伺服变量泵和泵控差动缸系统理论分析及静动态特性研究

【摘要】电液伺服系统有泵控系统和阀控系统,与阀控系统相比较,泵控系统具有节能环保、故障率低、维修方便、装机成本低等优点,同时也具有诸如响应慢,控制精度不高等缺点。但是随着能源的日益短缺,泵直接控制必将是液压控制技术发展的必然结果。本文以泵控差动缸系统为研究对象,重点研究如何提高泵控差动缸系统的响应速度、差动缸的运动平稳性及降低系统的振动冲击和噪声,以推广泵控系统的实际应用为最终研究目标。泵控系统根据被控对象的不同,可以分为泵控马达和泵控液压缸两类,泵控液压缸又可以分为泵控对称液压缸和泵控差动液压缸两种。泵控马达和泵控对称液压缸由于被控两腔容积相等,较容易实现,可以采用变转速直接控制,受益于电动机控制技术的发展,目前技术已经很成熟,在很多领域已经成熟应用。而对于广泛应用的差动液压缸,由于两腔容积不相等,存在不对称流量问题,要实现对差动液压缸的直接泵控制,首先要解决两腔的不对称流量及两腔预压紧问题,针对这一问题,大部分研究都采用辅助泵或蓄能器通过液控单向阀补偿。本文中介绍一种具有三个油口的液压泵,两个油口分别和差动缸的两腔直接连接,第三个油口和油箱连接,根据被控差动缸两腔的容积比分配三个油口的流量,可以自动平衡差动缸两腔的不对称流量,实现用一个液压泵直接控制差动缸的目的。泵控液压缸的核心元器件是伺服变量液压泵,论文首先对变量液压泵进行研究,从斜盘式轴向柱塞泵的运动学和动力学开始进行理论分析研究,建立斜盘式轴向柱塞泵的运动学和动力学数学方程,在仿真软件SimulationX中搭建斜盘式轴向柱塞泵的仿真模型,通过仿真研究对斜盘式轴向柱塞泵的变量特性和配流特性进行研究。又针对串联三油口轴向柱塞泵的流量压力脉动特性进行仿真研究,为降低脉动量,对配流盘减振结构进行优化设计,确定了三角形减振槽的最优结构参数,有效降低了脉动量,为柱塞泵的减振降噪提供了数据支撑。目前很多伺服变量泵都串联有辅助泵,采用辅助泵平衡差动缸不对称流量,可以充分利用现有的成熟液压泵技术,也不失为一种很好的选择。根据所使用的控制方案,泵控差动缸系统可以分为定转速变排量、变转速定排量和变转速变排量泵控差动缸系统三种类型,由于电动机调速控制技术已经非常成熟,变转速定排量型泵控差动缸系统发展最为快速和成熟。论文针对三种类型的泵控差动缸系统分别进行了阐述,重点对定转速变排量型和变转速变排量型泵控差动缸系统进行理论分析、建模仿真和实验研究。泵控差动缸系统其实就是对变量泵流量的控制,泵的流量等于泵的排量和转速的乘积,由于变转速变排量控制是对排量和转速同时控制,相对另外两种泵控差动缸系统多了一个控制自由度,具有更好的控制性能。但是同时增加了控制系统的复杂性,使系统成为本质非线性的控制系统,给系统的控制和动态分析带来了很大的难度。为简化问题,采用变排量为主,变转速为辅的控制方式,给转速设置最低转速控制阈值,在控制时将排量控制信号同时叠加在电机转速控制信号上,实现排量转速的复合控制,提高了动态响应速度。分别建立定转速变排量型和变转速变排量型泵控差动缸系统仿真模型,用仿真的手段研究分析动态特性。对仿真结果进行分析,结果表明变转速变排量复合控制差动缸系统的动态响应速度明显快于定转速变排量泵控差动缸系统。在控制策略上,分别对电液伺服控制常用的位置伺服、速度伺服和压力伺服的控制机理进行分析,提出针对泵控差动缸系统的具有负载力补偿的位置／速度复合伺服策略,通过加载试验测量,拟合出负载力补偿量计算模块,将力补偿量控制信号叠加在位置伺服控制信号中,解决了负载力扰动问题。通过设计速度前馈模型和切换开关参数成功实现位置反馈和速度前馈复合控制的无扰切换。为验证理论研究,搭建物理试验台,对定转速变排量型和变转速变排量型泵控差动缸系统的动态特性进行测试,同时还测试变转速变排量型泵控差动位置／速度复合伺服时系统的速度和位置曲线,表明采用这种复合伺服策略可有效控制活塞杆的运行平稳性和位置的精确性。测试结果验证了理论和仿真研究的正确性,为泵控差动缸的推广应用提供了一定的依据。为了用泵控系统顺利替代阀控系统,对阀控系统中存在的液压冲击现象进行研究,以炼钢高炉扒渣机扒渣大臂液压系统为研究对象,分析现有常见的被动式缓冲方法,提出主动变阻尼缓冲方法。通过仿真分析和现场实测,所提出的主动变阻尼缓冲方法可有效降解液压冲击。
【作者】王成宾；
【导师】权龙；
【作者基本信息】太原理工大学，机械电子工程，2014，博士
【关键词】伺服变量柱塞泵；脉动；仿真；泵控差动缸；复合控制；液压冲击；

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