅動這一全新領域，推動飛機多電化發(fā)展具有重要作用。 項目重點開展了新原理液壓泵高容錯結構構建與配流調控機制研究，高功率密度直線諧振驅動工作機理探索，直驅泵固液耦合作用及流量脈動的自適應抑制，及多通道多變量的協(xié)調控制等研究。取得了如下重要結果：提出新型復合哈爾巴赫磁極陣列，使直線電機諧振頻率達到了100Hz國際先進水平；發(fā)現(xiàn)了直線電機諧振頻率與系統(tǒng)頻寬的相關性，系統(tǒng)動態(tài)輸出特性可高達7-15Hz，相比傳統(tǒng)旋轉作動系統(tǒng)有明顯優(yōu)勢；提出基于無窮可微函數(shù)的主動控制方法，為抑制流量脈動提供了有效手段；突破了容錯結構設計與流量壓力控制等關鍵性技術，完成了電磁直接驅動新原理伺服泵的樣機研制及原理性驗證，為自饋能剎車系統(tǒng)直線泵的取能裝置的設計提供理論和技術基礎。以上研究內容已滿足并超過預期計劃。 初步取得如下成果：1.在IEEE/ASME Trans. on Mech.、IEEE Trans. on Ind. Elec.等領域內頂級期刊和國際會議發(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等國際同行積極關注和引用，SCI引用600余次，2篇論文入選ESI高引論文。3.國家發(fā)明二等獎1項(排名1)；何梁何利科學與技術進步獎1項；省部級科技一等獎2項(排名1)；IEEE國際會議最優(yōu)論文獎1項(排名1)。 2100433B

針對多電飛機、船舶等重大裝備對高性能功率電傳(Power By Wire)技術日益增長的迫切需要，提出一種電磁直接驅動柱塞的新型液壓伺服泵，通過諧振式直線伺服電機直接驅動活塞吸排油，采用創(chuàng)新交互式配流代替配流盤，實現(xiàn)液壓泵流量與壓力的伺服控制，具有動態(tài)特性好、功重比高、流量壓力控制靈活、模塊化組合、容錯能力強和可靠性高等突出優(yōu)點，特別適合于作為電靜液作動器的核心驅動部件使用。該課題將主要解決新原理液壓泵的高容錯結構的創(chuàng)新與配流調控機制、高功率密度直線驅動的能量轉換與振動機理、伺服泵協(xié)調運動控制與控制策略等科學問題，重點突破容錯結構的設計與流量壓力控制、高功率密度直線驅動式諧振電機、高速固液耦合作用下的振動噪聲及自適應抑制、多柱塞運動的協(xié)調控制等關鍵技術。為電磁直接驅動這一新原理伺服泵奠定系統(tǒng)完整的理論基礎，并形成關鍵技術支撐。該項目原創(chuàng)性強，預期將開創(chuàng)直接容積伺服驅動這一全新領域。

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業(yè)化奠定了堅實的理論基礎。