基于直驱式电液伺服系统的液压机补油性能分析.pdf

文 章 编 号 1 6 7 2 ～ 0 1 2 1 2 0 1 4 0 6 0 0 3 2 0 3 基 于直驱式 电液伺服 系统 的液压机补油性能分析 聂 世 明 ， 张敏 ， 井 智 民 河 海大 学常州校 区 机 电工 程学 院 ， 江 苏常州 2 1 3 0 2 2 摘 要 本文 介绍 了直驱 式容 积 控制 电液伺 服 系统在 普通 油压 机上 的应 用 。 并针 对油压 机 开式和 闭式 系统 工作过 程 中的补 油 、 排 油 问题进 行 了一定 的对 比研 究 ， 设 计提 出采 用 密闭压 力 油罐给 系统进 行 无动 力补 油I 1 ] ， 并将 其应 用于直 驱 式 电液 伺服 系统 中。通过 理论 分析 密闭压 力 油罐 的应 用 ，提 高 了系统 的性 能并减少 系统 体 积 。相 当于 蓄 能器 的密 闭压 力 油罐 可 以很 好地起 到 补油 、 排 油 的作 用 ， 也使得 系统 的噪声 与爬行 问题 得 到 了很 好 的 解 决 。 关 键 词 机 械设 计 ； 油压机 ； 直 驱 式 ； 无 动力 补油 ； 密 闭压力 油罐 中 图分 类 号 T G3 1 5 ． 4 文 献 标 识 码 A O引 言 近十 几年来 ，在 容积 控制 系统 和交 流伺 服 电机 得到 广泛应 用 的背景 下 ，出现 了7 “x磁交 流 同步伺 服 电机 直 接 驱 动双 向定 量 泵 容 积 控 制 的 电液 伺 服 系 统 ， 也 称 DDVC 12 Di r e c t Dr i v e Vo l u me C o n t r o 1 系 统 或无 阀 电液伺服 系统 。该 系统 的液 压执 行机 构 的换 向 、调 速 、调压 三 大功能 全 由交流 伺 服 电机 直 接控 制 ， 所 以叫“ 直接 驱 动 ” ， 油泵 的 出油 流量 的改变 也是 由电机 直接 控 制 ， 具 有 高效 节 能 、 小 型集 成 化 、 操 作 与控 制简 单 、 成 本低 等优 势[ 3 1 ， 因此 其 发展非 常 迅速 。 油压机广 泛应用 于汽车行 业零 配件加工 ， 多种行 业产 品定 型 、 冲边 、 校正 ， 制鞋 、 手袋 、 模 具 、 轴 套 类零 件 的压 装 、 压 印成 型 ， 板 材零 件 的弯 曲 、 压 印 、 套 形拉 收稿 日期 2 0 1 4 0 4 0 3 作者简介 聂世 明 1 9 8 8 一 ， 男 ， 硕 士在读 ， 主攻液压 伺服 系统及 控制 研究 伸 等 工艺 。但是 ， 由于其 开式 回路存 在 补油 问题 ， 所 以一 般采用加 装副油 箱或动 力补油 ， 即用液 压泵单 独 作 为 补油 泵使 用 。 从而 增加 了系统 的体积 与重 量 ， 并 产 生诸 如发 热 等 问题 【4 1 。为解 决该 问题 ， 本 文采 用 了 一 种 无 动 力 补 油 阀 的 结 构 方 案 ， 通 过 设 计 密 闭 压 力 油 罐的压力较 好地解决 了非对称液压 缸补油排 油 问题 。 1 传 统 油压机 液压 系统 分析 现有 油压 机液压 系 统几乎 都 是开 式 回路 。液 压 系 统 中 通 过 控 制 阀 控 制 和 调 节 液 压 介 质 的 流 向 、 压 力和 流量 ， 从而 控制 执行 机构 的运 动方 向 、 输 出的 力 或力 矩 、 运 动 速度 、 动 作顺 序 ， 以及 限制 和 调节 液 压 系统 的工 作压 力 ， 防止过 载 等 如 单 向 阀 、 换 向 阀 、 溢 流 阀 、 减压 阀 、 顺 序 阀等 ， 如 图 1所示 。 本 文 主 要 对 比开 式 与 闭 式 系 统 补 油 、 排 油 情 况 。 开 式 回 路 液 压 泵 3 一 顺 序 阀 8 一 上 缸 换 向 阀 9 左 位 一 单 向 阀 I 厂 液 压 缸 I 无 杆 腔 。即 油 泵 从 油 箱 吸 ⋯ 1 全 国锻压 机械标 准化技术委员会 ． G B 2 8 2 4 1 2 0 1 2液压机 安全 技术要求[ s ] ． 北京 中国标准出版社 ， 2 0 1 2 ． f 2 12 P i l z P N O Z mu h i Mo d u l a r S a l t y S y s t e m ， S a l t y S o l u t i o n s F o r P r e s s ． [ 3 】 张金． 中国锻压行业未来发展方略 锻压技术， 2 0 1 3 ， 1 ． [ 4 ] 仝超， 乔礼惠． 液压伺服油压机高精控制的实现l J 1． 锻压装备与 制造技术 ， 2 0 1 0 ， 4 5 1 5 9 6 0 ． [ 5 ] 严建 文， 刘家旭 ， 等． 智能液压 机研究现状及 关键技术Ⅲ． 锻压 装 备与制造技术， 2 0 1 3 ， 4 8 2 1 5 1 7 e cur i t y Set t i ng s 2 1 图 1 开式回路油压机液压系统图 1 ． 滤油器2 ． 电机3 ． 变量泵4 、 1 1 ． 溢流阀5 ． 减压阀6 ． 先导阀 7 ． 释压 阀8 ． 顺序 阀9 ． 液压缸换 向 阀1 O ． 压力 继 电器1 2 ． 液压 缸 1 3 眉0 油箱 I 。 、 I 、 I 一液控单 向阀 I 、 I 、 I 广 单向阀 入 油 ， 当杆 件 快 速 下 行 时 由 副 油 箱 1 3的 油 流 经 液 控 单 向 阀 I 。 流人 到 液压 缸 无杆 腔 进 行 快速 补 油 ， 当杆 件 接 触 工 件 后 无 杆 腔 压 力 升 高 ，液 控 单 向 阀 I 关 闭 ， 运 行 速 度 由 液 压 泵 流 量 决 定 ， 同 样 ， 当 排 油 时 I 打开 ， 多余 的油液 流 回副油 箱 。 油压 机液 压 系统 中采 用开 式油 箱 ，在 使用 过 程 中常 常发 现爬 行 现象 并伴 有较 大 的噪 声 ，这均 为 系 统 中产 生 吸空 或气穴 即补油 系统短 暂失效 的缘 故 ， 通常 情 况下 ，当系统 中某 处油 液 的绝对 压 力小 于 此 时 的空气 分 离压 s - ， 油 液 中溶解 的空 气 就会分 离 出 来 ，形 成 一 些 气 泡 ，从 而 造 成 液 压 泵 的 吸 油 能 力 下 降 ， 导致 系统 产生 爬行 和 噪声 。 开式油 箱 或密 闭油 箱 均 易 导 致 该 问 题 的 发 生 。 开 式系 统补 油 、 排 油存 在 的 问题 1 系统 补 油 、 排 油 中系统 组 件 复 杂 ， 各 种 控 制 阀的控 制增 加 了系统 压力 损失 。 2 开式 油箱 外 加副 油箱 容积 大 ， 导致 增加 了系 统体 积 、 质量 。 3 在驱 动 上 都 是使 用 恒 转 速 感应 式 异 步 电动 机 鼠笼机 。在 工 作时 电动 机始 终处 于高 速 恒转 速 运 行 ， 耗 能 较大 。 4 采 用开 式 油箱 ， 系统 在工 作过 程 中势 必 产生 气 穴 ， 造 成 系 统 爬 行 、 噪 声 增 大 。 5 油 液质 量要 求 高 ， 废 油 多 ， 处 理 困难 。 另 外 ，泵 直接 传动 系统 中的液压 泵 均按 油 压机 的最 大工 作速 度和 工作 压力 选定 ，而油 压机 在 充液 行 程 、 回程 、 辅 助 工 序 和所 需 工 作 压 力较 小 时 ， 液压 泵都得 不 到充 分利 用 ， 尤其 是 大吨位 的 油压 机 ， 其利 用 系 数 很 低 。 2 DDVC 系统 在 油 压 机 上 的 应 用 2 ． 1系 统 原 理 分 析 如 图 2所示 为 油压机 直 驱式容 积 控制 伺 服 系统 原 理 图 。 系统 采用 闭式 回路 ， 主要组 成部 分为 计算 机 控制 系统 、 伺服 系 统 、 泵 控动 力机 构 和传感 器 。计 算 机控 制 系统 ， 利 用 给定输 入 信号 和反 馈信 号 ， 通过 适 当 的控 制 算法 ， 给 出系统 控 制信 号 ， 经信 号转 换后 输 入伺 服 电动机 驱动 器 ， 生成 控制指 令 。 伺 服 电动机 根 据控 制 系统 输 入 指 令 ， 改 变转 速 、 运 动方 向 ， 直接 驱 动双 向液 压定 量泵 ，产 生一 定流 量 和压 强 的液压 动 力 ， 推 动液 压缸 ， 带 动负 载 。传感 器将 需要 控 制 的物 理量反 馈 给计算 机 控制 系统 ， 实 现系 统 的伺 服 控制 。 位置 速 度 指 压力 推力 指 图 2 油压 机直驱式容积控制 系统原理 图 1 ． 伺 服 电动 机2 ． 双 向定 量泵3 ． 单 向阀4 ． 过 滤器5 ． 密 闭压力油罐6 ． 液压锁阀7 ． 电磁换 向阀8 ． 非对称液压 缸 9 ．液控单 向阀 2 ． 2液压 系统 采用 无 动力密 闭压 力油 罐补 油 为 了解决 开 式油 箱补 油存 在 的问题 ，设 计 了密 闭压力 油罐 ， 如 图 3所 示 。 其 中 ， 油 罐体 为钢 结构 。 气 囊 的采 用 ， 是 为 了将 空气 与油 液隔绝 开 来 ， 同时 它 又 是 可压 缩 的气体 弹性 元件 ，可 防止 发 生 吸空或 气穴 的可能 性 。该结 构类 似 于传统 的蓄能器 ， 但 是 ， 气囊 的尺寸 应根 据 实际 系统而 设计 ， 充 气压 力 不能 太高 ， 图 3 密闭压力油罐结构图 气 口 从 而 保证 系统 的可 靠性 与安 全性 【” 。 此类 油罐 需专 门 定制 ， 结 构复 杂 ， 成 本增 加 。其工 作原 理 与蓄 能器 相 近 ， 由于 密 闭压力 油 罐 油 箱 ， 在 油罐 中有 气囊 ， 在 充气 后使 油泵 吸 油 口始终保 持 正压 ，从 而提 高液 压 泵 的 自吸能力 嗍 。 气囊 式压 力容 器避 免 了空气 与 油液 的直 接 接 触 ， 减 少 了油 液 中 的 空 气 含 量 。 2 ． 3 密 闭压力油罐在 DDVC系统 的应用 与补油分 析 改 进后 的油 压机采 用 密 闭压力 油罐 补油 、 排 油 。 由于油 缸为单 出杆缸 ， 即油缸两 腔 的容积 是 不等 的 ， 分 别进 行伸 出与 回缩 时流 量分 析 。如 图 2所 示 。 1 活 塞杆 前进 伸 出 时 活塞 杆油 腔 小 腔 排 出 的油量 小 于 活塞 腔 大 腔 所 需 的油量 ， 此 时 油泵 的入 口处 除接受 油 缸小腔 排 出 的油 量外 ，杆在 未接 触 工 件 前 无 杆 腔 压 力 较 低 ，此 时 系 统 中 密 闭 压 力 油 罐 5通 过单 向阀 3向系统 快速 补油 ， 满 足流 量需 求 ， 在杆 接触 工件后 系统压力 升 高 ， 系统 流量减 小 ， 通 过 正常 吸排 油就 能满 足 系统油 量 的需 求 。 2 活 塞 杆 后 退 缩 回 时 电 机 反 转 ， 改 变 主 回 路 中的 高压 与低压 。油 缸 大腔排 出的油量 大 于油 缸 小腔所 需 要 的油量 ，电机 换 向 电磁换 向阀 7接 右 位 ， 接 通 液 控 单 向阀 9， 此 时在 满 足 油泵 吸 油 口所 需 的油量 后 ，多余 的油 液经 液控 单 向 阀流 回密 闭压 力油罐 。 在本 系统 中 ， 由管 道接 无杆 液压 腔将 多余 油 液引 回密 闭压 力油 罐 ，必须 保证 回油 压 力大 于密 闭 压力 油罐 的压 力 ， 由于 密闭 压力 油罐 压力 不是 很 大 ， 当无 杆腔 回油 时 回油腔 压力 会 大于罐 的压 力 ，会 将 多余 的油 液排 到油 罐 中 。 2 ． 4改 进 后 的油 压 机 直 驱 式 容 积 控 制 系 统 优 缺 点 分 析 其 优 点 主要 有 油箱 容 积小 ， 控 制精 度 高 ， 控 制 阀减 少 ， 液 压 回路 短 ， 减 少 了 压 力 损 失 ， 节 约 电 能 ， 噪 声小 ， 油 液质 量要 求不 高 ， 很 少产 生废 油 ， 等 。 直驱式控制系统存在着 以下 不足 ①一般情 况下 ， 开 式 回路适 用 于具有 多个 执行 器 的系统 ，即多 用户 系统 。 但这 时 系统 中要使 用方 向控 制 阀 。 闭式 回路 的 特 点是 适合单 用 户 系统 ， 即只有 一个 执行 件 的系统 ， 这 是 闭式 回路 的局 限性川。 ② 在 系统动 态特 性 的快速 性 ， 即响应特 I 生方 面 不如传 统 系统 。 ③ 由于系统 中控 制精度 的增加 ， 使其制造价格要 高出普通油压机很多 。 3结 论 综上 所述 ，油 压机 直驱 式控 制 系统 中采 用密 闭 压 力油罐 进行 无动 力补 油 ，由于 油罐 始终 保 持一 定 的压 力 ，从而 补偿 了系统 中 的阀 、管 道 等 的压力 损 失 ， 消 除 了补 油不 足及其 产 生 的噪声 及爬行 问题 。 在 间 隙 短 时 操 作 或 液 压 泵 频 繁 启 动 的 系 统 中 ，压 力 油 罐 可 以作为辅 助 能源使 用 ， 进而 减少 液压 泵 的功 率 ， 节 约动 力 ， 减 少投 资 ， 提高 电机 和液 压泵 的寿命 。 【 参考 文 献 】 [ 1 ] 李 阁强 ， 王汉杰 ， 许 宏光 ， 等 ．密 闭压力油罐补油性能 的研 究[ J 1 ．机 械设计与制造 ， 2 0 1 1 ， 9 1 3 7 1 3 9 ． [ 2 ] 刘庆和． 直接驱动容积控制液压传动原理 D D V C系统 【 M ] ． 哈尔 滨 哈尔滨工业大学 出版社 ， 2 0 0 7 1 2 1 8 ． [ 3 ] 姜继海， 苏文海， 刘庆和． 直驱式容积控制电液伺服系统[J ] ． 军民 两用技术与产品 ， 2 0 0 9 ， 9 4 3 4 8 ． [ 4 】 许宏光 ， 桂 文浩 ， 刘庆 和． 液压 闭式 回路无动力 补油 的实 验研究 Ⅲ． 机床与液压 ， 2 0 0 6 ， 3 4 2 1 2 1 1 2 4 ． [ 5 ] 雷天觉 ， 等 ． 新编液压工程 手册[ M】 ． 北京 北 京理工大学 出版社 ， 1 9 9 8 ． [ 6 ] 苏文海 ， 姜继海， 邓攀． 直驱式电液伺服闭式回路的噪声分析 机床与液压 ， 2 0 1 0， 3 8 1 0 ． 【 7 】 刘庆和． 直驱式液压传动【 J 】 _液压气动与密封， 2 0 1 1 ， 7 9 1 2 ． Ana l y s i s o f o i l - c h a r g i ng f u nc t i o n f o r d i r e c t - dr i v i ng o i l pr e s s ． NI E S h i mi n g ， Z HANG Mi n ， J I NG Z h i mi n C h a n g z h o u C a m p u s o f H o h a i U n i v e r s i t y ， C h a n g z h o u 2 1 3 0 2 2 ， J i a n g s u C h i n a Abs t r ac t Th e a pp l i c a t i o n o f d i r e c t d r i v i n g v o l u me c o n t r o l e l e c t r i c h y d r a u l i c -s e r v o s y s t e m i n r e g ul a r o i l p r e s s h a s b e e n i n t r o d uc e d i n t he t e x t ． Th e c h a r g i n g a n d di s c h a r g i n g o f o i l i n o pe n a nd c l o s e s y s t e m f o r o i l p r e s s ha s b e e n