电拖动闭式液压系统实验台设计与研究.pdf

E QUI P M E NT MANAGE ME NT AND MAI NTE NANCE 文章编号 1 0 0 0 0 3 3 X 2 0 1 5 0 8 0 0 8 9 0 4 电拖动闭式液压系统实验台设计与研究 张 平 ， 陈思 茹 ， 凌 寒 ， 赵 妮 1 ．西安建筑科技大学 机 电工程学 院， 陕西 西安 7 1 0 0 5 5 ； 2 ．陕西交 通职业技术学院 ， 陕西 西安 7 1 0 0 1 8 摘 要 针 对 电拖动 闭式液压 传动 系统 功 率 匹配方 法 、 控 制技 术及 状 态监 测 与故 障诊 断方 法的研 究 需 求 ， 基 于 系统的机 电液耦合 特性 ， 确 定选 用 电、 机械 、 液 压信 号传 感 器以及 液压加 载 方式 实验 台设 计方案， 并进行 了相应的参数设计和元件选型。在此基础上进行 了实验 台液压 系统的仿真研 究， 结 果表明， 所设计的实验 台能满足相应的设计要 求。 关键 词 电拖 动 ； 闭式液 压 系统 ； 实验 台 ； 仿 真 中 图分类 号 U4 1 5 ． 5 文献标 志码 B De s i g n a n d Re s e a r c h o f Te s t Ri g f o r El e c t r i c Dr i v e Cl o s e d l o o p Hy d r a u l i c Sy s t e m ZHANG Pi ng ，CH EN Si r u 。，LI NG H a n ，ZHA 0 Ni 1 ．S c h o o l o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g，Xi ’ a n Un i v e r s i t y o f Ar c h i t e c t u r e a n d Te c h n o l o g y，Xi ’ a n 7 1 0 0 5 5，S h a a n x i ，Ch i n a ；2 ． S h a a n x i Co l l e g e o f Co mmu n i c a t i o n Te c h n o l o g y，Xi ’ a n 7 1 0 0 1 8，S h a a n x i ，Ch i n a Abs t r a c t I n o r de r t o r e s e a r c h t h e p owe r m a t c h i ng，c o nt r o l t e c hn i q ue，c on di t i o n mo ni t o r i n g a n d f a u l t d i a g no s i s o f e l e c t r i c dr i v e c l o s e d l o op h yd r a u l i c s y s t e m ， t he t e s t r i g wa s de s i g ne d b y a d o p t i n g me c h a n i c a l - e l e c t r i c a l -- h y d r a u l i c s e n s o r s a n d h y d r a u l i c l o a d i n g s y s t e m b a s e d o n t h e me c h a n i c a l e l e c t r i c a l h y d r a u l i c c o u p l i n g c h a r a c t e r i s t i c s ． M e a n wh i l e ，t h e p a r a me t e r s o f c ompo ne nt s we r e de s i g ne d，b a s e d on whi c h t he s i mu l a t i o n o f h yd r a ul i c s y s t e m wa s c a r r i e d o ut ． The r e s ul t s of s i mul a t i on s ho w t ha t t he t e s t r i g me e t s t he d e s i gn r e q ui r e m e nt s ． Ke y wo r ds e l e c t r i c dr i v e；c l o s e d l o op hy d r a ul i c s ys t e m ；t e s t r i g；s i m u l a t i o n U 引 置 闭式液压 系统调速范围大 ， 传动效率高， 因此被 广泛地应用于大功率工程机械 中， 如盾构机的刀盘 驱动系统、 全液压推土机的行走系统 、 摊铺机的行走 系统 等口 ] 。 这些系统所驱动 的负载工况比较复杂 ， 如摊铺 机行走系统负载 比较平稳 ， 但需要恒速 ； 推土机的负 载变 化剧 烈 ， 速度 变化 剧烈 。 目前 ， 这 些工 程机 械设 备的原动机大都是 内燃机 ， 内燃机扭矩的储备系数 一 般 在 1 ． 2 左 右 ， 因此 ， 当负 载 变化 比较 剧 烈 时 ， 即 使经过一定 的匹配优化 ， 发动机 的平均输 出功率仍 然低于发动机的额定功率， 从而不能发挥发动机的最 大能效 ， 造 成发 动机 油 耗 的增加 。同时 ， 负载 的变化 引起发动机转速 的变化 ， 也会造成设备速度 的变化 ， 使得系统的速度 、 刚度降低， 由此造成施工质量的下 降 。此外 ， 系统匹 配不 合 理时 或 在特 殊工 况 下 ， 泵 和 马达总效率显著降低 ， 系统的低速稳定性较差 4 。 ] 。 相较 于 内燃机 拖 动 ， 电拖 动 则 表 现 出动 力 源 污 染少 、 速度 稳 定 、 低 转 速 下 可 大 扭 矩 输 出 等 优 良特 性 ， 更适合于隧道 、 井下等特殊施工环境 。同时， 基 于机电液耦合特性 ， 电拖动液压传 动系统 的状态监 测更 易于 实现 。因此 ， 建 立 电拖 动 液压 闭式 系 统 实 验 台 ， 对 于研 究 此 类 系 统 的功 率 匹 配 方 法 、 控 制 技 术 、 状 态监 测及 故 障诊 断方法 都具 有重要 的意义 。 1 实验 台功能分析 根据闭式系统在工程设备上 的典型应用， 所设 收稿 日期 2 0 1 5 一 O 1 1 5 基金项目 长安 大学公路养护装备 国家工程实验室开放基金 2 0 1 3 G1 5 0 2 0 4 7 ； 西安建筑科技大学青年科技基金 QNl 1 2 6 8 9 E QU I P ME NT MANAGE ME NT AND MAI NTE NANCE 计的实验台应具有以下功能。 1 通过分析泵 、 马达的工作效率 以及 电机的 驱动 特性 ， 进行 动态 载 荷 下 的液 压 驱 动 系统 的性 能 测试 ， 并进行工程设备动力最佳匹配方法研究及相 应 的验证 。 2 根据 典型设备闭式 系统所驱动 的负载特 性 ， 进行机电液集成系统设计与控制方法研究 ， 特别 是动态载荷下的最佳控制方法研究。 3 通过采集 电、 机 、 液 的信号 ， 研究机 电液系 统多信息耦合特性 ， 并将其应用 于机 电液设备 的状 态监测与故障诊断。 2实验 台设计方案 根据前述设计功能， 整个系统 的功率 流如图 1 所 示 ， 原 动机 将 电能 电压 U 、 电流 转 换 为机 械 能 扭 矩 T M 。 、 转 速 n o ， 液 压泵 将 输 入 的机 械 能 转 换 为液 压能 压力 P、 流 量 q ， 液 压 马达 再 将液 压 能 转 换为 机 械 能 扭 矩 T M 。 、 转 速 M 。 进 行输 出并 驱 动负载 。因此 ， 在 进行 系 统 设计 时除 了设计 传 动 系 统外， 还需选择对应 的机 电液传感器 。此外， 由于实 验室无 法施 加实 际负 载 ， 因此 需设 计 相 应 的加 载系 统 ， 用 于对传 动 系统 的输 出端 进行 加载 。 图 1 电拖动液压传动系统 功率流 根 据前 述分 析 ， 确 定 如 图 2所 示 的实 验 台设 计 方案 。 压力传感器l 图 2买 验 台 设计 方 案 实验 台组 成 包 括 动 力 系统 、 传 动 系统 、 加 载 系 统、 传感器系统、 控制系统五部分。动力系统 由调速 器和三相永磁同步电机组成 ， 由电机提供动力 ； 传动 系统 由闭式 变量 泵 和 闭式 变 量 马达 组 成 ， 其 中包 含 必要的补油油箱 、 风扇冷却器等 ； 考虑到加载功率及 加载扭矩较大， 加载系统采用液压加载方式 ， 加载泵 9 0 输出油 口接 比例溢流阀， 并 由比例溢流阀模拟负载 变化 ， 同时在拖动马达和加载泵之间增加惯性盘 ， 以 模拟惯性负载 ； 传感器系统负责电信号 、 机械信号及 液压信号的检测， 主要包括 电流互感器、 电压互感 器、 动态扭矩转速仪 、 压力传感器 、 流量传感器 以及 对应的信号调理电路 、 数据采集卡等 ； 控制系统主要 完 成对变 量泵 、 变量 马达 、 比例 溢流 阀的控 制 。 3实验 台设计 内容 根据前述实验 台功能分析和实验台设计方案， 确定实验 台驱动系统原理 ， 如图 3所示 ， 加载系统原 理 如 图 4所示 。 扭 图 3 实验台驱动系统原理 图 4加 载 系 统 原 理 在电机的三相输入电路上安装相应的电流互感 器 、 电压 互感 器 ， 用 以检 测 输入 整 个 系 统 的 电功 率 。 在 电机 输 出轴和泵 输 入 轴 之 间安 装 扭 矩转 速 仪 ， 用 以检测 电机 的输 出机械 能 ， 即液压泵 的输 入机 械能 。 选 择林 德 的闭式 电 比例变 量泵 和 电 比例变 量 马 达 为驱 动 系统 ， 同时在 液 压 传 动 系统 回路 上设 计 了 比例溢流阀， 用以调节传动系统 的最高压力 。对于 液压参数的检测 ， 选用压力传感器分别检测泵输出 压力 和马达 回油 背压 ， 选 用 流 量 传 感器 分 别 检 测 泵 的实 际输 出流量 和 马 达 的排 出流 量 。 同时 ， 利 用 温 度传感 器检 测 系统 的温度 。 加载系统的加载泵选用斜轴式柱塞泵 ， 加载阀 E Q U I P ME N T MA N A G E M E N T A N D MA I N T E N A N C E I 圜圈圈国宦强固 选用 ATOS比例溢流阀， 与比例溢流 阀并联连接一 个 电磁溢流阀进行压力保护。为了对比例溢流阀进 行 保 护 ， 在 定 量 泵 的 出 口处 设 置 过 滤 精 度 为 3 b t m 的压力过滤器 。在加载泵的输入轴和拖动马达的输 出轴之间安装扭矩转速仪， 用 以检测拖动 系统 的输 出机 械能 ， 同时也 可 为加 载 系 统 和驱 动 系统 提 供 反 馈信号。此外 ， 在输 出轴之间设置相应的惯性盘 ， 用 以模 拟实 际负 载 的惯性 负载 。 选择 驱动 功 率 P M为 3 0 k W ， 额 定 转 速 ， z M 为 1 5 0 0 r p m， 则 电机输 出扭 矩 T M 。 为 gE M , 一 一 -- 1 9 1 NE M O m 1 一 一 n 取 系 统 额 定 压 力 P 。为 2 5 MP a ， 泵 机 械 效 率 珈 为 0 ． 9 2 ， 则 驱动液 压泵 的排 量 。 为 T，一 2 TE M Or ] D V m 一 2 丌 1 9 10． 9 2 一 。 PD 2 5 44 ．2 m L r - 1 2 参照林德闭式泵样本， 选择驱动液压 闭式变量 泵 的规格 为 5 5 ， 实 际最 大排 量为 5 4 ． 8 mL r _ 。 。为 了输出较大扭矩 ， 选择拖动马达的规格 大于驱动泵 的规 格 。 参照林德 马达样 本 ， 选 择拖 动马 达 的规格 为 7 5 ， 实 际最大排 量 VM ⋯ 为 7 5 ． 9 mL r _ 。 。为 避 免 马达在小排量下工作效率过低， 同时提供足够 的输 出扭 矩 ， 限定 马 达 的 最小 排 量 比为 0 ． 4 5 ， 则 马 达 的 最小排量为 3 4 ． 2 mL r _ 。 。取马达机械效率 叼 M 为 0 ． 9 3 ， 则 马达输 出的最 大扭矩 T M 。 为 T一 下PD P VMm a x．r ／ M 一 0 ． 93M O 一 一‘m 一 一 2 81 N m 3 在忽略泵和马达容积效率的前提下 ， 拖动马达 最高 输 出转速 n M m a x 为 ⋯ Q VD p h E M 一 5 4 ． 8 1 5 00 一 M 一 一弋 7 一 一一 2 4 0 3 ． 5 mL r - 4 根据 实验 台的工作 原理 ， 加 载泵 的输人 扭矩 TⅢ与马达输 出扭矩相等 。加 载泵选 用斜轴式泵 ， 额定 压 力 P 为 3 1 ． 5 MP a ， 则 加载泵 排 量 为 、 ， ， 一 一 o ． 93 5 2 ． 1 mL r - 5 选择斜轴式柱塞泵 ， 其排量为 6 3 mL r _ 。 ， 最高 转速为 2 5 5 0 r rai n _ 。 ， 能满足拖动马达加载需要。 拖动马达、 加载泵 、 扭矩转速仪及联轴器的惯量 之和小于 0 ． 0 3 k g m。 ， 这与实际设 备的惯性 相差 很 大 ， 因此在 拖 动马 达 与 加 载泵 轴 之 间增 加 最 大惯 量为 0 ． 4 k g m 的惯性盘， 且其惯量可调。 4 仿真分 析 为进一 步验 证 实验 台 系统 设 计 的 可 行性 ， 利用 Ame s i m软件对系统进行 了仿真分析 ， 模型见 图 5 。 模 型 中 电机 、 变 量 泵 、 溢 流 阀 、 变 量 马达 、 惯性 负载 、 加载泵按前述实验台设计参数给定 ， 补油泵及补油 溢 流 阀按 主泵样 本 中的参 数给 定 。 图 5 系统仿真模型 加载溢流阀输入信号 为正弦信号， 则加载泵的 出 口压 力如 图 6所示 ， 对 应 的加 载扭 矩如 图 7所示 。 驱 动 系统输 出转 速 如 图 8所 示 ， 变 量 泵 出 口压 力 如 图 9 所 示 。 图 6 加载泵出 口压力 图 7 加载扭矩 由图 7 可知 ， 加载扭矩随着加载压力变化 ， 为正 弦信号 ， 表明加载 系统可进行低频 率动态加载 ； 由 图 8 可知， 驱动系统的压力在启动 阶段的振荡后 ， 也 随着加载系统的扭矩变化 。同时， 拖动马达输 出转 9 1 瑚 Ⅲ 瑚 m 瑚 Ⅲ 瑚 m 啪 g ． 鼎Ⅱ} E QUI P ME NT MANAGE ME NT AND MAI NT E NANC E 翱 出 图 8 拖动马达输出转速 图 9变量 泵 出 口压 力 速在设定值下可稳定运转。仿真结果表 明， 所设计 的系统能满足实验 台功能的需求 ， 可进行功率匹配 方法、 控制技术及机电液耦合特性研究。 5 结 语 1 确定了采用变量泵一 变量马达液压驱动系 统 ， 并选用电、 机械 、 液压信号传感器 以及液压加载 方式的实验台设计方案 。 2 所设计 的实验 台参数合理， 能实现拖动马 达转速和扭矩、 加载泵转速和扭矩的合理匹配 。 3 仿 真结 果 表 明 ， 所 设 计 的实 验 台 能 满 足拖 动闭式液压传动系统功率匹配方法‘、 控制技术及状 态监测与故障诊断方法 的研究需求 。 参 考文献 [1 ] [2 ] [3 ] [4] [5] [6] [7] 张魏友． E P B盾构刀盘结构及其液压驱动系统的研究[ D] ． 南 京 南京理工大学 ， 2 0 1 3 ． 易小 刚． 全液压推土机液压 与控制 系统研究 [ D] ． 西安 长安 大学 ， 2 0 0 4 ． 焦 生杰 ， 郝 鹏 ， 龙水 根． 沥青 混凝 土摊铺 机作业 速度 研究 [ J ] ． 中国公路学报 ， 2 0 0 3 ， 1 6 3 1 2 4 1 2 6 ． 王超． 摊铺机 D S P数字行驶控制系统设计E J ] ． 筑路机械与 施 工机械化 ， 2 0 1 3 ， 3 0 9 9 6 9 7 ， 1 0 0 ． 李芳芳 ， 张宗 涛， 任雪梅 ． TY1 4 0履带推土机外负荷特性研究 E J ] ． 筑路机械与施工机械化 ， 2 0 0 8 ， 2 5 8 5 0 5 2 ． 杨人风 ， 张永新 ， 岳大浩． 扭矩 适应系数对 发动机动 态性能影 响的试验研究[ J ] ． 工程机械 ， 1 9 9 7 3 8 - l 0 ． 谷立臣， 刘沛津 ， 陈江城． 基于 电参量 信息融合 的液压系统状 态识别技术 [ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 1 1 ， 4 7 2 4 1 4 I - 1 5 0 ． [ 责任编辑 王玉玲] 上接 第 8 8页 E 旋 图 8空 载 右 旋 右 转 弯 受力 所需的各项参数 ， 通过计算得到 了混凝土搅拌运输 车在具有横 向坡道的路面上转向行驶时最高行驶速 度以及最大横向坡度。 1 混凝土搅拌运输车重载时， 左旋左转弯最 大行 驶 速 度 为 2 8 ． 9 6 k m h， 最 大 横 向 坡 度 为 3 4 ． 8 6 。 ； 左旋右转弯最大行驶速度为 3 1 ． 8 3 k m h ， 最大横向坡度为 3 2 ． 7 5 。 ； 右旋左转弯最大行驶速度 9 2 为 3 1 ． 8 3 k m h ～ ， 最 大横 向坡度 为 3 2 ． 7 5 。 ； 右 旋右 转 弯最 大行 驶 速 度 为 2 8 ． 9 6 k m h ～ ， 最 大横 向坡 度 为 3 4 ． 8 6 。 。 2 混 凝土搅 拌运 输车 空 载时 ， 左 旋左 转弯 、 左 旋右转弯、 右旋左转弯 、 右旋右转弯的最大行驶速度 均为 4 3 ． 2 4 k m h _ 。 ， 最大 横 向坡度均 为 2 4 ． 5 1 。 。 可见 ， 重 载 时转 向 和旋 向对 车 速 和道 路横 向坡 度 角均 有影 响 ， 而 空载 时基本 无影 响 。 参考 文献 [1 ] [ 2] [3 ] [4] 蔡 良生 ， 朱为国．混凝 土搅拌运输 车水平道路转 向侧 翻稳 定 性计算E J ] ．筑路 机械与施工机械化 ， 2 0 0 4 ， 3 1 3 8 4 8 6 ． 胡素云 ， 王窈惠 ， 宋友发． 混凝 土搅 拌运输车 行驶 稳定性 分析 [ J ] ．筑路机械 与施工机械化 ， 2 0 1 0 ， 2 7 1 1 7 8 8 1 ． 黄跃 申．混凝 土搅 拌车稳 定性分 析E J ] ．建筑机 械技术 与管 理 ， 2 0 0 6， 1 9 9 8 2 8 8 ． 贺劲 ， 周润伽 ， 帅国菊． 论混 凝土搅拌运 输车的行驶 速度限 制 [ J ] ． 建筑机械 ，2 0 0 3 7 3 6 3 8 ． [ 责任编辑 王玉玲] ．_ u I Ⅲ c 0 l v 、 煅辩矸 { 辑