直驱式液压传动.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ NO ． 7 ． 2 01 1 直驱式液压传动 刘庆和 哈尔滨工业大学机电工程学院 ， 黑龙江哈尔滨 1 5 0 0 0 1 摘要 直驱式液压传动有节能和简化 系统 的两个 明显特点 ， 在国外液压技术 界近十年来发展很快 ， 应用也很 广泛 。 直驱式液压是在静 液驱动技术 的基础上与交流伺服 电动机相结合的新技术 ， 体现 了电动机控制 的快速性 、 灵 活性与液压技术 的具 有大出力 力 和转矩 的 两大独特优点 。本文对直驱液压的典型系统进行介绍并提出几点建议。 关键词 直驱液压 ； 交流伺服 电动机 ； 逆 变器 ； 驱动器 中图分类号 T H1 3 7 ． 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 0 7 0 0 0 9 0 4 Di r e c t Driv e Vo l u me Co nt r o l Hy d r a u h c S y s t e m L I U Q i n g - h e D e p a r t me n t o f Me e h a t r o n i e s ， H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， H a r b i n 1 5 0 0 0 1 Ab s t r a c t E n e r g y - s a v i n g a n d s t r u c t u r e s i mp l i f y i n g a r e t w o o b v i o u s c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e D i r e c t D ri v e V o l u m e C o n t r o l s y s t e m D D VC ．I t h a s b e e n d e v e l o p e d r a p i d l y o v e r t h e p a s t d e c a d e i n f o r e i g n c o u n t r i e s ， t h e a p p l i c a t i o n i s a l s o v e r y e x t e n s i v e ． T h e DDVC s y s t e m i s n e w t e c h n o l o gy a s s e mb l e d o f AC s e r v o mo t o r b a s i n g o n t h e t e c h n i c o f h y d r o s t a t i c d ri v e ．I t r e fl e c t e d t h e s p e e d i n e s s a n d fl e x i b i l i t y o f mo t o r c o n t r o l a n d t h e l a r g e o u t p u t o f h y d r a u l i c t e c h n o l o gy． T h e t y p i c a l DDVC s y s t e ms we r e i n t r o d u c e d i n t h e p a p e r a n d s o me s u g g e s t i o n s we r e p u t f o r w a r d ． Ke y W o r d s DDVC； AC s e r v o mo t o r ； i n v e r t e r ； d ri v e r U 日 IJ舌 以液体作 为传 动介质 的液压传 动系 统的执行 件 液压缸或液压马达 ， 以改变流量 Q对其进行变速 。有 两 种变速方法 ， 即节 流变速 阀控 和变量泵变速 泵 控 ， 如 图 1 所 示 。 f P L上_ J a 节流变速 图 1 液 压 变 速 基 本 原 理 图 图 1 a ， 靠改变过流断面积 A来改变流量 Q。 C d 为流 量系数 常数 ， 节流 口前后的压差 P与 Q呈抛物线 平 方 关系。 图 l b ， 变量 泵的每转 排量 q m L ／ r e v 是可 以改变 的。当驱动变量液压泵的电动机转速不变 ， 靠改变泵 的 排量 口即可改变输出流量 Q L ／ mi n 。 收稿 日期 2 0 1 l - 0 4 0 8 作者简介 刘庆和 1 9 2 7 一 ， 教授 ， 博士生 导师 ， 主要从事机 电一体化方 向 教学和科研工作。 阀控变量响应快 ， 控制精度 高 ， 节流损失大 ， 温升 高 ， 适于小 、 中功率系统。泵控变量响应较慢 、 损失小 、 效率高 ， 适于大流量和中、 大功率系统。 在九十多年前 ， 在早期 的液压传动 中， 即出现静液 驱动 H y d r a u s t a t i c T r a n s mi s s i o n ， 简称 HS T ， 具有闭式 回路 的泵控系统如图 2所示。当时是把它用在 巨型舰 炮的俯仰角与方位角的控制装置上。H S T直到现在仍 在发挥作用 ， 在工程车辆 如挖掘机等 上大量使用 。13 本把它应用在水稻联合收割机的橡胶履带的驱动上。 液压二次调节传动装置上 ， 就用 HS T。二战期间及以后 的飞机上的电源就 由 H S T来控制 ，以保持 4 0 0周， s的 恒 频 电源 图 2静液 驱 动基 本 原 理 图 H S T的特点是没有大油箱 ， 只用很小的油罐 ， 系统 简单 ， 质量轻， 占用空间小以及控制性能好 ， 并节能。 静液驱动的动力源一般为恒速交 流电动机 。在飞 机上 的 H S T是 由飞机发动机来驱动的。 由交流 电动机转速公式 n 6 IP 转／ mi n 可 以知 9 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 1年 第 7期 道 ， 改变电网输入频率 厂 周／ s ， 就可以改变交流电动机 转速 n 。式中 P是电动机磁极对数。 交流电动机的变速问题困扰人们一百多年。由于 电子及半导体技术 中功率级电子半导体开关器件 的出 现， 给人们带来 了解决直流变为交流的现实可行性。从 2 0世纪 7 0年代初开始 ， 逐渐地在交流电动机 的变速技 术领域中 ，解决了交流电动机 的变频变速的技术大难 题。经过 4 0多年的发展 ， 目前交流电动机的变速技术 已趋成熟 ，在性能上和性价 比上已能满足生产技术界 的要求 ， 用户也便于接受并 已逐渐普及。 从技术思想的发展上可知 ．在成熟的静液驱动技 术的基础上， 又有了切实可用 的变频电动机 ， 所 以在 2 0 世纪 9 0年代 中后期在 国内外 就出现把变频 电动机应 用在静液驱动的液压闭式 回路上 ， 如图 3所示。其明显 的结果就是把电动机控制 的方便性 和灵活性与液压有 大出力 力或转矩 两个独特优点结合在一起 ， 液压系 统大为简化的同时 ， 明显地实现节电的效果。 图 3变 频 电 动机 与 HS T的 结 合 原 理 图 变频电动机在驱动液压定量泵的同时 ，它能实现 变速 、 变向 、 变转矩和限转矩功能。所以， 在液压系统的 主 回路 中就 可以不用流量 阀 调速 阀 、 方 向阀 换 向 阀 和压力阀 溢流阀 三大类耗能的控制元件 。也就是 说变频 电动机在直接驱动液压泵 的同时又能直接实现 变速 、 变向 、 变转矩 的功能 ， 所 以 目前在国际上称变频 电动机驱动的液压系统为直驱式液压系统。在 国际上 它的全名为直接驱动容积控制 D i r e c t D r i v e V o l u me C o n t r o l ， 简称 D D V C 液压传动。 在 国外 如 日本 有的称 D D V C系统为“ 无阀系统” ， 笔者认为这种叫法不准确。 因 D D V C系统 中虽在主回路 中不用三大类控制阀 ， 但 在实际的 D D V C液压装置上仍离不开单向阀、液控单 向阀、 安全阀。 有时还要用方 向阀。 在国内外航空界称 D D VC系统为 电动静液驱动器 E H A 。在 2 0世纪末 ， 美国就发表了面向航空的 E HA 研究成果l 1 I 。在美 国已把 E H A应用在飞机 的可控翼面 控制上。在 日本 已把 D D V C系统大量应用在地面设备 上。笔者认为直驱式液压传动简称直驱液压或变频液 压更为简明。 由上述可知 ． 没有实用的变频 电动机出现 ， 就不可 能有 变频 液压 。 1 0 1 直驱式液压系统概述 1 ． 1 传统的液压系统 图 4所示为现行的液压传动系统 ，它的驱动动力 为恒速交流电动机。图 4 a为阀控系统 ， 改变执行件 的 压强与流量可手动或如图所示 ，可 由电液 比例 阀来控 制。图 4 b为泵控系统 ， 使用 电液比例溢流阀 6控制压 强， 用电液 比例机构控制变量泵的变量机构 9 。变压强 和变流量也可以手动。图4 b上有与主泵 2同轴的辅助 泵 4来供应控制用液体 。图 4 c为 4 a和 4 b的压力一流 量特性 图。 图 4的电动机始终处于高速旋转状态。 这是 当代典型的控制方式。 a 嘲 控 制 b 泵 控 制 c 压 力 一 流 量 特 性 图 l 一 笼型电动机 恒速转动 2 - 主泵 3 一 液压缸4 一 辅助泵 5 一 比例调速 阀6 一 比例压力 阀7 一 电子 比例放大器8 一 溢流阀 9 一 变量泵的变量调节器 l O 一 比例阀的调节器 l l 一 三位 四通换 向阀 1 2 一 油箱 图 4 传统 的液压传动系统原理图 1 ． 2直驱 式液压 系统 图 5 圜 为直驱式液压传动典型的传动系统。直驱式 不只有闭式回路图 5 a和 5 d ， 也有开式回路图 5 b和 5 c 。 图 5 a 是 当代典型的直驱式液压传动闭式系统。因 为是闭式系统 ， 所用液压泵必须是双旋向的． 当电动机 变向时， 液压泵也要变向出油。系统中设有位移传感器 P S ， 压力传感器 P及流量 电动机转速 传感器 P G。可 以实现 自动化 的系统 。液压控制器中可以使用可编程 控制器 P L C 。 图中的吸排阀 由两个液控单向阀组成 是解决单 出杆差动液压缸进 出油量的不平衡问题。 图 5 b是当代典型的直驱式液压传动开式系统 。系 统中设有压力传感器 P和流量电动机转速传感器 P G。 根据需要也可设置位移传感器 P S ， 如图 5 a 所示。开式 系统必须用换向阀来改变执行 件液压缸 的运动方 向。 图中的压力 阀是 当安全 阀使用 的，这是出于对系统安 全运行 的保险起见而增设的。在使用 中一般不希望 当 液压缸超载时 ． 即电动机超过限定的转矩而停机 。 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ， N O ． 7 ． 2 0 1 1 图 5 c是多用户的直驱式液压传动开式系统 ． 两个或以 上的执行器可 同时工作 。图 5 a为单用户系统 ， 即一个 液压泵只能驱动一个执行件 ， 这是 闭式系统 的局限性 。 图 5 c是用一个液压泵驱动两个或以上的执行件 ， 这时 只能用开式系统及二个或以上的电磁换向阀来实现。 图 5 d是直驱式液压传动闭式系统 ， 这是当代液压 位 一 压 流 a 驱闭合同路 用， 执 行器1 执行器2 机所用的典型的直驱式液压传动系统。图中所用 的液 压泵为具有大小两档排量 的变量泵 ，其 目的是当液压 机处于压紧模具并需要在一定时间内保压时 ，就用变 量泵的小排量 很小 ， 以便进一步获得节能的效果。 从图 5可看出 ， 在主 回路上没有节流耗能元件。 压力 。 流 最 f b 直驱升式同路 c 卣驱开式回路 多用 d 驱闭式同路液压机 图 5直驱式液压传动系统原理图 1 ． 3 直 驱式 液 压 系统 的 交流 伺服 电动 机 交流变频电动机本身就是一个按照伺服指令来工 作的元件 ， 所 以称其为交流伺服电动机 。这种电动机有 两种 ， 即交 流伺服感应 电动机 笼 型机 及交流伺服 同 步 电动 机 。 图 6为交流变频电动机用 的驱动器原理框 图。由 图可知 电网上 5 O周／ s 的交流 电源 ， 通过技术上成熟 的 整流器变为直流电 ， 紧接着再通 过逆变器 i n v e r t e r 将 其变为交流电。交流变频长期 困扰人们 的就是如何能 研制 出功率级的逆变器问题。随着电子半导体技术的 长足进步 ， 经过三十多年 的技术发展 ， 终于研制 出好几 种 可用的功率级及大功率级的电子半导体开关器件 。 逆变器最为关键的电子元器件就是功率级电子半导体 开关器件 。当今业界最常用最好用 的功率级 电子半导 体开关器件为“ 绝缘栅双极 晶体管” ， 即 I G B T。现在通 用的方法是用脉 冲宽度调制 P WM 技术去控制 I G B T． 可以使其产生不同频率不 同波形 的实用可靠的交流电 源。在大功率变频电动机方面， 如 日本后期投入使用的 I G 81 图 6交流伺服电动机用 驱动器基本原理框 图 交流伺服电动机对电网电源有较高的要求 。想方 设法要消除电网电源各种高低频 的杂波， 如图 7所示 ． 要用滤波器及电抗器 。另一个 重要而又必须解决的问 题是在驱动器 、 电动机 、 电源开关柜 中强电及弱电的线 路上所发生的强 电磁干扰和耦合性电磁干扰的电磁兼 容方面的设计问题 。 i 习 H Ⅱ 碰巫匝 眼圈翘 图 7交流伺服电动机 电源装 置方块 原理 图 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 1年 第 7期 2 结论[3 ] 1 变频液压明显的技术特征是节能与系统简化。 由于控制执行元件的速度 、 方向 、 转矩都是由电动机来 完成 ， 液压主回路中没有节流损失。另外 ， 在变频液压 系统 中， 当执行元件需要工作时电动机即运转 ， 执行元 件停止工作时 。 电动机 即关机 ． 没有空运转的损失。以 上两点是变频液压能够实现节能的根本原因。由于电 动机在驱动的同时 ， 就能实现变速 、 变 向和变转矩 ， 所 以液压 回路装置就大为简化。 2 变频液压与传统液压 比较除上述优点外 ， 在 系 统动态特性 的快速性 ． 即响应特性方面不如传统系统。 如在电液伺服系统中 ，传统 系统所常用的电液伺服阀 频响可以很高 ， 如十几赫兹或几十 Hz 。 在变频液压系统 中， 目前做到的最高频响为≤5 H z 。但这样响应水平对 大多数地面设备来说已足足够用。美国早 已成功把变 频液压应用在飞机的可控翼 面上。变频液压与传统液 压 比较 ， 它的电控系统较复杂 ， 价格较高 ， 如驱 动器 的 价格都要超过电动机本身的价格。 3 目前应用的交流伺服电动机有感应异步电动机 笼型电动机 和同步电动机。 后者控制精度较高， 价格较 高 ， 体积较小 ， 在国外多用于 5 k W 或 l O k W 以下的系统。 笔者根据近十年来通过协助指导研究生对变频液压技术 的研究心得是， 以优先选用感应异步电动机为宜 ， 因它坚 固耐用 ， 维修简便， 价格较低 ， 功率大小不受限制 ， 在大多 数的应用领域 中， 其控制性能完全可以满足要求。 4 在选购交流伺服电动机的驱动器 主要是变频 器 方面 ， 对要求不太高 的液压 系统 ， 选用通用变频器 即可。根据笔者的研究经验 ， 在要求较高的系统中以选 上接第 8页 质的污染 ， 世上没有万能的药 ， 也没有万能的过滤器 ； 油箱的结构要根据杂质含量、 性质 、 大小有所适应 。 4 液压元辅件的布局 。 油箱结构与形状对于系统布局很关键 ，良好的布 局配合优质 的油箱设计才能真正到控制污染 、沉淀污 染的作用 ． 它们是相互影响的。原则上应将 吸油 、 回油 区有效隔断或分开 ， 以引导介质流 向、 沉淀杂质和冷却 介质。目前不少设备上使用了隔板滤网， 由于过滤过于 粗糙 ，而且清洗更换麻烦 ，建议 中小型的油箱不要使 用 。 在大型油箱使用也应注意介质流动方 向和速度。 2 结论 所有的事情都有一定 的规律 ， 但在实际工作 中， 不 能墨守成规 ，应在控制污染的总框架下兼顾经济性与 1 2 用在驱动器 中含有矢量控制机能的变频器为宜。 5 变频液压在 日本 、 美 国等 国家 已经大发展 、 多 应用 ，已接近普及的程度。笔者认为在我国应急起直 追 ， 应尽速发展变频液压。日美等国对变频液压从研发 到生产应用约经过近十年的过程。笔者认为我 国要从 认识这项先进技术 可引进 、 研发和实际生产这项技 术 ， 用不了国外的一半时间就可以达到。如果国家再给 予一定的技术政策和投资支持那就会更快实现变频液 压在我国开花结果。 6 变频液压有独特的优点 节能与系统简化 ， 但 并不能完全代替传统液压 ，传统液压仍有其顽强 的生 命力 。笔者认为 ， 要想研发应用变频液压这项新技术 ， 一 定要对交流电动机 包括直流电动机 有所熟悉 ， 要 对变频 电动机 的控制技术有一定程度 的了解 。要想开 发研究变频液压 ， 在熟悉基本原理的基础上[4 1 ， 一定要 结合主体机械传动的实际要求来开展工作 ， 有的放矢 ， 并逐一解决所遇到的每一个技术上的大小 问题 。 参 考 文 献 [ 1 】 S ． Ha b i b i ，A． G o l d e n b e r g ． D e s i g n o f a N e w Hi g h P e r f o r ma n c e E l e c t r o - H y d r a u l i c A c t u a t o r [ A ] ，I n 1 9 9 9 I E E E ／ A S ME I n t e rna t i o n a l C o n f e r e n c e O i l Ad v a n c e d I n t e l l i g e n t Me c h a t r o n i c s P r o c e e d i n g [ C ] ，O c t o b e r l ， 1 9 9 9 ，N e w Y o r k ， NY， US A I E E E， P P ． 2 2 7 2 3 2 ． 【 2 】 h t t p ／ ／ w w w ． k h i ． C O ．j p ／ k p m ／ 的力 『 7 廿 寺工 j寸一 术部分 日本 川崎重工株式会社精 机公 司 ． 【 3 】 刘庆和． 直驱式液压传动系统 的特点及设计要点[ J 】 ． 机床与液 压， 2 0 1 0 1 1 ． 【 4 】 刘庆 和． 直接 驱 动容积 控制 电液 传 动系统 [ J ] ． 机 床与 液 压， 2 0 0 9 1 1 1 ． 实用性 ， 灵活变化 ， 在保证设备性能的基础上突破条条 框框 ， 抓住关键。对于优质定型产品 ， 则应逐步完善、 标 准化细 节 。 绿色液压技术本身就是发展 的事物 ，如果它只是 一 套规定技术 ， 那就不能称其为绿色。油箱的加工制造 同样也必须遵循这个道理。 参考文献 【 1 ] 杨殿宝． 液压设备的维护与管理初步[J 】 ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 0 1 2 ． 【 2 ] 徐绳武． 从控制污染谈油箱设计和制造的几个 问题[ J 】 ． 液压气 动与密封 ， 2 0 1 0 1 2 ． 【 3 ] 杨殿宝． 打造绿 色液压系 统开创持 续发展道路 【 J ] ． 液压气 动 与密封 ， 2 0 1 1 3 ． 【 4 ] 成大先主编． 机械设计手册之液压传动【 M ] ． 北京 化学工业出 版社 ． 2 0 0 4 ．