（機械電子工程專業(yè)論文）基于四象限工作的變頻閉式液壓回路及其應(yīng)用研究.pdf

l塑矍 摘要 隨著先進(jìn)控制理論和電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)的性能變得日益優(yōu)異， 其應(yīng)用范圍也越來越廣。在液壓傳動中應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)可以減少系統(tǒng)中液壓元件的 數(shù)量，使液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得簡單，工作可靠，而且更加節(jié)能。目前變頻液壓技術(shù)在 電梯、液壓提升機械、機床、注塑機等許多機械裝備中有著廣泛的潛在應(yīng)用。本課題 對新型變頻閉式液壓動力系統(tǒng)進(jìn)行了部分元件的選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計，搭建了實驗系統(tǒng)的 數(shù)據(jù)采集和控制部分并利用a m e s i m 仿真軟件對所設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行了開環(huán)工作方式 和閉環(huán)p i d 控制時的仿真研究，結(jié)果表明采用p i d 控制時，系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性 和穩(wěn)態(tài)特性。 論文的整體結(jié)構(gòu)如下： 第一章，綜述了國內(nèi)外變頻液壓技術(shù)的發(fā)展歷程，研究現(xiàn)狀和應(yīng)用領(lǐng)域。簡要介 紹了課題的研究意義和研究內(nèi)容。 第二章，對變頻閉式液壓動力單元的動力元件和執(zhí)行元件進(jìn)行了選型和搭建；建 立了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分；使用c 語言編寫了系統(tǒng)的控制程序。 第三章，建立了變頻閉式液壓動力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，使用a m e s i m 軟件對對整個 系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真研究，選擇并確定了仿真模型中的參數(shù)。并進(jìn)行了實驗驗證。 第四章，本章對油田中常用的游梁式抽油機和液壓抽油機的的工作原理進(jìn)行了簡 單的介紹，對二者的特性進(jìn)行了對比；設(shè)計了一種用于油田可移動式車載抽油裝置的 液壓系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的工作狀況和性能作了詳細(xì)的分析；對整個液壓系統(tǒng)搭建了仿真 模型，仿真結(jié)果表明該液壓系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期的抽油工況要求。 第五章，對本論文所做的研究工作進(jìn)行了總結(jié)，并對未來的研究工作進(jìn)行了展望。 關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速，閉式回路，a m e s i m 仿真，p i d 控制，液壓抽油機 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea d v a n d e dc o n t r o lt e c h n i ca n dp o w e re l e c t r i c sa n d e l e c t r o n i c s , v a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dc o n t r o lt e c h n o l o g yh a sb e c o m em o r ea n dm o r e o u t s t a n d i n ga n dh a sb e e nu s e di nm o r ea n dm o r ea b r o a df i e l d u s i n gv a r i a b l ef r e q u e n c y t e c h n o l o g yi nh y d r a u l i cd r i v e ds y s t e mc a nh e l pr e d u c et h eh y d r a u l i cc o m p o n e n t , m a k et h e s t r u c t u r eo ft h eh y d r a u l i cs y s t e mb es i m p l e ，r e l i a b l ew o r k e d ，w h a t sm o r e ，t h ew h o l es y s t e m w i l lb em o r ee n e r g y s a v i n g n o wt h ev a r i a b l ef r e q u e n c yh y d r a u l i ct e c h n o l o g yh a sa n e x t e n s i v ep o t e n t i a la p p l i c a t i o ni nm a n yk i n d so fe q u i p m e n t ss u c h 勰h y d r a u l i ce l e v a t o r h y d r a u l i ce l e v a t i n gm e c h a n i s m ，m a c h i n et o o la n di n j e c t i o nm a c h i n e i nt h i sp a p e r , s o m e c o m p o n e n t so ft h ev a i l a b l ef r e q u e n c yc l o s e dc i r c u i ts y s t e ma r ec h o o s e d ，t h ei n s t a l l a t i o n s t r u c t u r eo ft h e mi nt h es y s t e mi sd e s i g n c d a i s o t h ed a t a - c o l l e c t e da n dc o n t r o lo u t p u t s y s t e mo ft h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mi sb u i l t t od e v e l o pr e s e a r c ho nt h es y s t e m ，t h em o d e lo f t h ew h o l es y s t e mi sf o u n d e di na m e s i m ，ak i n d o fs i m u l a t i o ns o f t w a r e t h e nt h es i m u l a f i o n r e s e a r c ho nt h eo p e n l o o pa n dc l o s c l o o pp i dc o n t r o l l e ds y s t e mi sc a r r i e do u t t h er e s u l t s u g g e s t st h a tw h e nu s e sc l o s e l o o pp i dc e n t r e lm o d e t h ew h o l es y s t e mw i l lh a v ew e l ls t a t i c a n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c n em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r e 觴f o l l o w s i nc h a p t e r1 ，t h ed e v e l o p m e n tc o u r s e ，r e s e a r c ha c t u a l i t ya n da p p l i c a t i o nf i e l do f v a r i a b l ef r e q u e n c yh y d r a u l i ct e c h n o l o g yh o m ea n da b r o a da r es u m m a r i z e d t h em a i n r e s e a r c hs u b j c o t sa r es u m m a r i z e di nt h ep a p e r i nc h a p t e r2 ，t h ep o w e rc o m p o n e n ta n da c t u a t ec o m p o n e n to ft h ev a r i a b l ef r e q u e n c y c o l s e dh y d r a u l i cs y s t e ma r ed e s i g n e da n db u i l t ；t h ed a t a - c o l l e c ts y s t e mi sa l s ob u i l tt oc a r r y o u te x p e r i m e n t so nt h es y s t e m ；t h es o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mi sw r i t t e ni nt u r b oc i nc h a p t e r3 ，m a t h e m a t i cm o d e l so ft h ev a r i a b l ef r e q u e n c yh y d r a u l i cp o w e ru n i ta r c b u i l t , s i m u l a t i o nm o d e l sa r ea l s os e tu pu s i n ga m e s i m t h ev a l u e so fm o d e l sp a r a m e t e r s a r es e l e c t e da n dd e t e r m i n e d ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s e a r c hi sc a r r i e do u t t h er e s u l t sa r e v e f i f i e db ve x p e r i m e n t a lr e s e a r c h i nc h a p t e r4 ，t h ea p p l i c a t i o no ft h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o na n dc l o s ec i r c u i th y d r a u l i c s y s t e mi nh y d r a u l i co i lp u m p i n gu n i t a c c o r d i n gt od e s i g na n d 印p l i c a t i o nr e s e a r c h ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y d r a u l i co i lp u m p i n gu n i ta r ei m p r o v e db yu s i n gt h es y s t e ma b o v e t h ei n s t a l l e dp o w e ra n de n e r g yc o n s u m p t i o na r er e d u c e d , a n dt h es t r u c t u r eo ft h e a p p l i c a t i o ns y s t e mi ss i m p l i f i e d i nc h a p t e r5 ，s o m ec o n c l u s i o n sa r eg i v e na n ds o m en e wv i e w sa r ep u tf o r w a r di nt h e f u t u r e k e y w o r d s ：v a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dc o n t r o l ，c l o s e dc u i c u i t ，a m e s i ms i m u l a t i o n ，p i d c o n t r 0 1 h y d r a u l i co i lp u m p i n ge q u i p m e n t 學(xué)號 認(rèn)每。扣? 6 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的 研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其 他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得迸鎏盤鱟或其他教育機 構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn) 均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 學(xué)位論文作者簽名：即丈鶘 簽字日期：加年f p 月舍日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解逝鎏盤堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和 借閱。本人授權(quán)逝鎏盤鱟可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫 進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書) 學(xué)位論文作者簽名。唧互彬 簽字日期：鈿“年f o 月艿日 學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向： 工作單位： 通訊地址： 導(dǎo)師簽名： 簽字日期：工“年加月p 日 電話： 郵編： 第一章緒論 【摘要】本章綜述了國內(nèi)外變頻液壓技術(shù)的發(fā)展歷程，研究現(xiàn)狀和應(yīng)用領(lǐng)域。 簡要介紹了課題的研究意義和研究內(nèi)容。 1 1 電機變頻調(diào)速技術(shù)概述 1 1 1 交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展 交流異步電機結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、工作可靠、維護(hù)工作量小，因此在人們 的生產(chǎn)活動中得到了廣泛的應(yīng)用。圍繞如何提高異步電動機的調(diào)速性能，人們一 直在進(jìn)行著不懈的探索和研究，以希望在許多場合下能夠用可調(diào)速的交流異步電 動機來代替直流電動機i ”。變頻調(diào)速技術(shù)交流變頻調(diào)速理論最初誕生于2 0 世紀(jì) 2 0 年代，但在之后的很長一段時間內(nèi)都沒有取得實際應(yīng)用上的突破。經(jīng)歷了2 0 世紀(jì)7 0 年代中期的第2 次石油危機之后，人們充分認(rèn)識到了節(jié)能工作的重要性， 并進(jìn)一步重視和加強了對交流調(diào)速技術(shù)的研究開發(fā)工作。而在同時期內(nèi)電力電子 技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機應(yīng)用技術(shù)以及電機理論的發(fā)展，為變頻驅(qū)動技術(shù)的發(fā) 展提供了很好的支撐條件。到了8 0 年代，變頻器已經(jīng)產(chǎn)品化，性能也不斷提高， 并開始被應(yīng)用于工業(yè)各部門。進(jìn)入9 0 年代，由于新型電力電子器件如i g b t 、 i g c t 等的發(fā)展及性能的提高、微型處理器技術(shù)( 如d s p ) 的發(fā)展，以及先進(jìn)控制 理論如磁場定向矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制) 在變頻器中的應(yīng)用等原因，使變頻 器在諸如調(diào)速范圍、驅(qū)動能力、調(diào)速精度、動態(tài)響應(yīng)、輸出性能、功率因數(shù)、運 行效率及使用方便性等方面大大超過了其它常規(guī)交流調(diào)速方式，變頻調(diào)速技術(shù)取 得了顯著的成就并日臻成熟。目前，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能已經(jīng)可以和直流調(diào) 速系統(tǒng)相媲美，再加上交流電機固有的優(yōu)點，更適用于直流調(diào)速系統(tǒng)無法比擬的 場合，如高速化、大容量的旋轉(zhuǎn)機械i 2 1 。交流變頻調(diào)速已在鋼鐵、冶金、礦山、 石油、化工、醫(yī)藥、紡織、機械、電力、輕工、建材、造紙、印刷等等傳統(tǒng)工業(yè) 的改造和發(fā)展中得到了廣泛的應(yīng)用，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益 3 1 1 4 1 。 1 1 2 變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理及方式 三相交流異步電機的轉(zhuǎn)速為【5 1 ： n p 。，z l ( 1 一s ) - o o f o s ) m p f 1 】、 式中，一異步電機的電源頻率，h z ； s 一電機的轉(zhuǎn)差率； 一 m 。一電機的極對數(shù) 一一一 一 n l 一異步電機定子磁場的旋轉(zhuǎn)速度，也稱為異步電機的同步轉(zhuǎn)速，r p m ； 一異步電機軸的實際轉(zhuǎn)速，r p m 。 由式可以看出，要想改變異步電機的實際轉(zhuǎn)速，可以從改變電源頻率、改 變轉(zhuǎn)差率、改變電機極對數(shù)這幾個方面來入手。而變頻調(diào)速正是以改變電機的電 源頻率作為根本出發(fā)點的。 但是，簡單地調(diào)整電源頻率并不能夠滿足對異步電動機調(diào)速控制的需要，因 為從三相異步電動機定子電路的電壓平衡關(guān)系可知： 以- 日一4 4 4 噬t 以 n 一2 、 、- - ， 式中，e 1 為異步電動機定子電動勢； 在異步電機定子電壓u l 不變的情況下，電機的主磁通近似與 成反比而改 變。而一般在設(shè)計電機時，為充分利用鐵芯材料，都把磁通數(shù)值選為接近磁路飽 和值。因此，電源頻率 降低時，不相應(yīng)降低電壓，雖然可以實現(xiàn)調(diào)速，但是同 時磁路將出現(xiàn)飽和，勵磁電流明顯增大，將使電機負(fù)載能力降低，功率因數(shù)變壞， 鐵損增加，電機過熱。反之如果頻率增加而電壓不變，則磁通減少，會導(dǎo)致電動 機允許輸出轉(zhuǎn)矩下降，使電機利用率降低，若負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，電機將出現(xiàn)過流的 危險。因此，為了得到比較滿意的轉(zhuǎn)矩特性，應(yīng)該使得變頻器的輸出電壓頻率和 輸出電壓幅值同時得到控制，并基本保持牛= 恒定，從而變頻器將固定電壓、 固定頻率的交流電變換為可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的交流叫們。 在此基礎(chǔ)上的轉(zhuǎn)差頻率控制方式，是在進(jìn)行a f = 恒定控制的基礎(chǔ)上，通過 獲取異步電動機的實際轉(zhuǎn)速，經(jīng)計算而得實際轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電源頻率，并且根據(jù)希 望得到的對應(yīng)于某一轉(zhuǎn)差頻率的轉(zhuǎn)矩，調(diào)節(jié)通用變頻器的輸出頻率就可以使異步 電動機具有某一所需的轉(zhuǎn)差頻率，從而得到異步電動機所需輸出轉(zhuǎn)矩。 前述兩種控制方式基本上解決了異步電動機平滑調(diào)速的問題。但是系統(tǒng)在穩(wěn)定 性、啟動及低速時轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)等方面的性能尚不能令人滿意i 刀。矢量控制方式 是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的勵磁電流分量( 標(biāo)量) 和產(chǎn)生 轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量( 標(biāo)量) ，并同時控制兩分量的幅值和相位，即控制定子電流 2 矢量，以達(dá)到在實現(xiàn)電機平穩(wěn)調(diào)速基礎(chǔ)上有效的對電機輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制的目 的。 還有一種控制方式是直接轉(zhuǎn)矩控制方式，這種控制方式不采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變 換，而簡單地通過檢測電動機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算出電 動機磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制i 甜。 1 2 液壓控制方式概述 一 一一一一一一一一一一一一一一 在實際應(yīng)用中的液壓傳動控制系統(tǒng)中，大部分是需要對執(zhí)行機構(gòu)的速度進(jìn)行 控制的，可以說調(diào)速回路是液壓系統(tǒng)的核心。液壓系統(tǒng)的調(diào)速方式很多，但是總 體而言可以分為兩大類：節(jié)流調(diào)速回路和容積調(diào)速回路。實際應(yīng)用中的大部分都 是這兩種形式的調(diào)速回路以及由它們衍生出來的系統(tǒng)1 9 1 。下面對這兩種調(diào)速方式 分別予以介紹。 1 2 1 節(jié)流調(diào)速 節(jié)流調(diào)速回路主要是通過改變回路中流量控制閥的通流截面積的大小來控 制流入或流出執(zhí)行元件的流量，泵輸出的多余流量則通過溢流閥流回油箱，轉(zhuǎn)變 為熱量。這種調(diào)速回路的關(guān)鍵是液壓控制閥，執(zhí)行機構(gòu)的位移速度轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵量 都是通過控制油液通過控制閥的流量來完成的。這種調(diào)速方式的特點是響應(yīng)速度 快，精度高，但是由于泵的輸出流量固定，當(dāng)系統(tǒng)在低速狀態(tài)下運行時多余的流 量通過溢流閥溢流，同時調(diào)速時油液經(jīng)過節(jié)流口時會產(chǎn)生節(jié)流損耗，因此整個液 壓系統(tǒng)的效率較低，由能耗產(chǎn)生的熱量會使油液的溫度上升，適用于小功率液壓 系統(tǒng)和速度變化范圍不大的場合。 1 2 2 容積調(diào)速 實現(xiàn)容積調(diào)速一般有兩種方法：變排量容積調(diào)速和變轉(zhuǎn)速容積調(diào)速。 變排量容積調(diào)速是通過改變回路中變量泵或變量馬達(dá)的排量來調(diào)節(jié)執(zhí)行元 件速度。在這種回路中，液壓泵輸出的油液直接進(jìn)入執(zhí)行元件，沒有溢流損失和 節(jié)流損失，而且工作壓力隨負(fù)載變化而變化，效率高，發(fā)熱少，但是這種調(diào)速方 式需要有一套比較復(fù)雜的變排量控制機構(gòu)，對傳動介質(zhì)要求較高，抗油液污染能 力差，而且調(diào)速范圍有限，變量機構(gòu)的響應(yīng)速度慢，不適合用做快速系統(tǒng)，一般 用于大功率慢速系統(tǒng)。一 變轉(zhuǎn)速方式的容積調(diào)速技術(shù)就是改變驅(qū)動液壓泵的電動機的轉(zhuǎn)速來改變泵 3 的輸出流量。對于電動機的調(diào)速方式，目前最常用是變頻調(diào)速技術(shù)，這也是性能 最為優(yōu)秀的一種電機調(diào)速方式。相對于其他的調(diào)速方式而言，變頻調(diào)速液壓技術(shù) 節(jié)能效果更為顯著，而且由于減小了溢流損失，使得液壓系統(tǒng)溫升減小。同時由 于變頻器還具有過流、過載、電動機過熱、過壓及欠壓、超速及失速等保護(hù)功能， 使得電動機的啟動電流大為減小，從而延長了電機的壽命【1 2 1 。 1 3 變頻液壓技術(shù)研究概況與應(yīng)用現(xiàn)狀 一一 一 一一一一一一一一 一 一一一一 液壓動力傳動以其傳動平穩(wěn)，元件布置靈活，易于實現(xiàn)無級調(diào)速，功率體積 比大等優(yōu)良特性在許多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，但是液壓動力傳動的能量利用率 不高，整機系統(tǒng)的效率較低，在進(jìn)入9 0 年代以后，隨著世界各國在環(huán)境保護(hù)，如 能耗、噪聲、泄漏等控制方面日益嚴(yán)格的要求，節(jié)能己經(jīng)成為電液系統(tǒng)的主要研 究方向和研究重點之一。而電氣傳動具有噪音小、污染低、能耗低、無需二次能 量轉(zhuǎn)換等優(yōu)點。但是，目前電氣傳動還存在著一些不足之處，例如無法實現(xiàn)集中 控制，很難實現(xiàn)高精度的控制等。隨著電力電子技術(shù)和制造技術(shù)的發(fā)展，交流變 頻調(diào)速技術(shù)已取得了日新月異的進(jìn)步。電機變頻調(diào)速技術(shù)依靠改變供電電源的頻 率就可實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)的速度調(diào)節(jié)，電機始終處在高效率的工作狀態(tài)。變頻調(diào)速 技術(shù)對液壓技術(shù)來說，既是挑戰(zhàn)，也是機遇，關(guān)鍵在于液壓技術(shù)如何利用變頻技 術(shù)的優(yōu)勢為己所用，取長補短，才會有更大的發(fā)展空間。在傳統(tǒng)的液壓調(diào)速技術(shù) 存在著或者效率低下，或者結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況下，考慮將電機變頻調(diào)速技術(shù)用于液 壓系統(tǒng)，即變轉(zhuǎn)速液壓控制技術(shù)，通過控制普通異步電機的轉(zhuǎn)速，由此帶動定量 泵，通過改變電機的轉(zhuǎn)速而使泵的流量發(fā)生變化，以達(dá)到容積式控制的效果。可 以克服液壓系統(tǒng)的一些缺點【廿t 1 4 】，如簡化液壓回路，減少液壓系統(tǒng)的能量損失， 提高系統(tǒng)效率，降低噪聲等。其中最重要的是減少液壓系統(tǒng)的能量損失，提高整 個系統(tǒng)的效率。 1 3 1 研究概況 h e l d u s e r , s 等人在1 9 9 6 、2 0 0 1 年和n e u b e r t ，t h 等人在2 0 0 0 年均對變頻電 機驅(qū)動定量泵系統(tǒng)和普通電機驅(qū)動變量泵系統(tǒng)的效率進(jìn)行了對比研究1 1 5 , 1 6 , r 丌，圖 1 - 1 所示的結(jié)果表明在中等負(fù)載時變頻驅(qū)動系統(tǒng)比普通變量泵系統(tǒng)的效率要高； 在無載時變頻驅(qū)動的電機輸入功率很小，而普通變量泵系統(tǒng)的電機輸入功率達(dá)額 定功率的9 0 ；但在滿負(fù)載時，兩者的效率很接近。 4 圖1 一l 變頻驅(qū)動定量泵系統(tǒng)和普通變量泵系統(tǒng)的效率對比 文獻(xiàn)1 1 8 1 論述了在汽車的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中采用變轉(zhuǎn)速驅(qū)動是一種理想的節(jié)能 途徑。文獻(xiàn)【1 9 1 中對轎車中使用的變轉(zhuǎn)速容積控制和閥控的兩種系統(tǒng)作了作了充 分的對比分析，得出的結(jié)論是變轉(zhuǎn)速容積控制較閥控系統(tǒng)更加節(jié)能。圖1 - 2 是這 種電液轉(zhuǎn)向原理圖。圖中的電機一泵單元可以運行在四象限，系統(tǒng)中低壓側(cè)配置 的蓄能器可以防止由于軟管的撓性產(chǎn)生的氣穴現(xiàn)象。 圖1 - 2 電液轉(zhuǎn)向原理( 文獻(xiàn)【州) 文獻(xiàn)l 刎對飛機中用變頻驅(qū)動液壓泵進(jìn)行了實驗研究，實驗表明，采用變頻 驅(qū)動具有明顯的節(jié)能效果。文獻(xiàn)1 2 1 1 1 2 2 l 論述了變頻驅(qū)動液壓技術(shù)在飛機中的應(yīng)用。 5 采用變頻驅(qū)動的斜盤角度可以過零的柱塞泵馬達(dá)，當(dāng)其工作在變量泵狀態(tài)時， 可以為液壓系統(tǒng)提供動力；而當(dāng)其工作在變量馬達(dá)狀態(tài)時，這時電機處于異步發(fā) 電狀態(tài)，機械能經(jīng)馬達(dá)轉(zhuǎn)換成電能，電能經(jīng)整流和逆變之后返回給飛機上的機載 電源。采用變頻驅(qū)動液壓技術(shù)具有較顯著的節(jié)能效果，并且能夠解決未來飛機向 高壓大功率方向發(fā)展所帶來的無效功率的增大以及由此引起的系統(tǒng)發(fā)熱問題，壓 力脈動與流固耦合等問題，將是未來飛機液壓能源驅(qū)動技術(shù)的主流“”。 1 3 2 應(yīng)用現(xiàn)狀 日本三菱公司從1 9 8 4 年就開始著手研究變頻驅(qū)動液壓電梯，其于1 9 8 6 年申 請的美國專利【刎開創(chuàng)了變頻驅(qū)動技術(shù)用于液壓電梯的先河，提出了通過檢測電 機轉(zhuǎn)速，將實測轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，利用轉(zhuǎn)速差值信號作為變頻器的控制 信號，變頻器輸出不同頻率的電信號來實現(xiàn)對電機和泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)液 壓系統(tǒng)的流量。2 0 世紀(jì)9 0 年代初，三菱公司率先將這種變頻驅(qū)動的液壓電梯推 向市場 2 5 1 。到9 0 年代末，瑞士b e r i n g e r 公司1 2 6 , 2 7 , 2 8 1 和德國l e i s t r i t z a g 公司1 2 9 , 3 0 l 都推出了自己的變頻驅(qū)動液壓電梯產(chǎn)品。 圖1 - 3 應(yīng)用閉式回路的b e r i p a c 變頻液壓電梯結(jié)構(gòu)圖 除了在液壓電梯上應(yīng)用以外，變頻驅(qū)動液壓技術(shù)還在飛機、注塑機、液壓轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)、制磚廠等獲得應(yīng)用。在注塑機中，由于注塑機的液壓系統(tǒng)工作在變壓力、 變流量連續(xù)循環(huán)不問斷工作，普通液壓驅(qū)動的注塑機的總效率不足2 5 。由于注 塑機的合模和開模機構(gòu)的速度變化在一個動作循環(huán)中的波動較大，而且是雙向往 6 圖1 _ 4 應(yīng)用變頻閉式回路的注塑機系統(tǒng) 復(fù)運動，將變頻閉式回路應(yīng)用用在注塑機的鎖合模和開模機構(gòu)上，可以大大提高 注塑機的運行效率，節(jié)約大量的電能，并提高注塑精度【3 1 】。圖1 _ 4 是d e m a g e r g o t e c h 注塑機公司的應(yīng)用變頻閉式回路的注塑機產(chǎn)品的系統(tǒng)原理圖。 國內(nèi)變頻驅(qū)動液壓技術(shù)的研究是和液壓電梯的研究密不可分的，是隨著液壓 電梯研究的進(jìn)展而得到發(fā)展的。浙江大學(xué)流體傳動及及控制國家重點實驗室的楊 華勇教授帶領(lǐng)的課題組在液壓電梯領(lǐng)域應(yīng)用變頻液壓技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了十多年的 研究，使我國變頻液壓電梯控制系統(tǒng)的研究處于世界領(lǐng)先地位，推動了我國變頻 驅(qū)動液壓技術(shù)的發(fā)展1 3 2 1 1 3 3 l 嗍l 蚓1 3 7 1 。電梯組的林建杰博士根據(jù)液壓電梯技術(shù)的 發(fā)展趨勢，提出并設(shè)計了一種閉式回路結(jié)構(gòu)的節(jié)能型液壓電梯系統(tǒng)，如圖1 5 所 示 3 s l 。這種新型的液壓電梯系統(tǒng)經(jīng)過實驗驗證，達(dá)到了以下性能指標(biāo)： 1 ) 系統(tǒng)的效率高、能耗低；2 ) 用油少；3 ) 結(jié)構(gòu)簡單；4 ) 液壓系統(tǒng)體積?。?5 ) 控制性能良好：6 ) 降低裝機功率； 7 閥 圖1 - 5 團(tuán)式回路結(jié)構(gòu)的節(jié)能型液壓電梯系統(tǒng)原理圖 在該系統(tǒng)中，電梯轎廂滿載向上運行的過程中，活塞缸側(cè)的液壓油壓力高于 蓄能器側(cè)液壓油的壓力，電動機工作在電磁驅(qū)動狀態(tài)并帶動液壓泵馬達(dá)正向轉(zhuǎn) 動，向活塞缸輸出液壓油使電梯正常上行。此工況下液壓泵i - - 5 達(dá)工作于泵工況， 主電動機和蓄能器共同向液壓泵提供動力，克服電梯總載荷的阻力，實現(xiàn)電梯的 上行；轎廂空載向上運行的過程中，由于活塞缸側(cè)的液壓油壓力低于蓄能器側(cè)液 壓油的壓力，液壓泵，馬達(dá)工作于馬達(dá)工況，也就是說蓄能器向液壓馬達(dá)提供動 力，克服主電動機和電梯總載荷的阻力，實現(xiàn)電梯的上行；轎廂空載向下運行的 過程中，活塞缸側(cè)的液壓油壓力低于蓄能器側(cè)液壓油的壓力電動機工作在電磁驅(qū) 動狀態(tài)并帶動液壓泵馬達(dá)反向轉(zhuǎn)動，活塞缸內(nèi)的液壓油輸出到蓄能器中，使電梯 正常下行。此工況下液壓泵，馬達(dá)工作于泵工況，主電動機和電梯總載荷共同向 液壓泵提供動力，克服蓄能器的阻力，實現(xiàn)電梯的下行；電梯轎廂滿載向下運行 的過程中活塞缸側(cè)的液壓油壓力高于蓄能器側(cè)液壓油的壓力，電動機工作在回饋 制動狀態(tài)并使液壓泵馬達(dá)反向轉(zhuǎn)動。液壓泵馬達(dá)工作于馬達(dá)工況，電梯總載荷 向液壓馬達(dá)提供動力，克服主電動機和蓄能器的阻力，實現(xiàn)電梯的下行。 r 蔓= 童絲絲 如上所述，此系統(tǒng)中的主電機和主泵，都存在著四象限工作的概念，對于電 機來說，傳統(tǒng)意義上認(rèn)為一三象限是電動狀態(tài)，二四象限是發(fā)電狀態(tài)。而泵的四 象限指的是該泵不僅能夠作為泵用，而且能夠作為馬達(dá)用，并且在作為泵和作為 馬達(dá)時都能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)；為了與電機的四象限工作相對應(yīng)，把泵馬達(dá)作泵工 況時定義為工作在一三象限，而將其被負(fù)載拖動作馬達(dá)工況時定義為工作在二四 象限。系統(tǒng)中的變頻器具有能夠處理再生電能的功能，當(dāng)電動機被負(fù)載拖動而長 時間處于發(fā)電狀態(tài)時，能夠?qū)⑸傻碾娔芑仞伒诫娋W(wǎng)中或者通過制動電阻以熱能 的方式消耗掉。 1 4 課題研究意義及主要研究內(nèi)容 1 4 1 課題研究的意義 節(jié)能是液壓技術(shù)發(fā)展的主要目標(biāo)和趨勢之一，而如前所述，變頻液壓技術(shù)有 許多優(yōu)點并且發(fā)展迅速。開發(fā)和研究出性能良好，結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)能和降低系統(tǒng)裝 機功率，應(yīng)用范圍廣的變頻液壓動力單元，不僅具有理論意義，還具有重要市場 價值。 1 4 2 本文的主要研究內(nèi)容 本文主要針對變頻閉式液壓動力單元進(jìn)行下列研究工作： 1 ) 進(jìn)一步完善變頻閉式液壓動力單元系統(tǒng)的方案設(shè)計和迸行負(fù)載回路的選 擇，在課題組已經(jīng)畢業(yè)的黃方平碩士所做工作的基礎(chǔ)上嗍，完成變頻閉式液壓動 力單元系統(tǒng)實驗臺的最終搭建。 2 ) 建立變頻閉式液壓動力單元的數(shù)學(xué)模型，采用a m e s i m 仿真軟件建立整個 變頻閉式系統(tǒng)的仿真模型，針對系統(tǒng)模型選擇和確定系統(tǒng)的各變量參數(shù)。 3 ) 對系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)和閉環(huán)p i d 控制算法的仿真研究，主要針對系統(tǒng)速度控 制特性進(jìn)行研究，用以確定適合于變頻閉式液壓動力系統(tǒng)的控制方法，并進(jìn)行實 驗驗證。 4 ) 對該系統(tǒng)在液壓抽油機中的應(yīng)用進(jìn)行工程應(yīng)用研究，并給出具體工程應(yīng) 用設(shè)計實例和在工程應(yīng)用中的優(yōu)缺點，通過工程設(shè)計和應(yīng)用表明變頻閉式液壓動 力系統(tǒng)能簡化系統(tǒng)，降低裝機功率和系統(tǒng)能耗，實現(xiàn)可靠運行。 9 第二章變頻閉式液壓動力系統(tǒng)的設(shè)計 第二章變頻閉式液壓動力系統(tǒng)的設(shè)計 【摘要】本章對變頻閉式液壓動力單元的動力元件和執(zhí)行元件進(jìn)行了選型和搭建；建立 了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分；使用c 語言編寫了系統(tǒng)的控制程序。 2 1 變頻閉式液壓動力系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計和元件選型 2 1 1 系統(tǒng)的液壓結(jié)構(gòu)方案原理設(shè)計i 4 2 1 1 4 3 1 1 刪 1 主電機2 外嚙合雙向齒輪泵3 補油單向闞4 溢流單向閥5 安全閥 6 雙向液壓馬達(dá)7 蓄能器8 溢流闕9 單向閥1 0 補油泵1 1 補油 電機1 2 濾油器 圖2 - 1本課題系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖 該系統(tǒng)的液壓回路分為主回路和補油回路兩部分。在主油路中，動力元件采 用定量液壓泵2 ，執(zhí)行元件采用定量液壓馬達(dá)6 ，油泵和油馬達(dá)都可以雙向運轉(zhuǎn)。 油泵的吸油腔直接從油馬達(dá)的排油腔吸入油液，油泵的壓力油輸出腔通過管道直 接和油馬達(dá)的吸油腔相連，沒有經(jīng)過任何換向閥或者節(jié)流口。當(dāng)需要改變油馬達(dá) 的轉(zhuǎn)向時，由控制系統(tǒng)向變頻器發(fā)出一個與電機當(dāng)前運轉(zhuǎn)方向相反的正反轉(zhuǎn)的信 號，變頻器自動地改變供給主電機l 的三相電源的相序，使得電機換向運轉(zhuǎn)。這 個時候，油泵從上一個工作狀況下的系統(tǒng)壓力油容腔吸入油液，向系統(tǒng)原來的低 壓容腔輸出壓力油，由于這一過程是伴隨著油泵的轉(zhuǎn)動而逐步實現(xiàn)的，不存在高 壓油腔與低壓油腔之間的瞬時切換，因而整個液壓系統(tǒng)在換向中所受到的沖擊載 荷較小。需要對液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)時，如果變頻器工作在閉環(huán)工作方式下 l o 笙三蘭壅塑塑塞墮堡墊壟墨竺竺堡生 l ( 存在電機速度反饋) ，計算機監(jiān)測控制系統(tǒng)向變頻器輸出由馬達(dá)軸折算到電機 軸上的所期望的電機轉(zhuǎn)速的模擬信號，只要變頻器的輸出電流沒有達(dá)到其最大允 許值，變頻器將控制電機按照給定速度運行而與負(fù)載大小無關(guān)，油泵向油馬達(dá)輸 出期望的流量，這樣就可以實現(xiàn)執(zhí)行元件的精確調(diào)速。如果在馬達(dá)的轉(zhuǎn)速較高時 實現(xiàn)減速或者制動，由于電機軸的實際轉(zhuǎn)速大小超過了變頻器供給電機的一定頻 率的電源所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速大小，則電機處在被負(fù)載拖動的狀態(tài)即再生制 動工作狀態(tài)，而電機和泵可以雙向運轉(zhuǎn)，因而整個系統(tǒng)具備了四象限運行的能力。 主回路中的兩個單向閥4 和一個溢流閥5 ( 用作安全閥) 可以實現(xiàn)系統(tǒng)任意一腔一一 的壓力過載保護(hù)。相對于其他系統(tǒng)而言，變頻閉式液壓回路中沒有換向閥，沒有 節(jié)流調(diào)速閥，液壓元件比較少，因而整個系統(tǒng)顯得比較簡潔，由各種液壓控制元 件引起的油液泄漏也比較少，這些都為其在實際應(yīng)用中能夠可靠的運行提供了有 力的保障。 雖然閉式系統(tǒng)工作時的泄漏比較少，但是油泵和油馬達(dá)處產(chǎn)生的外泄漏如果 不能夠得到及時的補充，油液周而復(fù)始的封閉運行，會使主泵的吸油條件變差。 在系統(tǒng)中對主液壓回路設(shè)置補油回路，補油回路中補油泵出口通過兩個單向閥3 分別與主油路的兩腔連通，補油泵出口處的溢流閥8 用作限壓閥，用以設(shè)定補油 壓力。在補油泵工作時，除了向主回路補充油液以外，還附帶向補油泵出口的蓄 能器充油，蓄能器在補油回路工作時可以起到吸收補油泵出口處的壓力脈動的作 用，其充油壓力同樣的由限壓閥8 設(shè)置。在補油泵停止工作時，蓄能器可以向主 油路的低壓腔提供少量的油液，以補償主油路運行過程中產(chǎn)生的泄漏，由于蓄能 器向泵的吸油口提供了一定的低壓壓力油，主泵2 的吸油條件得以改善，減少了 氣蝕等現(xiàn)象發(fā)生的可能性。此外，補油裝置中還可以在蓄能器出口處加裝壓力繼 電器，當(dāng)補油壓力低到一定值時，自動啟動補油電機1 2 帶動補油泵工作，在實 際搭建的實驗系統(tǒng)中并沒有安裝壓力繼電器，而是通過安裝在回路中的壓力傳感 器或者壓力表監(jiān)測到系統(tǒng)壓力值偏低時，再進(jìn)行補油操作。 該系統(tǒng)的主要特點是： ( 1 ) f l a 于采用了閉式液壓回路，執(zhí)行機構(gòu)換向不需要換向閥及換向回路，液 壓元件明顯減少，使系統(tǒng)變得簡單，動作較靈敏。 ( 2 ) 采用補油回路可以設(shè)定主回路低壓腔的壓力，改善主泵的吸油性能，避免 了吸空現(xiàn)象，減少振動，降低噪聲。如果采用壓力油箱的方案，可以進(jìn)一步取消 補油回路，使整個系統(tǒng)更加簡單。 ( 3 ) 系統(tǒng)中的主電機和油泵都浸在油箱中的油液內(nèi)，不僅使得電機運轉(zhuǎn)時易 于冷卻，而且減小了系統(tǒng)運行過程中由動力元件產(chǎn)生的噪聲。此外，這種方案還 減小了整個系統(tǒng)所需要的安裝空間。使得整個泵站結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積的功率密 度較大。 1 1 ( 4 ) 采用交轉(zhuǎn)速液壓調(diào)速技術(shù)，使電機和液壓泵在負(fù)載所需流量較小的時候 可以工作在較低的轉(zhuǎn)速，不需要一直工作在較高的轉(zhuǎn)速，不僅減少了能量損失， 而且能延長電機和油泵的使用壽命。 ( 5 ) 在大中功率系統(tǒng)中，由于流量較大，傳統(tǒng)閥控系統(tǒng)中各種閥的閥芯尺寸大， 慣性大，響應(yīng)變慢，而變頻液壓動力單元并不存在此類問題，具有傳動效率高、 節(jié)省能源等特點1 4 5 1 ，此外，還具有回收能量的可能性。 ( 6 ) 該動力單元的執(zhí)行元件可以是雙向液壓馬達(dá)，也可以是單出桿液壓缸、雙 出桿液壓缸、以及復(fù)合缸如單出桿雙作用對稱液壓缸等，可根據(jù)實際系統(tǒng)要求選 用動力單元的功率和執(zhí)行元件，適應(yīng)面廣。 2 1 2 變頻閉式動力單元動力元件和執(zhí)行元件的搭建及其他各元件 的選擇 2 1 2 1 主泵的選擇 系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)要求，最大流量q i - - 5 0u m i n ，最大工作壓力p l = 1 4m p a ，選 擇意大利馬祖奇公司生產(chǎn)的外嚙合雙向齒輪泵，馬祖奇公司是世界上最大的齒輪 泵及齒輪馬達(dá)的生產(chǎn)廠家之一，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于裁斷機、彎管機、木工機械、 紡織機械、制鞋機械、通用機床、自動化生產(chǎn)線、工程機械，機器人、輕工機械、 堆高機、升降機及其他各領(lǐng)域液壓機械和工程項目1 4 6 1 。泵的型號為： a l p 2 一r 4 1 n c o e 1 ，該泵的殼體和前后端蓋均采用鋁合金制造，體積小，重量輕， 強度較高，耐沖擊，運轉(zhuǎn)時噪音也較小，使用壽命長。其最高轉(zhuǎn)速為1 1 1 = 2 8 0 0 r r a i n ，額定轉(zhuǎn)速1 5 0 0 r e v m i n ，按照系統(tǒng)最大流量時主泵工作在2 0 0 0r r a i n 的實 際轉(zhuǎn)速，并且考慮到容積效率r l v l = 0 9 5 ，可初算出泵的排量為： 啊一岳；蕊5 0 1 0 3 - 2 6 3 m f ， ( 2 - 1 )“瑪g 吃l 2 0 0 0 o 9 5 ( 2 1 ) 泵的排量選定為2 8 2 m l r e v ，主泵選擇額定壓力為1 4m p a ，系統(tǒng)實際的流量為 q ：一n q 一3 2 3 x 1 0 4 1 8 0 0 5 8 1 4 l r a i n ( 2 - 2 ) 泵的容積效率為仉- 0 9 5 ，則系統(tǒng)的泄漏流量為 q 藩= q 。( 1 - r v 1 ) 一5 8 1 4 o 0 5 - 2 9 1 l r a i n ( 2 - 3 ) 篷三童壅塑塑壅鎏墮墊壟墨竺墮絲生 l 2 1 2 2 電動機的選擇： 按照主電機的功率和液壓泵的輸入功率相匹配的原則，假設(shè)主泵的總效率為 r h 一0 9 5 ，則可以計算出主電機的功率為： n = p i q i e l 1 4 2 8 k w( 2 - 4 ) 由系統(tǒng)的總體要求和電機的功率系列，選擇電機的額定功率為1 4 7k w ( 2 0 馬力1 ，考慮到結(jié)構(gòu)的緊湊性及散熱條件，選擇l e r o y s o l t i e r 公司的浸油式電機， 型號為y 1 6 0 s i 2 q d 2 1 4 7 1 。該電機是兩極電機，額定轉(zhuǎn)速可達(dá)2 8 8 3 r m i n ，使用時 浸沒于油液中，借助液壓油對電機進(jìn)行冷卻。這種電機具有較高的起動轉(zhuǎn)矩和較 低的起動電流，起動性能良好。由于是雙出軸式電機，可以在電機軸上油泵的另 一側(cè)安裝檢測速度的光電編碼器，為電機工作在閉環(huán)矢量工作方式下提供了可 能。另外，此電機還接有熱敏電阻，通過兩根信號線連接到變頻器的外部輸入端 予上。在正常運行時，熱敏電阻的阻值很小，變頻器認(rèn)為這兩根信號線之間是接 通的，當(dāng)電機運行過程中溫度超過一定值時，熱敏電阻的阻值將變得很大，變頻 器內(nèi)部的監(jiān)測模塊檢測到這一信號以后，將切斷變頻器輸出給電動機的電源實現(xiàn) 停車，以保護(hù)電動機的可靠運行。如果不希望使用溫度保護(hù)功能，熱敏電阻的這 兩根信號線也可以不輸入給變頻器，而直接將變頻器的兩個輸入端子用信號線短 接。 2 1 2 3 變頻器的選擇： 通用變頻器的選擇包括通用變頻器的型式選擇和容量選擇兩個方面，選擇的 原則是：首先其功能特性能保證可靠的實現(xiàn)工藝要求，其次是獲得較好的性能價 格比。對于要求精度高，動態(tài)性能好，響應(yīng)速度快的生產(chǎn)機械，應(yīng)采用矢量控制 或者直接轉(zhuǎn)矩控制型通用變頻器。根據(jù)電機功率1 5 k w , 選擇英國c r 公司的統(tǒng)一 變頻器，這是一種通用型交流變頻器，型號為u n l 3 4 0 1 ，適用于感應(yīng)電機及伺服 電機，并留有一定的額定電流余量。通過配置，此變頻器可以有四種工作方式i “， 分別是開環(huán)方式、閉環(huán)矢量方式、閉環(huán)伺服方式和再生方式。開環(huán)方式允許在沒 有電機軸端速度反饋的情況下變頻器控制電機運轉(zhuǎn)，但是此時電機的轉(zhuǎn)速易受負(fù) 載變化的影響；在本試驗系統(tǒng)中，為了達(dá)到更好的控制性能，選擇了閉環(huán)矢量方 式作為變頻器的工作狀態(tài)。在閉環(huán)矢量方式下工作時，通過設(shè)置參數(shù)，還可以使 變頻器工作在端子運行方式( 輸入外部模擬信號控制變頻器) 和鍵盤運行方式( 通 過變頻器自身的鍵盤輸入給定信號) ，使得操作者在實驗中能夠很方便的調(diào)試變 頻器和進(jìn)行故障分析排除。 2 1 2 4 馬達(dá)的選擇 系統(tǒng)的最大流量為5 8 1 4l m i n ，選擇榆次永昌液壓件廠生產(chǎn)的c m f l v l 型系列齒輪馬達(dá)，該系列齒輪馬達(dá)最高轉(zhuǎn)速為2 4 0 0r r a i n ，額定轉(zhuǎn)速為1 8 0 0r r a i n ， 則馬達(dá)的排量為： 一q 。n 一5 8 1 4 x 1 0 。2 4 0 0 2 4 2 2m l r ( 2 5 ) 選取馬達(dá)的型號為：c m - f m 2 5 - f l ，其排量q m = 2 5 3 6m 1 r e v ，其技術(shù)參數(shù) 如表2 - 1 ： 型號排量額定壓額定轉(zhuǎn)扭矩刪m )最高轉(zhuǎn)最低轉(zhuǎn) i m i 0 力速 速( r r a i n l速( r r a i n ) ( m p a )( r r a i n ) 6 3 m p a 1 1 0 m p a 1 1 4 m p a c m f m 2 5 - 凡 2 5 3 61 41 8 0 02 1 2 3 6b 2 4 0 01 2 0 表2 - 1 馬達(dá)的性能參數(shù)表 表中最高轉(zhuǎn)速2 4 0 0 r r a i n 為馬達(dá)使用中短暫時間內(nèi)所允許達(dá)到的最高值，每 次持續(xù)時間不得超過三分鐘，馬達(dá)的泄漏油口需要單獨配管，且泄油阻力不得大 于0 0 3 m p a ，馬達(dá)入口處油液過濾精度不低于5 0 u r n 。 2 1 2 5 馬達(dá)負(fù)載的模擬及馬達(dá)軸光電編碼器的選擇與安裝 在實驗室條件下模擬恒定負(fù)載比較困難，在實際的試驗臺中在馬達(dá)輸出軸上 安裝一根較長的軸，其直徑4 5 r a m ，此軸與光電編碼器連接，由于其具有一定的 轉(zhuǎn)動慣量，這樣馬達(dá)在加速和減速的動態(tài)過程中，由馬達(dá)軸上的轉(zhuǎn)動慣量和馬達(dá) 旋轉(zhuǎn)的角加速度便產(chǎn)生了一個轉(zhuǎn)矩，如果加速度恒定的話，則由轉(zhuǎn)動慣量產(chǎn)生的 轉(zhuǎn)矩也為恒定值，但是不足之處是由其產(chǎn)生的動態(tài)轉(zhuǎn)矩太小，且當(dāng)馬達(dá)作勻速運 轉(zhuǎn)的時候并無負(fù)載力矩的作用。 實驗系統(tǒng)中的馬達(dá)安裝在一個支架上，設(shè)計了一根連結(jié)軸，由馬達(dá)伸出軸通 過半圓頭平鍵驅(qū)動連接軸。軸的中部開了一個m 6 的螺紋孔，用一個內(nèi)六角螺釘 將此軸與套在此軸外面的鋁合金套軸固定在一起，通過緊定螺釘實現(xiàn)鋁合金套軸 和光電編碼器之間的傳動。連接軸的另一端設(shè)計了一個軸肩，此軸肩的平面在重 力的作用下壓緊在止推軸承的動圈上，由此止推軸承來承受聯(lián)結(jié)軸重量所引起的 軸向力1 5 1 】。推力球軸承的定圈安裝在一個與之有配合關(guān)系的墊塊內(nèi)，以此限制 連接軸底端的徑向撓度。由于軸向力已經(jīng)被平衡，因此鋁合金套軸與光電編碼器 之間的三個緊定螺釘產(chǎn)生的頂緊力能夠很好的帶動光電編碼器旋轉(zhuǎn)空心軸，整個 馬達(dá)的安裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 2 所示。 1 4 f 蘭三皇壅塑塑壅壅墾墊查墨絲塑堡堡 底部墊塊 臺架板2 2 1 2 6 補油裝置的設(shè)計 圖2 - 2 馬達(dá)安裝結(jié)構(gòu)示意圖 在閉式液壓回路中，補油裝置是不可缺少的，這是因為系統(tǒng)實際使用的某些 液壓元件總會產(chǎn)生一定的泄漏，例如本系統(tǒng)中使用的雙向泵和雙向馬達(dá)在實際運 轉(zhuǎn)過程中總會有一部分的外泄漏流量產(chǎn)生，這部分泄漏流量分別通過泵和馬達(dá)的 外泄油口流回油箱；當(dāng)主電動機的轉(zhuǎn)速跟隨控制信號作加速或減速運動而導(dǎo)致主 油路兩腔壓力超過主油路安全閥所設(shè)定的壓力值時，主油路中多余的流量也會通 過溢流閥進(jìn)入油箱；此外，集成閥塊與各液壓元件的接頭處以及泵和馬達(dá)的進(jìn)出 油口如果密封的不理想也會或多或少的產(chǎn)生一點泄漏。由于以上這幾部分泄漏流 量的存在，導(dǎo)致主回路中的油量不斷減少，如果油量得不到及時補充，會導(dǎo)致主 泵的吸空，且將增大液壓系統(tǒng)的噪聲。這就決定了必須在系統(tǒng)中設(shè)置補油裝置， 以彌補主油路油液的不斷減少。 補油裝置主要組成元件有補油電機、補油泵、單向閥、溢流閥、濾油器。 補油電機和補油泵的選擇：在補油過程中，由補油電機帶動補油泵向主回路 中充油，為了避免補油電機補油泵工作時產(chǎn)生較大的噪聲，補油電機的額定轉(zhuǎn)速 蘭三童壅塑塑壅矍墾墊壟墨竺塑堡鹽i 不必要選的很高，而如果補油電機的額定轉(zhuǎn)速選得較低的話，將會使得補油泵的 容積效率降低很多，綜合考慮，最終選擇了四極電動機，將1 5 0 0 r m i n 作為補油 電機的同步轉(zhuǎn)速，補油電機的性能參數(shù)表如表2 - 2 所示1 5 2 i 。補油電機和補油泵安 裝在油箱的蓋板上，拆裝都比較省事。 型號額定功率轉(zhuǎn)速電流效率功率因素轉(zhuǎn)動慣鼉重量 o m )( r l m i n )( a )( ) e o s o ( k g l l l 2 1k g y 8 0 2 - 40 7