双定子泵对液压缸传动中液压冲击的分析.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／2 01 5年 第 0 8期 d o i l O ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 0 3 双定子泵对液压缸传动中液压冲击的分析 刘巧燕 ， 闻 佳 ， 高俊峰 ， 闻德生 1 ．燕山大学 机械工程学院， 河北 秦皇岛 0 6 6 0 0 4 ；2 ． 燕山大学 信息科学与工程学院， 河北 秦皇岛 0 6 6 0 0 4 摘 要 为了减小液压冲击对液压系统的影响， 提出了一种以新型双定子泵为动力元件的液压传动系统， 在阐述了其工作原理和特点 之后， 对该新型传动系统换向时的液压冲击进行了理论分析， 并采用AME S i m软件进行仿真分析。结果表明， 该新型回路不但能够实 现多种压力和速度的变化 ， 并且换向冲击也比传统的控制回路要小。在很大程度上提高了回路的效率， 具有良好的节能效果。 关键词 双定子泵； 控制回路； 液压冲击； 液压缸 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 5 0 8 0 0 0 8 0 4 Ana l y s i s o f Hyd r a u l i c S h o c k f o r Do u bl e ． s t a t o r a nd Cy l i nd e r Dr i vi n g Sy s t e m L I UQi a o - y a n ， W E NJ i c ， G A OJ u n - f e n g ， W E NDe s h e n g 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， Y a n s h a n U n i v e r s i t y , Qi n h u a n g d a o 0 6 6 0 0 4 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f I n f o r ma t i o n S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， Y a n s h a n U n i v e r s i t y , Qi n h u a n g d a o 0 6 6 0 0 4 ， C h i n a Ab s t r a c t A n e w h y d r a u l i c t r a n s mi s s i o n s y s t e m b a s e d o n d o u b l e s t a t o r p u mp s i s p r o p o s e d i n o r d e r t o r e d u c e t h e r e v e r s i n g i mp a c t o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m． Af t e r e x p o u n d i n g wo r k i n g p r i n c i p l e a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s y s t e m， t h e h y d r a u l i c s h o c k o f t h e n e w t r a n s mi s s i o n i s a n a l y z e d ． T h e n a s e rie s o f s i mu l a t i o n a n a l y s i s a r e d o n e un d e r AMEs i m． T h e r e s u l t s s h o w tha t the n e w c i r c u i t wi l l n o t o n l y b e a b l e t o a c h i e v e a v a r i e t y o f p r e s s u r e and s pe e d ， a n d t h e h y d r a u l i c i s mu c h s ma l l e r t h a n the tra d i t i o n a l c i r c u i t ， wh i c h g r e a t l y i mp r o v e t h e e ffi c i e n c y o f t h e c i r ． c u i t a n d h a s a g o o d e n e r g y s a v i n g e ffe c t ． K e y wo r d s d o u b l e s t a t o r p u mp s ；c o n tro l l o o p；h y d r a u l i c s h o c k；c y l i n d e r 0 引言 液压传动技术因具有传动平稳、 功率体积比大等 收稿 日期 2 0 1 5 0 5 0 2 基金项 目 国家 自然科学基金 项 目 5 0 9 7 5 2 4 6 作者简介 刘巧燕 1 9 8 9 一 ， 女， 河南开封人， 博士研究生， 主要从事新型 液压元件及新型液压传动研究。 一- - - - - - 优点而在机械行业 中的重要性 显得越来 越突出 ， 因此 在很多领域也得到了较为广泛的应用n 。但是， 目前的 液压传动系统大都使用单泵作为动力元件， 使得系统 的效率以及节能方面都存在一定的局5 艮 | l生。 为 了适应 时代要求 ， 液压技术在进一 步提高 比功 率的同时， 还要提高系统效率、 降低噪声等级等。这促 『 J ] ．实验科学与技术， 2 0 0 8 ， 6 1 1 0 1 2 ． 【 7 ] 王雷． 磁致伸缩位移传感器的优化设计和实现【 D 】 ． 天津 天 津大学， 2 0 1 2 ． 【 8 】 柏受军， 杨元园， 王鸣， 等． 基于A DIx C 8 4 5的L V D T位移传感 器非线性补偿[ J 】 ． 传感技术学报， 2 0 1 3 ， 4 ． 【 9 】 陈亮． 磁栅绝对直线位移传感器的研究【 D ] ． 哈尔滨 哈尔滨 工业大学， 2 0 0 8 ． 【 1 0 】胡鹏． 绝对式磁栅传感器的设计与研究【 D ] ． 武汉 武汉理工 大学。 2 0 1 3 ． [ 1 1 】邓建平． 数控机床控制技术[ M ] ． 长沙 中南大学出版社， 2 0 0 7 ． [ 1 2 】郑银涛． 基于平板式电容的微位移测量系统设计【 D 】 ． 大连 大 连理工大学， 2 0 1 0 ． 【 l 3 】郭涛． 一种新型光栅位移传感器的研究[ D 】 ． 长春 吉林大学 ， 2 01 4． [ 1 4 】A l l e n G ， S u n K X ， B y e r R． F i b e r c o u p l e d ， L i t t r o w g r a t i n g C a v i t y D i s p l a c e me n t S e n s o r【 J 】 ． O p t i c s L e t t e r s ，2 0 1 0 ， 3 5 8 】 2 6 0 -】 2 6 2 ． 【 1 5 】B e r a S C ， C h a k r a b o r t y S ． S t u d y o f Ma g n e t o o p t i c E l e m e n t a s a 8 D i s p l a c e m e n t S e n s o r [ J ] ． Me a s u r e m e n t ， 2 0 1 1 , 4 4 9 1 7 4 7 1 7 5 2 ． 【 1 6 ]B r a v o M， B a p t i s t a J M， S a n t o s J L ， e t a1． U l t r a l o n g 2 5 0 k m R e mo t e S e n s o r S y s t e m B a s e d o n a F i b e r L o o p Mi r r o r I n t e rro g a t e d b y a n O p t i c a l T i m e d o ma i n R e f l e c t o me t e r [ J ] ． O p t i c s L e t t e r s ， 2 0 1 1 ， 3 6 2 0 4 0 5 9 4 0 6 1 ． [ 1 7 ]Y a s i n M， R a h ma n H A ， B i d i n N ， e t a 1 ． F i b e r O p t i c D i s p l a c e m e n t S e n s o r U s i n g F i b e r C o u p l e r P r o b e a n d R e a l O b j e c t s【 J 1 ． S e n s o r R e v i e w ， 2 0 1 2 ， 3 2 3 2 1 2 2 1 6 ． [ 1 8 ]S a n a d a H ， S u g i t a Y ， K a s h i w a i Y． D e v e l o p me n t o f a Mu l t i - i n t e r v al Di s p l a c e me n t S e n s o r Us i n g F i b e r Br a g g Gr a t i n g T e c h n o l o g y [ J ] ． I n t e r n a t i o n al J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d Mi n i n g S c i e n c e s ， 2 01 2 ， 5 4 2 7 3 6 ． [ 1 9 ]梁功涛． 基于 F P G A的一维激光位移传感器的研究[ DJ ． 哈尔 滨 哈尔滨工业大学。 2 0 1 3 ． 【 2 O ]王蕾， 王会峰， 王金娜． 提高激光位移传感器精度的技术研究 [ J J ． 仪表技术与传感器， 2 0 1 3 ， 4 1 - 4 ． [ 2 1 】汪首坤， 彭建敏， 刘洋． 基于切比雪夫最佳逼近的 L V D T 位移 传感器信号处NI 1 ] ． 北京理工大学学报， 2 0 1 3 ， 3 ． d r a u l i c s P n e u m a t i c s S e a l s ／ No ． O 8 ．2 0 1 5 使液压设备和液压元件的性能相应提升， 并对液压泵 的流量和压力 ， 马达 的转矩 和转速 ， 元件的噪声 、 效率 、 寿命、 耐冲击、 功率质量比以及控制方式等多方面的要 求也愈来愈高 。 1 双定子泵的结构与原理 新型双定子泵在国家 自然科学基金的支持下已试 验成功。如图1 所示的单作用双滚柱连杆型双定子泵 是多泵多马达一 的一种， 与传统的单泵不同， 该泵实现 了一个壳体内一个转子对应两个定子而形成多个泵 一个内泵与一个外泵 ， 因此便具有体积小、 重量轻 、 结构简单 、 比功率大等特点。通过 内、 外泵 的不同组合 方式 ， 单作用双定子泵便有三种不同的工作形式， 即 内泵单独工作 、 外泵单独工作、 内外泵联合工作 。因 此 ， 以该双定子泵为动力元件代替传统的单泵得到的 新型方向控制回路如图2 所示， 从而可以实现液压缸的 多种压力和速度的变化。 卜 内泵油 口2 一 外泵 油 口3 - 外 滚柱4 一 连杆5 一 内滚柱 6 一 外定 子7 一 内定子8 一 转子 图 1单作用双定 子泵原理简 图 在该回路中， 换向阀 1 和2 分别控制双定子泵的内 泵和外泵 ， 溢流阀8 和9 3 ／ “ 别控制内泵单独工作和外泵 单独工作时回路的最高压力 ， 均起过载保护的作用。 当内泵和外泵同时工作时 ， 开启截止阀 5 以保证此 时的 系统压力小于内泵与外泵分别单独工作时的压力 ， 溢 流阀1 O 起过载保护的作用。内泵和外泵的卸荷依靠截 止 阀3 和 4 来控制。当双定子泵中只有一个泵工作时 ， 单 向阀 6 和7 起到隔开油路 的作用 。 0 卜三位四通换向阀2 一 二位三通换向阀 3 、 4 、 5 一 二位二通截止阀 6 、 7 一 单 向阀8 、 9 、 1 0 一 溢 流阀1 1 一 单作 用多泵1 2 - 液压缸 图2单作用双定子泵对液压缸的新型方向控制回路 在上述 回路 中 ， 通过调节换 向阀可 以实现双定子 泵对液压缸的9 种工作状态， 每种工作状态中电磁换向 阀的电磁铁动作顺序表 1 如表所示。 表 1回路中电磁铁动作顺序表 工作状态 1 Y A 2 Y A 3 Y A 4 Y A 5 YA 6 YA 工进 1 十 一 一 十 一 一 工进 2 十 一 一 一 一 工进 3 一 一 一 十 一 后退 1 一 一 一 一 后退 2 一 十 一 一 十 后退 3 一 一 一 十 差动 1 一 一 一 一 一 差 动 2 一 一 十 一 一 一 差 动 3 一 一 一 一 一 注 “ ” 表不 电磁铁得 电 ， “ 一 ” 表不 电磁铁 失电 上表 中， 工进 1 、 2 、 3 分别表示液压缸前进时内泵单 独供油 外泵卸荷 、 外泵单独供油 内泵卸荷 和内外 泵 同时供油时的 3 种工作状态 。内外泵同时供油时双 定子泵的输出流量较大 ， 适合于对液压缸的速度要求 较高的场合。后退 1 、 2 、 3 分别表示液压缸后退时内泵 单独供油 外泵卸荷 、 外泵单独供油 内泵卸荷 和内 外泵同时供油时的3 种工作状态。在后退 3 中， 液压缸 的后退速度较快 ， 在一定程度上可以提高液压回路的 工作 效率 。同理 ， 差动 1 、 差 动 2 和差动 3 ， 分别表示液 压缸差动连接时的3 种不同的工作状态。 2 新型 回路换 向时的液压冲击 液压冲击现象不仅会影响液压系统的性能和工作 可靠性 ， 而且会引起振动、 噪声、 泄漏等， 从而影响液压 系统的正常工作， 甚至使系统中的元件损坏。因此， 对 该新型方向控制回路换向时的液压冲击进行分析是必 要的。 传统方向控制回路在工作的过程中， 由于换向阀 的换 向而使 回路 中的局部压力瞬时急剧上升 ， 从 而造 成液压冲击 ， 形成液压冲击的原因主要 由管道内液流 通道迅速启闭引起的液压冲击和液压缸活塞制动时引 起的液压冲击两个方面组成。 在传统的单泵对液压缸方 向控制回路中， 由以上 两方面引起的总的液压冲击为 m Av ， 却总 △ p ⋯ 却 p V a 『_ 1 ⋯ l 式中 △ p ⋯ 管道内液流通道迅速启闭引起的液压 冲击； 液压缸活塞制动时引起的液压冲击 ； 9 液 压 气 动 与 密 封 ／20 1 5．4 r - 3 1 0 8期 A、 回路中管道 的横截面积和长度 ； P、 V管道中液体的密度和速度； a 管道中压力波的传播速度； ．m液压缸 的活塞和负载的总质量 ； 负载制动时间 ； 负载速度变化值 。 回路 中液 压缸有 三种不 同的工进方式 ， 因此双定 子泵供给 的流量和压力也不相 同， 从 而工进 的速度也 各不相同。设 为内、 外泵同时供油、 传统单泵供油时 的油液速度； 、 分别为外泵单独供油与内泵单独供 油 时的油液速度 ， 且 。在满足工况的条件下 先让内、 外泵同时供油， 在液压缸制动前的一段时间进 行切换， 让内泵单独供油， 则在此过程中油液对液压系 统产生的液压冲击为 △ p J D 0 2 由式 1 与 2 可分析知 △ p 一 A p ⋯ ， 即基 于双定 子泵的新型回路的液压冲击相比于传统回路要小。 在双定子泵对液压缸的方向控制回路中， 令 ， 为 内、 外泵同时供油时液压缸活塞的运动速度， 并且与传 统的方向控制回路中液压缸活塞的运动速度相同。在 液压缸制动前将回路由内、 外泵同时供油切换为内泵 单独供油 ， 此时液压缸活塞的运动速度为 。 ， 活塞的制动时间为 ， 则液压缸制动时产生的液压冲 击为 mA 2 -- 3 由于 A v 2 2 ， △ 1 1 ， 所以 A v 2 A t ， 故 △ p △ p 。 则双定子泵对液压缸方向控制回路中总的液压冲 击为 m 卸总 z 卸m △ p z p V 2 a 4 由于 △ p ⋯ ， △ p 卸 ， 所以△ p 总 A p 肿。 通过以上的分 析可 以得出 ， 基 于双定子泵 的新 型 回路在制动时而引起的液压冲击相比于传统单泵作为 动力元件的回路要小得多 ， 因此能够大大的减小由于 液压冲击而造成的振动和噪声 ， 从而使回路工作的更 加平稳 。 1 0 3 新型方向控制 回路 的仿真分析 在 AME S i m软件 的液压元件库 中， 由于没有 双定 子泵的模型， 为了方便以后的建模仿真 ， 这就需要在 A M E S i m软件库中为双定子泵创建超级元件模型 ， 使之 成为双定子泵模型 “ 。如 图3 所示为双定子泵对液压 缸新型方向控制回路和传统方向控制回路在A M E S i m 中所建立的模型。 图3 方 向控 制回路的 A ME s i m模型 为便于对比， 不计摩擦和泄漏且设定两回路中液 压缸的参数、 所受推力均相同， 双定子泵的总排量和定 量单泵 的排量相 同， 电机的转速相同 ， 换向阀的参数也 相同。主要参数设置如表2 所示。 表2 回路中主要参数的设置 在对回路 中的主要参数 以及控制信号设置完成 后， 便可得到如4 所示的仿真结果。 l 一 新 回路液压缸输入流量 l l 一 传统网路液压缸输入流量 I o o 2 o4 o6 o 8 l O 1 ．2 I 4 1 ． 6 t 图4液压缸的输入流量图 从图5 液压缸制动时活塞所走的位移图中可以看 出新型 回路 中液压缸 的活塞位移要小于传统回路 的液 压缸活塞 的位移。在 图6活塞 的速度 图中也可 明显看 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 8 ． 2 0 1 5 出新型 回路 中活塞 的速度 相对 于传统 回路也有所 减 小 。分析可知活塞速度减小 的原因是 由于在活塞制动 前， 调节换向阀， 使得新型回路的双定子泵中只有外泵 单独供油， 因此泵的流量减小， 从而使活塞的运动速度 也随之降低。 I一新型回路活塞位移 I I 一 传统回路活塞位移I 图5 活塞的位移 图 图6 活塞的运动速度 图 图7 a 和7 b 分别为液压缸受到的阻力为 1 0 0 N时无 杆腔 和有杆 腔的压力随时间的变化 曲线 图 ， 由这两幅 图可 以看出 ， 液压缸在制动时 ， 新型回路 的液压 冲击 比 传统回路的液压冲击要小的多。图8 是液压缸受到的 阻力为 I O 0 0 N， 其他条件不变 ， 在 1 ． 1 5 s 制动时， 液压缸 无杆腔和有杆腔的压力变化图， 对比图7 和图8 可以看 出， 液压缸在负载阻力越大的情况下， 制动时的液压冲 击也越大， 并且在相同条件下新型回路的液压冲击比 传统回路的液压冲击要明显小很多。 通过以上分析可知 ， 当两个回路中液压泵的总流 量相同时 ， 新型回路在制动前 ， 通过换向， 减小双定子 泵的供给流量， 从而减小了液压缸的工进速度， 这在一 定程度上大大减小了液压回路的冲击。 『_ 薪型同 露无 秆 磕 两蓰 1厂 翱 诵蛋 丽 万 ] l一 传统回路无杆腔的压力 l l一传统回路有杆腔的压力 I 童 趟 7O 6 ．0 5O 40 3 ．O 20 l 0 O l O 粪 8 趟 M 2 O 室1 5 蚕 5 6 0 a 液压缸无杆腔 的压力 图 b 液压缸有杆腔 的压力 图 图8 阻力为1 O 0 0 N制动时液压缸两腔的压力图 4结论 本文是基于双定子多泵研究成果的基础上 ， 对新 型液压元件所配套的液压回路进行研究 ， 设计了双定 子单作用泵对液压缸 的方 向控制 回路 ， 这种方 向控制 回路通过换向阀的换向可实现3 种压力 ， 6 种速度的变 化。当该回路根据负载的流量和压力来选择多泵的供 油流量和压力时， 可以在很大程度上提高回路的效率， 有着良好的节能效果 ， 并且换向冲击 比传统的方向控 制回路要小 ， 从而提高了液压系统的工作稳定性。 参考文献 [ 1 】 李壮云． 液压元件与系统【 M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 1 1 4 - 9． [ 2 ] 付长安， 张显余． 超高压液压技术的探讨[ J 】 ． 液压气动与密封， 2 0 1 0 ， 1 1 4 6 ． 【 3 】 黄人豪． 关于中国工业液压和控制技术 的发展的一些思考 好和建议[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 9 ， 1 5 - 8 5 5 ． [ 4 】 燕 山 大学． 等 宽 曲线 双 定 子滚 柱泵 中 国 ， 0 2 1 4 4 4 0 6 [ P ] ． 2 0 0 4 0 7 2 8 ． [ 5 】 We n D S ． T h e o r e t i c a l A n al y s i s o f O u t p u t S p e e d o f Mu l t i p u m p a n d Mu l t i m o t o r D r i v i n g S y s t e m[ J ] ．S c i e n c f C h i n a ， 2 0 1 1 ， 5 4 0 9 9 2 9 9 7 ． [ 6 ] We n D S ， Wa n g Z L ， L v S J ， e t a 1 ． S i n g l e a c t i n g D o u b l e s t a t o r Mu l t i p u m p s a n d Mu l t i ～ m o t o r s [ J ] ． J o u rna l o f C h o n g q i n g U n i - v e r s i t y E n g l i s h E d i t i o n ， 2 0 1 0 ， 4 2 0 8 2 1 5 ． [ 7 】 闻德生， 刘巧燕， 刘忠迅， 等． 混合型多泵多速马达传动输出 特性的研究[ J ] ． 西安交通大学学报 自然科学版， 2 0 1 4 ， 4 8 1 2 l 5 2 0 ． [ 8 】 闻德生， 王远， 张少波， 等． 非对称型多泵多速马达特性的理 论分析[ J ] ． 华中科技大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 2 ， 4 0 1 2 1 O一1 3． [ 9 ] 余佑官， 龚 国芳， 胡 国良． A M E S i m仿真技术及其在液压系 统中的应用[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 5 ， 3 2 8 - 3 1 ． [ 1 O ]刘海丽， 李华聪． 液压机械系统建模仿真软件A M E S i m及其 应用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 ， 6 1 2 4 1 2 6 ． 【 1 1 】李刚， 胡汉春． A ME S i m液压系统模型实时仿真研究【 J J ． 计算 机光盘软件与应用， 2 0 1 2 ， f 2 3 7 0 7 1 ． 1 1