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补油式液压马达阀泵并联分时变结构控制调速系统 水 张宇琛 ， 赵继云， 丁海港 中国矿业大学机电工程学院 摘要 针对大功率液压马达调速系统动态响应慢、 调速精度低、 低速稳定性差、 加减速平 稳性差， 难以满足过程调速特性、 驱动与制动协同性差等问题 ， 设计一种补油式液压马达阀泵并 联分时变结构控制调速系统， 介绍该系统各回路构成与工作原理。该系统的应用可以有效地提 高设备运行可靠性， 提高生产效率， 促进安全生产， 具有显著的经济效益和社会效益。 关键词 液压马达调速； 阀泵并联； 分时变结构 液压 马达调速 系统是工程上 经常使 用的液压 调速系统 ， 它具有功率质量 比大、 负载刚性高和性 价比高等特点 ， 能够实现高精度、 高速度和大功率 的控制， 因此在航空航天、 船舶、 冶金、 机床、 工程机 械和矿山机械等工业领域得到了广泛的应用。 液压马达调速 系统有泵控容 积调速和阀控节 流调速两种类型。泵控容积调速多采用变量泵给液 压马达供油， 通过改变变量泵的斜盘倾角来控制泵 的排量， 调节马达输出速度 ， 具有功率匹配、 效率高 的特点 ；但是斜盘变量机构惯量及结构尺寸大 ， 动 态响应慢， 适用于大功率和对动态响应特性要求不 高的场合。阀控节流调速系统通过调节伺服阀或比 例阀的开口大小控制进人液压马达的流量， 改变液 压马达输出速度， 具有动态响应快、 精度高、 结构简 单 的优点 ； 但效率较低 ， 故一般应用于高精度 和中 小功率的场合。 对于某些大功率液压马达调速系统， 不仅要求 具有泵控容积调速效率高的特点 ， 还要求具有阀控 节流调速动态响应快、 调速精度高的特点， 同时在 不同的调速阶段有不同的调速要求， 具有明显的过 程调速性 。煤矿上大量应用 的防爆液压提升机就是 这类系统的典型实例。 针对这类系统， 要使传统的泵马达调速系统满 足调速性能要求会存在不少问题， 本文以煤矿液压 提升机泵控马达系统设计为例 ， 设计 了一种补油式 液压马达阀泵并联分时变结构控制调速系统 ， 试 图 为解决此类问题提供一种方法 。 1 煤矿液压提升机泵控马达系统结构原理 及其存在的问题 目前 ，国内最大 的液 压提升机 的功率 为 8 0 0 k W， 卷简直径为 3 ． 5 m， 提升深度达 1 0 4 7 m， 垂直提 升质量达 1 0 t 。液压提升机 的调速系统一般采用泵 控马达容积调速。图 1 为煤矿液压提升机泵控马达 系统结构原理 ，该调速系统主要 由变量液压泵 、 定 1 1 ． 定量液压马达2 ． 比例减压阀3 ． 比例液压缸4 ． 伺服 阀5 ． 差动液压缸6 ． 变量液压泵 图 1 泵控马达的结构原理 基金项目 国家自然科学基金面上项目 5 1 1 7 5 4 9 7 作者简介 张宇琛 1 9 8 7 一 ， 男， 江苏赣榆人， 在读硕士， 研究方向 电液系统设计。 一 5l一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 量液压马达， 比例减压阀、 比例液压缸、 伺服阀及差 动液压缸等元件组成。速度控制主要靠操作人员操 作比例减压阀， 向变量泵控制系统的比例液压缸输 入逐渐变化的压力油， 比例液压缸控制伺服阀阀芯 位移 ， 伺服阀又通过差动液压缸控制变量泵斜盘倾 角的变化 ， 从而改变变量液压泵输出流量 的大小 和 方向， 进而改变液压马达的转速和旋转方向， 再利 用液压 马达拖动卷筒和钢丝绳 以实现罐笼 的提升 与下放 。液压提升机一个工作循环包括启动、 加速 、 等速 、 减速 、 低速爬行和停车等 6 个 阶段 ， 且运行 中 参数时变 ， 位能负载、 惯性负载和弹性负载并存， 不 同的运行阶段具有不同的调速要求。 类似防爆液压提升机这种具有大惯性位能负 载 、 时变参数 、 非线性 的大功率泵控液压马达调速 系统在实际应用 中存在 以下 问题 1 动态响应慢， 无法快速调节马达转速； 2 调速精度低 、 低速稳定性差 、 换 向精度低 、 加减速平稳性差 ， 过程调速特性难以满足 ； 3 液压驱 动 回路 与安 全制动 回路协同性差 ， 存在马达制动控制问题。 上述 问题仅依靠泵控容积调速或 阀控 节流调 速都不能很好地解决 ， 大大限制了大功率液压马达 调速系统在高效率、 高响应、 高可靠性场合的应用。 2 补油式液压马达 阀泵并联分时变结构控 制调速系统 针对以上存在 的问题 ，可将阀控节流调速引入 泵控容积调速 ，使其兼顾泵控容积调速高效率和阀 控节流调速高响应、 调速精度高的优点 ， 并针对大功 率液压马达调速系统不 同运行阶段 的特点 ，采取不 同的控制手段 ，形成补油式液压马达阀泵并联分时 变结构控制调速系统。如图 2所示 。 速度指 令 1 ． 变量泵2 ． 比例换向阀3 ． 制动器4 ． 液压马达5 ． 卷筒6 ． 粗过滤器7 ． 截止阀8 ． 电机9 ． 双联叶片泵1 0 ． 精过滤 器l 1 ． 溢流阀 1 2 ． 电磁换向阀1 3 ． 减压阀 1 4 ． 电磁换向阀1 5 ． 伺服比例换向阀1 6 ． 变量液压缸1 7 ． 补油泵l 8 ． 流量 传感器 1 9 ． 压力传感器2 0 ． 压力表2 1 ． 单向阀2 2 ． 液控换向阀2 3 ． 节流阀2 4 ． 控制器2 5 ． 重物负载2 6 ． 转速传感器 2 7 ． 位移传感器 图 2 补油式液压马达阀泵并联分时变结构控制调速系统 其中 伺服 比例换向阀 1 5 、 变量液压缸 l 6 、 控制 器 2 4 b与位移传感器 2 7 ， 集成于变量泵 1中； 制动 器 3 、 液压马达 4 、 卷筒 5集成于防爆液压绞车中。 补油式液压马达阀泵并联分时变结构控制调速 系统的工作原理是 系统采用模糊控制理论 ， 设计模 一 5 2一 糊 P I D控制器 ， 通过检测马达转速 ， 判定 系统调 速 阶段， 根据不同调速过程速度控制要求， 使阀控和泵 控分时参与马达调速控制，实现阀泵并联分时变结 构控制。 在启动和停车阶段，泵以一定值小流量状态工 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 作， 采用阀控马达调速， 提高系统的低速稳定性； 加、 减速阶段 ， 阀泵同时参与 、 协调工作 ， 共 同调节马达 的转速 ， 提高转速的快速响应和加减速的平稳性 ； 高 速阶段 ， 使变量泵处于定值大流量状态工作 ， 单独依 靠 阀控快速调节马达转速 ， 保证 系统的快速性和调 速精度 。 补油式液压马达阀泵并联分时变结构调速系统 主要由驱动回路、 制动回路、 补油回路、 冲洗回路、 控 制系统和加载系统 6 部分 回路组成。 2 ． 1 驱动回路 驱动 回路是补油式液压马达阀泵并联分时变结 构控制调速系统的主体部分， 主要由变量泵 1 、 比例 换 向阀 2 、 液压马达 4和双联 叶片泵 9 、 电机 8 a 、 8 c 构成。 电机 8 a 拖动变量泵运转 ， 油液进人液压马达 4 进油 口， 马达回油直接 回到变量泵 吸油口， 组成闭式 回路 。电机 8 c 拖动双联叶片泵 9运转 ， 油液经由粗 过滤器 6 a 、 双联叶片泵 9 、 精过滤器 1 0 a 、 1 0 b后分别 进入比例换向阀 2和变量液压缸 1 6 ， 调节通过 比例 换向阀 2的流量和变量泵 1的排量 ， 进而调节马达 运行速度。 高压溢流阀 1 l d 、 1 l e和单向阀 2 1 a 、 2 1 b用来限 制驱动 回路 的压力 ， 当负载过大引起 回路压力升高 而超过预定压力时 ， 高压溢流阀 1 l d 1 l e 动作 ， 使 驱动回路高、 低压侧连通， 回路高压侧油液向低压侧 溢流， 防止驱动回路压力过高损坏变量泵和液压马达。 2 ． 2 制动回路 制动回路主要包括 电机 8 c 、 双联叶片泵 9 、 低 压溢流阀 1 l b 、 减压阀 1 3 、 电磁换 向阀 1 4 、 和制动器 3等。 2 ． 2 ． 1 正常开车 正常开车时，控制器向电磁换向阀 l 4 发出信 号， 电磁换向阀 1 4 得电工作在左位。 此时电机 8 c 拖 动双联叶片泵 9工作，液压油经过粗过滤器 6 a 、 双 联 叶片泵 9 、 精过滤器 1 0 b 、 减压 阀 1 3 、 电磁换 向阀 1 4 左位 、 进入制动器的右腔打开制动器 ， 使马达正 常运转 。 2 ．2 ．2 停车制动 停车制动时， 控制器信号为零， 电磁换向阀 1 4 失电工作在右位。 此时电机 8 c 拖动双联叶片泵 9 工 作 ， 液压油经过粗过滤器 6 a 、 双联叶片泵 9 、 精过滤 器 1 0 b 、 溢流阀 1 l b回油箱 。 制动器右腔油液经过电 磁换向阀 1 4 右位回油箱， 制动器关闭抱闸制动， 从 而实现 了马达的停车制动。 2 - 3 补油回路 补油式液压 马达 阀泵并联 分时变结构控 制调 速系统是一种闭式液压系统， 系统各液压元件均存 在漏损 ， 为 了保证系统 的连续平 稳运行 ， 故增加补 油回路 。补油 回路 主要 由电机 8 b 、 补油泵 1 7 ， 补油 溢流阀1 l a ， 单向阀2 1 a 、 2 1 b 等元件构成。 电机 8 b驱动补油泵 1 7工作 ， 液压油通过粗过 滤器 6 b 、 补油泵 1 7 、 单向阀 2 1 a 2 1 b 进入驱动系统 低压侧。系统通过调节补油溢流阀 1 l a的压力改变 补油压力 。 2 ． 4 冲洗 回路 闭式系统容易发热 ， 所以对于补油式液压马达 阀泵并联分时变结构控制调速系统应设置 冲洗 回 路 以加速热交换 。冲洗 回路主要包括 以下元件 液 控换向阀2 2 、 节流阀2 3 和冲洗溢流阀 1 I f 等。 冲洗回路主要受到驱动回路高、 低压两侧的压 差控制 ， 在压差作用下 ， 液控换 向阀 2 2联通驱动回 路低压侧 ， 油液经过 液控换 向阀 2 2 、 节流 阀 2 3 、 冲 洗溢流阀 1 I f 回油箱， 完成系统热交换工作。 2 ． 5 控制 系统 控制系统主要由双联 叶片泵 9 、 比例换 向阀 2 、 伺服比例换 向阀 l 5 、 变量液压缸 1 6 ， A 4 V S G变量泵 1 、 低压溢流阀 1 l b 、 1 l c 、 控制器 2 4 a 、 2 4 b 、 转速传感 器 2 6等元件组成。 2 ． 5 ． 1 低速阶段调速 低速阶段 ，变量泵以一定值小流量状态工作 ， 转速传 感器 2 6检测卷筒 5转速后反 馈至控 制器 2 4 a 与速度指令信号进行比较 ，所得差值经控制器 2 4 a 调节后传递至比例换向阀2的输入端 ，改变阀 芯位移， 使通过比例换向阀的流量产生变化 ， 使卷 筒速度向误差减小的方向变化；当差值为零时， 比 例换 向阀阀芯位移不变 ， 卷筒转速维持不变。 2 ． 5 ． 2 加 、 减速阶段 加 减 速 阶段 ， 速度指令信号变大 小 ， 经过 控制器 2 4 a 调节后分两路传递 。一路传递至 比例换 向阀 2的输入端， 增大 减小 比例换向阀阀芯位 移， 增加 降低 通过比例换向阀的流量 ； 另一路传 递至控制器 2 4 b ，与变量液压缸位移信号比较后传 递至伺服 比例换 向阀 1 5的输入端 ， 增大 减小 变 下转第 5 7页 一 5 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 面构成研究点、 线、 面设计要素的特点， 是形式美法 则的重要基础。 此外， 设计人员必须将个人的审美偏好建立在 科学 的审美取 向之上 。工程机械产品不同于纯粹 的 艺术作品， 前者注重使用性 ， 后者注重欣赏性。画家 创作艺术作品时强调的是个人的独到见解 ， 提倡个 性化风格，并以此作为衡量画家是否成熟的标志。 而设计人员面对工程机械产品时， 必须将设计与产 品属性紧密相联， 一旦偏离了使用价值， 就意味着失 去了理性 ， 显得不伦不类 。 品牌。 相比之下， 我国部分企业虽然通过参与国际竞 争，在产品外观设计上先知先觉，现已步入竞速之 列 ， 但大多数工程机械企业在产品研发设计上， 还未 充分理解 “ 技术与艺术结合” 的理念。 任何一项成功的设计都离不开相应的程序 ， 这 就要求设计者在进行工程机械产品外观设计时， 必 须首先明确设计目的， 深入了解产品的屙陛特点、 体 积大小、 承载的企业信息及作业环境， 在充分掌握相 关知识的基础上， 科学地将技术与艺术相结合， 使产 品外观设计更符合规律， 达到设计 目的。 5 结束语 通 信 地 址 辽宁省抚顺市顺城区双阳路 2号 1 1 3 1 2 6 包豪斯理论强调“ 技术与艺术相结合” 。国际诸 收稿日 期 2 0 l 2 0 2 一 z 5 多设计师运用该理论已打造出不少知名的工程机械 上接第 5 3页 量液压缸 1 6 的位移， 增大 减少 变量泵的排量。在 比例换向阀和变量泵共同作用下增大 降低 系统 流量 ， 液压马达转速升高 降低 。 2 ． 5 - 3 高速阶段调速 高速阶段， 除变量泵以一定值大流量状态工作 外 ， 控制系统调速过程与低速 阶段调速相同 ， 此处 不再赘述。 2 ． 6 加载 系统 加载系统的作用是为驱动系统提供负载以模 拟补油式液压马达阀泵并联分 时变结构控制调速 系统在实 际运行过程中的工况 。加载系统主要包 括 卷筒 5 、 重物 2 5 、 双滑轮组等。 重物 2 5通过钢丝绳缠绕过双滑轮组到卷筒 5 上， 液压马达 4 与卷筒 5同轴安装， 驱动卷筒转动 实现重物的提升与下放过程。 3 结束语 在实验室 内补油式液压 马达阀泵并 联分时变 结构控制调速系统试验台上进行 了相关试验 ， 运行 3 个月， 状况良好。 试验结果表明补油式液压马达阀 泵并联分时变结构控制调速系统响应速度快 ， 抗干 扰能力强， 转速稳定性好， 控制精度高， 且其响应基 本不受惯性负载变化的影响， 具有很好的转速跟随 特性 ； 解决了液压马达调速系统难以兼顾高效率与 高响应、 调速精度低、 低速稳定性差、 加减速平稳性 差、 换向精度低、 过程调速性能难以满足等问题 ， 具 有重要的理论意义和工程应用价值。但系统并未经 过现场检验 ， 所 以还应在实验室试验 的基础上将此 系统应用于提升机的现场改造 ， 研究在真实工况下 系统的性能 。 参考文献 【 1 】许福玲， 陈尧明． 液压与气压传动[ M】 ． 第 2版． 北京 机械 工业 出版社 。 2 0 0 4 ． [ 2 】 王孙安， 林延圻， 史维祥． 大功率液压马达速度伺服系统 的控制方法研究 [ J ] ．西安交通大学学报 ， 1 9 9 1 4 1 0 0 -1 0 8 ． [ 3 】盛万兴， 王孙安， 林延圻． 改善液压速度伺服系统性能的 新方案【 J ] ．机床与液压， 1 9 9 3 2 6 9 7 2 ． [ 4 ]王占林． 近代电气液压伺服控制【 M】 ． 北京 北京航空航天 大学出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 5 ]马俊功， 王世富， 王占林． 液压马达速度伺服系统研究[ J 】 ． 机床与液压， 2 0 0 2 4 9 8 1 0 1 ． [ 6 ]J i y u n Z h a o ， Ha i g a n g D i n g ， L i a n g Z h a o ． R e s e a r c h o f v a r i a b l e f r e q u e n c y c o mp o u n d h y d r a u l i c s p e e d c o n t r o l s y s t e m wi t h h i g h m o m e n t o f i n e r t i a[ G ] ／ ／ P r o c e e d i n g s of t h e 7 t h I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n F l u i d p o we r T r a n s mi s s i o n a n d C o n t r o 1 ． H a n g z h o u Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ， 2 0 0 9 4 0 4 - 4 0 8 ． 通信地址江苏徐州中国矿业大学文昌校区科研楼 5 0 6房间 2 2 1 0 0 8 收稿日期 2 0 1 2 0 1 1 1 一 5 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m