数字液压缸的几个问题.pdf

液 压 气 动 与 j 蜜I ／20 1 6年 第 07期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 4 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 6 ． 0 7 ． 0 1 6 数字液压缸的几个问题 邱 法维 北京二 三 强 同维机电液压科技发展有限公司 ， 北京 1 0 2 2 0 0 摘 要 目前对数字液压缸感兴趣的人越来越多， 应用范围也不断拓展 ， 我们做过一些数字液压缸的开发和应用工作 ， 现将其性能特点 和存在的问题做一介绍 ， 希望能有助于数字液压缸的了解和推广应用。 关键词 数字液压缸； 伺服电机； 控制； 问题 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 6 0 7 0 0 5 0 0 3 Se v e r a l I s s u e s o f Di g i t a l Hyd r a u l i c Cy l i nd e r Q I UF a w e i Be r i n g T h r e e Un i t e T e s t i n g S y s t e m C o ． ， L t d ． ， B e i j i n g 1 0 2 2 0 0 ， C h i n a Abs t r a c t At p r e s e n t ， t h e d i g i t a l h y d r a u l i c c y l i n d e r h a s a t t r a c t e d mo r e fi e l d s ． Ba s e d o n y e a r s ’ wo r k o f d e v e l o p me n t a n d a p p l i c a t i o n o f d i g i t a l h y dr a u l i c c y l i n d e r , t h e p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s a n d t h e e x i s t i n g p r o b l e m s t o d o a n i n t r o d u c t i o n ， h o p i n g t o c o n t r i b u t e t o t h e u n d e r s t a n d i n g o f d i g i t a l h y d r a u l i c c y l i n d e r a n d f u r t h e r p o p u l a r i z a t i o n a n d a p p l i c a t i o n． Ke y wo r ds d i g i t a l h y d r a u l i c c y l i n d e r ； s e r v o mo t o r ； c o n t r o l ； i s s u e s 1 概述 数 字液压缸 目前并 没有 明确 的定义 ， 多数人认 可 的概念就是 电机驱 动的 阀控液压缸 ， 电机可 以用步进 电机或伺服 电机 ， 同时液压缸 的位置反馈采用滚珠 丝 杠这种机械方式 ， 所 以最初被称为步进液压缸 。图 1 为 数字液压缸 的原理图 ， 具体构造就是在液压缸 巾安装 滚珠丝杠 ， 在缸尾安装 滑阀 ， 阀芯与丝杠 “ 连接 ” ， 阀芯 的另一端 与伺服 电机 “ 连接 ” ， 这里所说 的“ 连接” 不 是 简单的连接 ， 是一种旋转和进给复合 的机构连接 ， 当电 机旋转时， 阀芯将沿轴向移动打开油路给液压缸供油， 使得活塞杆移动 ， 由于活塞杆移动带动滚珠丝杠移动 ， 滚珠丝杠又将 阀芯推 回到关 闭状态 。如果伺服 电机不 断旋转 ， 阀芯不断 打开 ， 则 活塞杆不 断运动 ， 这就是 目 前使用 的数字液压缸原理。至于液压缸运动的速度和 位移 ， 与伺服 电机的转 动速度 、 丝杠导程和阀的流量有 关 ， 需要进行各个环 节的参数匹配 。数 字液压 缸还有 其他几种类型 ， 如活塞杆直接反馈的 ， 滑阀驱动的。 2 数字液压缸的控制问题 首先数字液压缸 的 比较对象是 电液伺服缸 ， 应用 的场合也是需要使用电液伺服缸的地方。所以讨论数 字液 压缸 的控制精度 、 频 响范 围等 内容都是相对 电液 伺服缸而言。 收稿 日期 2 0 1 6 0 3 2 9 作者简 介 邱法维 1 9 6 3 一 ， 男 ， 黑龙江 哈尔滨人 ， 博士 ， 主要从事 电液伺 服控制系统和 电动伺服控制 系统 的开发应用研 究。 5 0 图 1 数字液压 缸原 理 图 2 ． 1 闭环反馈 数字液压缸是闭环反馈的， 该闭环反馈采用的是 机械传动方式 ， 而电液伺服缸采用的是传感器的电乐 或电流信号反馈。这种机械式的闭环反馈是在数字液 压缸中安装 了滚柱 丝杠 ， 并 与数字 阀的阀芯连接 ， 当步 进 电机或伺 服电机 驱动阀芯产生轴 向位移 时 ， 阀芯打 开 ， 高压油进入油缸推动活塞运动 ， 同时带动丝杠运动 将 阀芯推 回零位 ， 油缸活 塞到达指令位置 。关 于滚珠 丝杠如何将 阀芯推 回零 位 ， 目前有多种机构形式都 可 以实现， 各有优缺点， 不在这里详述。 2 ． 2 控制精度 数字液压缸的控制精度主要取决于机械反馈传动 环节， 具体说来就是滚珠丝杠的精度 、 阀芯与电机连接 机构的精度， 是机械精度决定了数字液压缸的控制精 度 与此相比电机可以认为是精确的 ， 目前我们一般 采用 的是 0 ． 0 0 8 mm ／ 3 0 0 m m精度 的滚珠 丝杠 ， 再 考虑到 其 他 机 械 环 节 ， 测 试 结 果 是 数 字 液 压 缸 可 以达 到 0 ． 0 1 5 ram左右的控制精度 。 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 7 ． 2 0 1 6 数字液压缸的控制精度主要取决于机械反馈传动 环节 ， 这里有个基本前提 ， 那就是整个控制系统 中其他 环节的精度远远高于机械传动部分， 如伺服电机编码 器 的精度 、 数模 转换器 的精度等 与滚珠丝杠相 比完全 可以认为是精确的 1 2 ． 3 脉冲控制 纯脉冲控制只能实现液压缸的位移控制模式。这 也是我们不采用步进电机而采用伺服电机的原因 但 是步进电机价格便宜是其优势 ， 另外控制的命令也不 是脉冲控制。电液伺服液压缸一般都有位移控制模式 和力控制模式， 有的还有加速度控制模式。脉冲对应 的是 电机的角度 ， 该 角度直接对应着 阀芯 的位移 和滚 珠丝杠的位移。更为关键的是脉冲的频率都是定值 的， 比如发 1 0 0 个脉冲对应位移 1 m m， 持时是 1 s ， 位移 控制模式 这没有问题 。当你控制力 的时候就不行 了 ， 例如 1 0 0 个脉 冲 1 s 的位移对于压缩一个软弹簧可能 达 到 1 0 k g的力 ， 而压缩一个硬 弹簧能达到 1 0 0 k g ， 如果 现在想用频率 1 H z 幅值 1 0 0 k g 的正弦波对这两种弹簧 加载 ， 硬弹簧 1 0 0 个脉冲 1 s 就达到幅值了， 软弹簧要 1 0 0 0 个脉冲1 0 s 才能达到力的幅值， 所以说纯脉冲控制 不能做力闭环控制， 即使把脉冲的时间间隔调小也不 行 ， 因为事先根本不知道试件 的刚度 目前 一些 电拉 试验机就存在这样 的问题 ， 这 实际是位 移控制模式下 的力判 断 。静 态试验 问题不 大 ， 动态试 验就不 行 了。 当然许多数字液压缸应用场合仅仅是定位用， 所以脉 冲控制方式就够了， 也就不涉及力控制的问题了。 2 ． 4 频响范 围 数字液 压缸的频响 问题 比较 复杂 ， 因为 它采用滚 珠丝杠与液压缸耦合在一起 了 ， 这 与伺服 阀的频响问 题不 同。我们采用小惯量高转速伺服电机 8 0 0 0 转／ 分 进行过测试 ， 数字液压缸 的频响大概能达到 1 0 0 Hz ， 事 实上 此 时 电控 系 统 硬 件 的处 理 能 力 至 少 要 达 到 3 0 0 0 Hz ， 否则 就无 法完整再 现振动波形 。1 9 8 0年的时 候德 国申克公 司就有 1 吨出力 8 0 0 Hz 的电液伺服缸 ， 目 前 MT S 公 司也有 1 0 0 0 H z 的电液伺服缸 。国内采用 2 D 数字阀也 可以做到 1 0 0 0 H z 。 2 ． 5 同步控制 伺服电机的同步控制精度是非常高的， 但是数字 液压缸由于存在机械传动 如背隙、 联轴器间隙 等环 节 ， 所 以同步精度会受 到影 响 。一个直观 的同步精度 测试试验就是采用 数字液压缸夹持鸡蛋 ， 这实 际是考 验位移控制精度 和同步两个问题 ， 常规的做法是两个 数字缸水平放置 ， 两个活塞杆端部一定是平面 ， 通过微 调将鸡蛋夹持在两个平 面之间 ， 然后 给两个数字缸发 指令 一般是正弦波， 相位差 1 8 0 度 ， 前面说过数字液 压缸控制精度0 ．0 1 5 m m左右， 我们测试的两缸不同步 误差在 0 ． 0 3 mm以内， 当不 同步误差超过 0 ． 0 5 mm时 ， 鸡 蛋就会破裂 了。 2 ． 6 存在的问题 不 同单位生产数字液压缸 可能存 在不同 的困难 ， 我们面临的困难有两个方面， 一是数字液压缸的标准 化 ， 另一个是滚珠丝杠等传动机构的加工和安装工 艺 。标准化可 以采用 现行 的电液伺服液压缸标准 ， 包 括压力等级 、 尺寸 、 油路 、 密封等 ； 传动机构的加工精度 是基本保证 ， 同时安装工艺是保证数字液压缸性 能的 关键 ， 由于 目前数字液压缸都是应用在一些非标 的项 目上 ， 所以建立一套完整可靠的工艺保证体系是关键 所在。 3 结束 语 与电液伺服液压缸相比， 数字液压缸相对比较新， 驱动滑 阀采用伺服 电机驱动力 比较 大 ， 所 以可 以很容 易实现大流量控制 。另外阀对液压油的洁净度要求降 低了， 这些都是数字液压缸的优点。但是配套厂家少， 系统通用性差是制约数字液压缸应用 的主要 因素 ， 这 些都需要进一步的努力才能解决 。 参考文献 【 1 ] 雷天觉主编． 新编液压工程手册[ M] ． 北京 北京理工大学出 版社 ， 1 9 9 8 ． [ 2 】 范存德主编． 液压技术手册[ M] ． 沈阳 辽宁科学技术出版社， 2 Oo 4． [ 3 】 唐中一 ， 于今 ， 顾庆祥． 复合传动与控制[ M] ． 重庆 重庆大学 出版社， 2 0 0 4 ． [ 4 】 王春行． 液压伺服控制系统【 M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 981 ． 【 5 ] 内田条治． 我发明的液压脉冲缸【 J 】 _液压与气动， 1 9 7 8 ， 3 ． 【 6 ] 金井健． 电液脉冲缸系统[ J ] ． 液压与气动， 1 9 7 8 ， 6 ． [ 7 】 于亚非． 傅建国电液步进油缸的控制[ J ] ．机械制造， 1 9 9 3 ， 5 ． [ 8 】 张秀英， 王晓华． 数字阀的开发与应用[ J 】 ． 液压与气动， 2 0 0 1 ， 3 ． [ 9 】 唐 中一 ， 倪文波， 石崇辉． 数字缸传动结构型式的探讨[ J 】 ． 机 床与液压， 1 9 9 1 ， 1 2 ． 【 1 0 】吴志明． 新式液压阀f J 1 ． 液压与气动， 1 9 8 0 ， 1 ． 【 1 1 ]杨世祥． 新型数控脉冲液压缸的研制[ J 】 ．液压与气动， 1 9 8 3 ， 6 ． [ 1 2 ]黎克英． 新型控制元件数字式液压阀[ J ] ． 液压工业， 1 9 8 3 ， 1 0 ． 【 1 3 】邱法维 ， 沙锋强 ， 王刚， 张宏基 ， 刘作印． 数字液压缸技术开 发与应用【 J J ． 液压与气动， 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e o f Me c h a n i c a l a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g o f Ce n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y , Ch a n g s h a 41 0 0 8 3 ， Ch i n a ； 2 ． C h i n a R a i l wa y C o n s t r u c t i o n He a v y ． I n d u s t r y C o ． ， L t d ． ， C h a n g s h a 4 1 0 1 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h e s l u r r y s h i e l d ， t h e s l u r r y c i r c u l a t i o n s y s t e m i s t h e s y s t e m o f c o n v e y i n g s l u r r y wh i c h t a k i n g o u t t h e e a r t h c u t d o wn b y t h e s l u r - r y s h i e l d wi t h t h e s l u r r y fl o w． W i t h s l u r r y s h i e l d wo r k f o r wa r d ， t h e t u n n e l wi l l b e c o m e l o n g e r , t h e p i p e o f th e s y s t e m a l s o s h o u l d b e l o n g e r , t h e n ， t h e n u mb e r o f v a l v e s a n d b e n d s wi l l b e i n c r e a s e d ． CO r r e s p 0 n d i n g l y ， t h e p r e s s ur e l o s s o f t h e s y s t e m wi l l b e i n c r e a s e d ． T h e p r e s s ur e l o s s o f t h e s y s t e m wi l l i n fl u e n c e t h e c h o o s e o f t h e p u mp h e a d ． T h i s p a p e r h a s a n a l y z e d t h e i n f l u e n c e o f p ara me t e r s o f p i p e d i a me t e r , flo w r a t e ， s l u r r y d e n s i t y , v a l v e s ， a n d b e n d s h a v i n g a ffe c t i o n O ff t h e p r e s s u r e l o s s ． Ac c o r d i n g t o t h e f o r mu l a ， t h e p r e s s ure l o s s o f t h e s y s t e m h a s b e e n c a l - c u l a t e d ， As t h e c a l c u l a t i o n s t o d e t e r mi n e t h e p um p h e a d o f t h e s y s t e m． Wh e n d e s i g n i n g t h e s l u r r y s h i e l d o f S h e n y a n g s u b wa y p r o j e c t ， b y U S i n g t h e me t h o d i n t h i s p a p e r , t h e p r e s s ure l o s s o f t h e s y s t e m h a s b e e n c o mp u t e d wh i c h d e t e r mi n i n g t h e p u mp h e a d ． Th e r e s u l t s o b tai n e d f r o m t h e a n a l y s i s e s s e n t i a l l y c o mp a n y wi t h the e x p e r i me n t a l d a t a o f the p r o j e c t ． Ke y wo r d s s l u r r y s h i e l d；s l u r r y c i r c u l a t i o n s y s t e m ； p r e s s u r e l o s s ； c a l c u l a t i o n 0 引言 目前许多城市地铁隧道和引水隧道施工都需要泥 水平衡盾 构施工 ， 泥水 平衡盾构 中泥浆环 流系统必须 使用管道输送泥浆来达到出渣 的 目的。不同的浆液成 分 ， 在管道 内有着 不同的流动状态 。渣浆 在管道 内不 同的流动状态下 ， 呈 现出不 同的流动特性 ， 管道内渣浆 流动形成的阻力 、 渣浆的速度、 输送距离和高差等因素 收 稿 日期 2 0 1 6 0 2 2 3 基金项目 国家高新技术研究发展计划 2 0 1 2 A A 0 4 1 8 0 2 ； 湖南省重大科 技 专项 2 0 1 4 F J 1 0 0 2 作者简介 秦邦江 1 9 8 4 一 ， 男， 广西桂林人 ， 在读研究生， 主要研究方向 为液压与流体传动系统。 - - - 一 - ● 一一 - 一 - - - - - - - ’ 一 一 - - 一 [ 1 5 ]邱法维 ， 肖林 ， 沙锋强 ， 王刚， 赵云峰 ， 黄兴宏 ， 刘作印． 双电 机驱动数字液压阀的研发[ J 】 ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 3 ， 5 ． [ 1 6 】A n d r z e j Mi l e c k i ， D o mi n i k R y b a r c z y k ， a n d P i o t r O w c z a r e k ． A p p l i c a t i o n o f t h e MFC Me t h o d i n E t e c t r o h y d r a u l i c S e r v o Dr i v e wi t h a V a l v e C o n t r o l l e d b y S y n c h r o n o u s M o t o r [ M] ． B a s e l S p r i n g e r 5 2 直接影 响输送 系统在管路上 的压力损失 ， 管 道 内浆液 合适的运行参数是衡量整个系统经济性的重要指标 之一。 渣浆是任何液体和固体的混合物。广义上讲 ， 渣 浆分为不可沉降与可沉降两大类。不可沉降渣浆含有 非 常精 细的颗粒 ， 绝大部分颗粒 粒径小于 5 0 1 m， 这样 的颗粒可以形成稳定均匀的混合物 ， 并有一定的粘度 ， 一 般不易发生沉降现象 ， 这样 的渣浆通常是低磨损 的。但是 当浓度较高时 ， 此类渣浆会呈 现非牛顿性能 或流变性能 ， 不同于一般的液体， 通常他们被称为非 牛顿流体 。 可沉降渣浆是 由粗颗粒与液体混合形成的， 浆液 - - 一 - - 一- - 一 一 - ● 一- - - ’ 一- 一 - I n t e r n a t i o n a l P u b l i s h i n g ， 2 0 1 4 ． [ 1 7 】D o mi n i k R y b a r e z y k ， P i o t r O w c z a r e k a n d Ar k a d i u s z K u b a c k i ． D e - s i g n o f C o n t r o l S y s t e m f o r a n E l e c t r o h y d r a u l i c Driv e B a s e d o n t h e Va l v e w i t h P M S M Mo t o r [ M] ． B a s e l S p ri n g e r I n t e rna t i o n a l P u b l i s h i n g ， 2 01 6 ．