（机械电子工程专业论文）水压泵性能实验及双缸同步控制系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究擞攀位论文 摘要 承耀驱动按拳佟为人类可持续发震靛顼环保、节鼹技术，嬉代蛰溅巴戒 熬的演缒驱动按零。承魇篆 睾为拳压传动懿心露主，是承歪鞑霸系统懿动力元馋； 瓣瘩珏：艇娜是求压辍渤系统中的嵇重要捷行元件，它们都嫩水压驱动按术研 究中的两个关键元件，因此对它们的实验研究怒非常有意义，也跫非常黧鞭的& 论文麓翅对“w r i t - - 3 7 毒蛙黢承压元箨综台测试台”进行了改造与竞落。 在改造瓮善后的实验溅试台上镞了东压浆酶瞧麓溅试实验窝冰压缸的圈多控裁 实验。论文主要肖题部分的工作：水压辜；由向柱糍泵的性能测试和双缸同步控制 系统的实验及理论研究。其中论文主要寨中在敝艇同步系统龄实验及瑗论分桥 主：舔铡东压双瓤爨步实验台，嚣力传罄器、傻移传感嚣及数撬袋集卡酌遮型、 安装和调试，永藤双钕同步控青的理论仿真，戳及永匿双瓿酌同步控制瀚实现。 论文结合上述实际问题，完成了水压轴向卡主塞泵的性能测试，详细介绍了 转感嚣、数撂采集卡懿王传豢瑗，着重分褥了数饕采集卡匏瞒韶浚诗与搽佟； 采舔褒￥b 集成- 歼发环境中设诗、开发了东压取程同步控割实验耀软 孛，设计测 试方索澍瘸琵秘节瀛阁控翻瑟个承压赶，实蕊承压双越静溺参控毒l ，并弱蕉 m a t l a b 进行了仿真分析。最后，改善后纳水压综台测试台功能强加完瘗b _ _ _ 续兹求噩羧零发鼹奠定了实验蒸诋。j 加一 荧建漏：同步控剁；水压缸：数攒采集：m a t l a b 仿真、 伤后 西南交通大攀硕士研究生学位论文 a b s t r a c t b e c a u s eo i1 t se n v l r o n m e n t p r o t e c t l o n sa n de n e r g y s a y i n g s ，w a t e r h y d r a u l i c sw i l lt a k ep l a c eo fo i lh y d r a u l i c ss t e pb ys t e p ，w h i c hh a sb e e n d e v e l o p e dt ov e r yh i g hs t e p + w a t e rh y d r a u l i ca x i a lp i s t o np u m pa st h e d r i v ec o m p o n e n ta n dw a t e rh y d r a u l i cc y l i n d e ra st h e a c tc o m p o n e n t ，t h e y aret h et w ok e yc o m p o n e n t so fw a t e rh y d r a u li cs y s t e m s ot h er e s e a r c h o ft h et w oo n e si s v e r yf a v o u r a b l ea n dv e r yi m p o r t a n t i nt h i st h e s i s ，a f t e rt h er e f o r m a t i o na n dc o n s u m m a t i o no ft h e “w h t 一3 7 ”w a t e rh y d r a u l i cm u l t 卜p e r f o r m a n c ep l a t f o r m t h el a br e s e a r c h o ft h ew a t e rh y d r a u l i ca x i a lp i s t o np u m pa n ds y n c h r o n o u sc o n t r o lo fw a t e r h y d r a u l i cp a r a l 】e lc y l i n d e r so ni t 。t h et h e s i sc o n s i s t so ft w op m - t s r e s e a r c ho fp e r f o r m a n e et e s to f w a t e rh y d r a u l i ca x i a lp i s t o np u m pa n d r e s e a r c ho fs y n c h r o n o u sc o n t r o lo fw a t e rh y d r a u l i cp a r a l l e lc v i i n d e r s 。 t h el a s tonei sm a j o rp a r t ，i ti sc o m p o s e do ft h ef o l l o w i n g ：d e v e l o p n l e lj l t o fw a t e rh y d r a u l icd o u b l e s y n c h r o n i s mc y l i n d e r s ，s e l e c t i n g ，f ix i n g ， a d a p t i n go ft h ep r e s s u r es e n s o r ，d i s p l a c e m e n ts e n s o ra n dd a t a - a c q u l r i n g c a r d ，s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n to ft h es y n c h r o n o u sc o n t r o lo fw a t e _ l ， h y d r a u l i cp a r a l l e ie y l i n d e r s 。 c o m b i n e dw i t ht h e s ea c t u a lp r o b l e m s ，t h ep e r f o r m a n c et e s to f 、? # ! te l h y d r a u l i ca x i a lp i s t o np u m pi sd o n es u c c e s s f u l l y 。t h e s i si n t r o d a c e st h e s e n s o r sm a i n l y ，a n dt h ed e s i g no ft h ed a t a a c q u i r i n gc a r di se m p h a t i c ；i h d i s c u s s e d am u t u a if l e x i b l es o f t w a r eis d e v e l o p e dt oc o n t r o lt h ew 8 t 0 1 h y d r a u l i cp a r a l l e lc y l i n d e r ss y n c h r o n o u s l vi nt h ev bin t e g r aj e n v l r o n m e n t ，a n dt h et h e o r e t i cs i m u l a t jo no ft h ed o u b l ec y l i n d e r si s f i n i s h e db yu s i n gm a t i 奠b 。l a s t ，t h er e f o r m a t i o no ft h ew a t e rh v d r a u i c e x p e r i m e n tp l a t f o r mj ss u c c e s s f u l ，w h i c bj a y st h ee x p e r i m e n t a lb a s e 。；n d w ec a nd e v e l o pt h ew a r e rh y d r a u l jct e c h n 0 1o g yb e t t e r k e y w o r d ：s y n c h r o n o u sc e n t r o l ，w a t e rh y d l a a i cc y ti n d e r ，d a t aa c q ur in g s i m u i a t o nb y 豁 i a 8 i ! ! i i l j 交通大学硕士研究生学论l 文 第1 页 第1 章绪论 水压技术在上世纪九十年代初的再次兴起，使得传统的液压传动技术发 生了巨大的改变，有了全新的发展方向。作为液压传动中的一种重要的执行 元件液压缸，在工业上得到了广泛的应用，而双缸同步控制是液压缸应 用中很难解决，也是经常碰到一个问题。随着水压技术的进一步发展，用水 压缸代替传统的油压缸是必然的趋势；水压泵，则是水压系统的心脏，是发 展水压技术要解决的首要难题。本研究课题以水压双缸同步控制实验台为研 究对象，通过设计、改造、仿真、调试等方法，实现水压双缸盔不同负载下 的同步控制，并用实验的手段，探讨了水压轴向柱塞泵的静特性。 1 1 水压技术综述 1 1 1 水压技术的发展历史 水压技术并不是一门新技术，水压技术的历史可以追溯到几千年酊。早 在公元前3 世纪，a r c h i m e d e s 将螺旋浆原理应用于水泵中来实现农用的灌溉， 埃及人在公元前2 0 0 年左右首先发明了活塞泵，并用于灌溉；有记载表明， 大约在公元前1 0 0 年左右发明第一个水压马达，至到1 9 世纪未才被人们利用； 在公元1 0 0 年，亚历山大建造了一种装景，用于流体静力能量传递，这种装 置用火加热密闭容器中的水，使其膨胀，迫使水沿管道流向使用处： j o s e f b r a n m a h 于1 7 9 5 年首先发明了水压机。还有许多迹象表明，水压技术的 历史远在历史记载之前。 水压技术的发展和应用不断前进至到大约1 9 0 0 年，电力供给的迅速发展 阻碍了水压技术的进一步发展和应用。1 9 0 6 年，油压系统首次被提出，在一 定层度上代替电机系统，从那时丌始，液压传动技术就与油密不可分了，而 水压技术则停止不前。至到1 9 7 7 年，一家英国公司丌始研究海水元件应用于 海军舰艇，同时d a n f o s s 一家月麦公司于1 9 9 4 年提出一整套管道水压产 品和系统。从此水压技术的再次兴起，世界各国纷纷投入大量人力、物力研 究水压技术，丌发水压元件，特别是在欧美、日本等发达国家已经取得了很 大的突破，大量的水压产品相继耿代了传统的油压产品应用于工业实际生产 中。 油压液压传动在上个世纪得到了迅速的发展的同时，气动技术也得到了 一定的发展，而水压液压传动则停滞不前，油压液压传动在流体传动中处于 主导地位。表l 一1 为水压驱动技术与其它传统驱动技术的比较。而矿物油和 水作为液压传动媒介在其各自理化性上的差异和科学技术的发展程度决定了 油压液压传动与水压液压传动的发展，矿物油和水在理化特性卜的差异如表 1 2 所示。在上世纪术，水压液压传动的再次兴起，完全是由于环境要求、 自然资源的可持续性发展和科学技术的发展的原因”i 。 西南交通大学硕士研究生学论文：第2 页 表1 - l 水压驱动技术与其他传统驱动技术的比较 项目液压驱动 气压驱动1 也驱动 水骶驱动油撮驱动 传动媒介水( 自来水、纯水) 矿物油卒气 动力源水胝泉 油k 泵k 缩机 i b 源 投术特性、性能高输力，- 青响l 蕾输：i j 力，l 面响胜缩性较人，高- 哥精度的位置 心性，枷性受温度精度的位置控制 控制，响应伙，但 彬响小，体积弹性难。j 液肚相比，输 系数人、控制性力较小。 动力惭度好好较好差 啊心性、控制性较好较好差好 对环境的影响 1 l 漏时对王；f = 境i | f 漏时会造成排气时噪声很有漏i u 危险，低 无污染，存贮时无环境污染，睃油处 人。 速高转矩时需要 火灾危险。理难，减速器，润滑油泄 漏造成污染。 经济盹运行成本低，机传动介质需定构成较容易、设运行成本低于 器设需价格现阶期更换，峻油处备投资小，运行成水雕系统，世需考 段较高。理，运行成本较奉比油雕、水雕虑防爆对策。 低。 主要利用丁况中小输m 力、对人中输f i ；力，特 中小输，j 、维 中小输力、要 泄漏、环境污染控别是输j 1 1 力矩人护简便、小要求赢求高精度、一曲啊 制严、清清性要求的行业：精度、一面响应的场心、维护简便的场 高、有火灾危险的 场合。 表1 2 水与矿物油在理化性上的比较 水矿物油 类别缺点特缺点 特点优点优点 点 化学l 垃 h 二o 、碳 王；f 、保、易采集、卒气浒斛度r 矗、易沉对钢材无腐j 丐染叫、境、j 正奉 峻黼、氯成奉低。淀、易产生川菌、易锈蚀，窄气溶解 份 化物等蚀俐材。度低； 低摩擦损失小。随润滑一h 差、惭判难。较润滑一h 能好、管道损失棚对水 粘度 温度变化小。 人 崭封悱好；璺人。 自触i u 危险，易形成l u 低 绝缘性好。 i u 导：= f i 腾蚀。 传热比 散热1 4 能好。 低 散热较差。 易结：水堵栾话：道，使用 低小易；疑川 ，骺赢 温度池1 。；咖堵摩管道。 阻燃忡好无火低易燃易爆。 燃点 灾危险。 1 化惟 容易彤成气蚀噪声较 低噪声较小，相 对水小易彤 13 成气蚀。 弹f 牛模j 、啊心恍、捧制悄易肜l 垃水，1 i 和噪声，较 2 j 坐熳l h j ，j 、 1 1 2 水压技术的研究现状 对于纯水压技术的研究，四方圈家及本处j ：领先地位，征某些技术力 西南交通大学硕士研究生学论文第3 页 面已经取得了突破性的进展，而目前国内尚属空白。表1 3 为国外的水压技 术的研究情况。 表1 3 国外水压技术研究现状 国 公司或组织产品及应刖领域 别 丹d a n f o s s 公司设计生产山了一系列纯水液压元什。元什的效率和寿命达到 麦甚至超过了矿物油型液压元什，广泛川丁食 i 1 1 伐小等行业 h a u h i n c o 公司生产山了肠i 卜、埘系列t r i p l e x 轴向柱塞泵、r 印系列径向 德 柱塞泵和 i ! 1 种齐全的纯水液压阀，已广泛廊州丁焊接机器人和 国 金属压力成型设备等 汉堡i ：业人学仕水胜泵恻吲挽材半斗啊m 州万回走仕h u y u ，迥趣材柑列比瓜 验，研制出的一种新型陶瓷材料r 髓4 0 具有j 一阔的庶前景 芬 a m p e r e 研究纯水压传动技术起步早，投入的人力也多，至今已形成 、 -科技人学规模，并具有一定的影响 荏原研究所从事纯水液压传动的研究，此外，日本海水液压传动技术苛 日三菱重t常领先，水f 使川深度可达1 2 5 0 0 m 本 m i y a k a w a 公司 神奈j 1 1 入学 1 2 水压泵的研究状况 水压驱动技术发展的关键是开发水压元件，而元件中水压泵( 和马达) 是关键之关键，其_ 丌发的难度也最大。水压泵是整个水压系统能量供应的心 脏，其研究的重点在于如伺使以低粘度水介质的水压泵能产生与油压泵相当 的高压，降低振动和减小噪声，以便水压系统能像油压系统一样，以较小的 体积、高效地传递较大的动力。 1 2 1 水压泵的简述 总的来况，纯水液压泵的发展经历了用油润滑和用纯水润滑的两个阶段。 由于油的润滑特性比纯水要好得多，因此在新型材料及其加工手段尚未完全 成熟之前，纯水仅作为能量传递和控制的载体，其轴承部位用油( 用密封件 把油与水隔丌) 来润滑。此时，泵一般为阀配流轴向柱塞式，柱寨与斜盘之 间为点接触或线接触，其优点是泵的结构非常简单，性能稳定，可靠陛好， 成本低；缺点是体积大，重量大，仅适用于输出压力较小的场合，一般小于 1 0 m p a 。这是因为在高压状态下，密封件磨损较快、密封效果下降，往往容易 引起油和水的串通，而且柱塞的头部磨损也较快。 随着材料科学和加工技术的进步，陶瓷和高分r 材料f l q 性能得以大大提 高，加工和处理也较容易，元件的成本下降。于是，纯水液压泵便j _ l j 纯水来 润滑其所有的轴承部位，且多为端面配流轴向柱塞式，桩塞与斜盥之州为静 压润滑或混合润滑的丽接触。这样，泵的结构紧：奏、体积小、重是轻、输 压力商，性能和可靠性也较好一 西南交通大学硕士研究生学论文第4 顷 1 2 2 水压泵的研究状况 根据介质性质的不同，水压泵可分为淡水液压泵和海水液压泵两种型式。 目前，淡水液压泵主要以丹麦d a n f o s s 公司的n e s s i e 固轴向柱塞泵为主，已应 用在娱乐场所及肉类加工等领域。现有n e s s i e 轴向柱塞泵具有多个系列的型 号，但它的最高工作压力只有1 6 m p a ，并且最大流量也有限，因此有待进一 步丌发高压及大流量的淡水液压泵。海水液压泵己发展到1 4 3 2 m p a 的中、 高压力水平，并投入了实际应用。相对而言，我国海水液压传动技术的研究 开发则较晚( 淡水技术是空白) ，只有华中理工大学在8 0 年代由于海军舰艇 的需要对海水液压泵有一定的研究，如今仍处于中压水平。下面介绍几种典 型的水压泵m 1 。 1 2 2 1 n e s s i e 淡水泵 d a n f o s s 生产的n e s s i e 圆斜盘式轴向柱塞高压泵以自来水作为传动介质， 其结构如图卜l 所示。 1 一静压轴承2 一前端蔫 2 一斜盘4 一强化塑料 5 一轴承6 一滑靴 7 一缸体8 一柱塞 9 一配流；f ；c 1 0 _ 一后端盖 1 1 一i r 推盘1 2 一弹簧 1 3 一、r 球形轴瓦1 4 一外壳 1 5 一 环1 6 一轴向密封装置 1 7 一输入轴 幽1 1n e s s i es 轴向枉塞泵的剖面图 n e s s i e 轴向柱塞泵具有如下特点： 1 泵的输入轴和缸体做成一体，所用材料为不锈钢，缸体安装在固定于 外壳上的轴承内。为了补偿缸体的倾斜和由于外力作用而引起的变形，使用 一个随缸体旋转的浮动止推盘在弹簧力作用下紧贴在固定的配流盘上； 2 配流盘具有特制的腰形丌口： 3 滑靴和斜盘问用流体静压支承进行润滑； 4 所有的摩擦副表面均由工程塑料或不锈钢制成； j 外壳和端盖由特种铬镍铸造黄铜制成以防止腐蚀。 n e s s i e 自轴向柱塞泵运动部件问的润滑问题用水来解决，通过选择适当的 材料，保持运动部件问的小间隙以使泄漏尽量减小。而目，即使在高负荷条 件下，选择的材料亦利于在运动部什m j 产生动态和静态的流体膜，减小摩擦 及相应的磨损，从而使机械损失减至最小。 西南交通大学硕士研究生学论文第5 页 1 2 2 2f e n n e r 海水泵 英国阜家海军1 9 7 8 年与国家工程实验室( n e l ) 合作研究海水水下液压 作业工具，1 9 8 5 年s h e l l 与e s s o 两大石油公司投资加入继续研究。1 9 8 7 年 f e n n e l 一公司获得技术产权，并成立s c o t t e c h 子公司面向市场开发产品，英 国h u l l 大学等成为其技术伙伴。1 9 8 8 年，f e n n e r 公司研制出压力分别为 1 4 m p a 和1 0 m p a 的海水液压泵和马达，其结构如图卜2 所示。 1 一轴2 、8 、9 一滑动轴承 3 一轴承座4 一斜盘 5 一滑靴6 一保持环 7 一同样盘1 0 一j r 推轴承 1 卜柱塞1 2 一缸套 1 3 一缸体1 4 - 配流盘 幽卜2f e n n e r 海水泵马达结构简幽 f e n n e r 海水液压泵马达采用轴向柱塞式结构，端面配流，定隙吲程，所 有相对运动的摩擦副均由海水润滑。缸体主要由轴承座3 支承，主轴只驱动 缸体旋转，所以不受弯曲应力的作用，大大改善了滑动轴承的工作条件。泵 体、端盖等外壳采用铝合金阳极氧化处理；定隙回程盘、滑靴底面、球窝、 柱塞套、缸体端面、滑动轴承等采用增强聚酰亚胺塑料；斜盘、滑靴、柱塞、 缸体、配流盘、轴等采用a s1 3 1 6 不锈钢。1 9 9 6 年，h u l l 大学采用陶瓷做 缸体、配流盘和柱塞，在1 2 0um 粗过滤海水润滑条件下试验，表现出优异的 性能。陔类泵马达已用于海洋水下作业工具系统和海底石油天然气井口启闭 自给控制系统。 1 22 3 h y a t a o y 海水泵 1 9 9 4 年，芬兰h y a l ad v 公司和t a m p e r 理： 大学等参与欧洲尤琨l ( e u r e k a ) 4 1 划，合作研究丌发海水液压传动系统，j 刊于驱动海洋水下作、i p 具。h y a t ao y 研制的海水液压泵结构如图卜3 所示。 h y a t ao y 海水泵是端面配流轴向柱塞式结构，全部用海水润滑。缸体与 主轴做成一体，并采用浮动配流盘，因而可以有效改善配流盘的偏磨问题。 山于使用了止推轴承，主轴可以承受轴向力的作用。陔类泵有7 个柱塞，变 馨方便而目结构简单、噪声低、门三力脉动小，7 i ：, q 以作为马达使用。其荚 键列 禺摩擦副均采用纤维增强塑料与馁化的会槿或陶瓷组合，容积效率超过 9 2 。已用缚洋水下作、眦】：县的便携式动力源。 西南交通大学硕士研究生学论文第6 页 卜轴2 、1 2 一滑动轴承 3 一i r 推轴承4 一斜盘 5 一滑靴6 一同样盘 7 一球铰8 一柱塞 9 一缸体l o 一配流盘 i 卜套管 豳卜3h y a t ao y 海水泵结构简幽 1 22 4k o m a t s u 海水泵 日本小松( k o m a t s u ) 制作所为开发用于驱动海洋水下作业机械手的海 水液压系统，于1 9 9 1 年研制出端面配流轴向柱塞式海水液压泵，其结构如图 卜4 所示。 1 一轴2 、1 0 - 滑动轴承 3 一斜盘4 一滑靴 5 一同稗盘6 一枉塞 ? 一弹簧8 4 1 = ! 塞 9 一配流箍 幽卜4k o m a t s u 海水泵结 = j 简图 该泵采用球面配流盘，f i i j , 后滑动轴承均丌有螺旋槽，以实现动压润滑， 配流盘和滑靴均采用静压支承，而且主轴可以承受轴向力的作用。配流盘、 缸套、滑靴和滑动轴承使用炭纤维增强高分子塑料( c f r p ) ，缸体端面、轴 径、柱塞、斜盘均采用陶瓷材料。小松海水液压泵结构紧凑，单位重量功率 ( 比功率) 大，效率高，反映出了目前国际海水液压泵的研究水平。 12 2 5 k a y a b a 海水泵 f = 1 本萱扬( k a ) a b a ) 工业( 株) 1 9 8 9 年与法国b 1 o n z a v i aa i l 一e q u i p ，”“， 公司合作，研究丌发用于驱动海洋极限深度下作业的机器人海水液压传动系 统。其研制出的海水液压泵采用阀配流轴向柱塞式结构，有3 个柱塞，全海 水润滑，其结构所图l j 所示。 该泵的缸体不动，主轴与斜盘做成一体，并采刖2 个径向陶瓷球轴承和1 个轴向动压润滑陶瓷止推轴承支承主轴和斜盘睫转：剁盘、柱塞、轴承均采 用陶瓷，滑靴和缸套采用炭纤维拉强塑料fc f r p ) 。 西南交通大学硕士研究生学论文第7 页 卜缸体2 一弹簧 3 一梓塞4 一缸套 5 一水腔6 一亓1 程盘 7 、8 一滑靴 9 、1 2 一滚珠轴承 1 0 一i l 推轴承 l 卜轴 幽卜5k a y a b a 海水泵结构简图 1 2 2 6h a u h i n c o 海水泵 德国h a u h i n c o 公司在其原来乳化液用5 柱塞径向柱塞定量泵的基础上， 改变一些关键部件的配合间隙和使用材料后研制出了新的海水泵，如图1 6 所示。 i 一轴 2 、1 2 一滑动轴承 3 一偏心凸轮 4 一滑靴 5 一辑塞 6 一缸套 7 一缸体 8 一吸入闷 9 一乐山阀 1 0 一吸水通道 1 卜弹簧 幽卜6h a u h i n c o 海水泵结构简幽 j 个径向柱塞在周向等距分柿，采用平板阀配流，通过偏心轴的旋转使 柱塞往复运动来实现吸、 l ! u j i _ f l = 。每个托塞有一弹簧保持柱塞球头和滑靴 紧贴偏心轴，原动机直接驱动泵：j 二作而不需中阳j 齿轮减速机构。该类泵的滑 动轴承、配流阀体、柱塞头部渭靴及柱塞套均采用炭纤维增慢r 程塑料 ( c f r p ) ，对偶材料均为耐蚀合金，所有运动部件全部用海水润滑。滑靴底 部的p v 值较小，缸孔受t l ! 摩作川的侧向力也较剩盘式轴向柱塞泵的小。该 类泵的流量及爪力脉动较小，抗污染能力强，t 作寿命长，效率两，肝可以 西南交通大学硕士研究生学论文第8 页 通过增加柱塞个数而获得较大的排量。h a u h i n c o 海水液压泵有5 个流量系列 ( 2 0 7 0 0 l m i n ) ，工作压力可达3 2 m p a ，己用于海洋丌发机械设备的海底管 道敷设及维护系统等。 总之，水压泵的研制仍处于不成熟的阶段，还有更多、更重要的工作要 做。如果水压泵的问题不能很好解决，则整个水压技术的发展将受到严重的 制约。因此，研制高性能、高压力及大流量的水压泵是一项极其迫切的任务。 目前，我国的液压技术较国外还落后很多，需要充分借鉴国外已有的研究成 果，结合我国相关学科的发展实际，有效地解决水压泵所面临的关键性基础 技术问题，研制出理想的水压泵，发展水压技术，为经济建设服务。 1 2 3 水压泵要解决的问题 水的低粘度使得水压泵的密封问题变得非常困难，它将直接影响到泵的 容积效率。润滑性差和对金属具有较强的腐蚀性是水的又一个特点，这就对 水压泵的材料提出了更高的要求，它将直接决定泵的工作性能和使用寿命。 因此，水的理化特性决定了在水压泵的研制过程中存在如下一些问题。 1 2 3 1 材料的选择 水压泵必须首先解决腐蚀问题，即它不能生锈。并且，纯水的润滑性很 差，摩擦副对偶面上难以形成液体润滑膜，也不能形成良好强度的边界膜， 很容易产生干摩擦。此外，纯水的腐蚀作用也会引起绝大多数会属材料的电 化学腐蚀和某些高分子材料的化学老化，破坏水压泵的材质。纯水的汽化压 力高，容易诱发纯水汽化，导致气蚀，剥蚀零件表面材料，破坏过流的固体 表面和密封件。气蚀还会使泵的流量发生变化，产生压力脉动、振动和噪声， 带来许多不良的影响。 因此在水压泵中，要求对偶副的材料必须具有较高的耐磨性或自润滑性 以及较好的抗气蚀能力。否则，当对偶副处于混合润滑和固体润滑状态时， 磨损现象将十分严重，致使泵的工作性能降低，工作寿命缩短。参照目前的 研究状况，泵的非对偶副一般选用进行化学处理过的铝合会或不锈钢，而对 偶副的材料一般采用不锈钢、工程塑料和陶瓷等。当然，也有全部用陶瓷材 料的。 1 2 3 2 工艺 陶瓷是用于水压元件较为理想的材料，但它的加工却十分困难。因此， 目i u 较为普遍的做法是在对偶副的配合表面上进行陶瓷涂层的处理。然而， 陶瓷涂层的理化性能存在着不足，还有待进步认识与探讨。 水的低粘度性导致的微小间隙对加工精度提出了更高的要求，这无疑增 大了水压泵的工艺难度。因此，加】_ = 制造技术是保证水压泵从理论化走向产 品化的根本。 1 2 3 3 密封 在温度相同的情况下，纯水的粘发大约h 有矿物型液压油的1 4 0 一l 5 0 ， 故在同等压力下，通过相同密封缝城的泄漏量将足油的2 0 倍左右，这将人 西南交通大学硕士研究生学论文第9 页 大降低泵的容积效率。因此，密封是提高水压泵容积效率的关键，但它与机 械效率是对立的。于是，合理的结构设计、润滑方式和高性能、高寿命的密 封件是至关重要的。本文所讨论的润滑问题实质上属于间隙密封的范畴，它 应尽量平衡容积效率和机械效率问的对立关系。 1 2 3 4 高压化 ： 高压水压泵的丌发对材料和密封提出了更高的要求。当然，新的更加合 理的结构亦十分重要。对于水压泵高压化的研制具有很大的难度，但同时也 应看到，水压泵的高压化是水压技术发展的方向，也是突破口。如果解决了 水压泵的高压化问题，则整个水压技术将呈现出崭新的面貌，进一步巩固并 拓宽其应用范围，这对整个工业发展及环境保护都具有积极的推动作用。 1 3 水压双缸同步控i t i 怕勺现状和发展前景 1 3 1 水压缸简介 水压缸把水的压力能转化为机械能，推动外负载作直线运动，是水压传 动中的一种重要执行元件。水压缸应用广泛，这是因为它具有以下优良特性： ( 1 ) 能输出较大的力。 ( 2 ) 活塞运动速度在较大范围内的易控性。 ( 3 ) 具有高的功率重量比和功率体积比。 ( 4 ) 具有良好的刚性和快速响应性。 与油压系统一样，用于水压系统中的缸也有多种形式。例如：在重型锻 压设备和用于硫化工艺的压力设备中，水压缸经常与压力设备的机架制成一 体，水压缸也可用于采矿业。在应用水压系统的一般机械自动化工作中( 如 屠宰厂与自动梯) 水压缸基本上为标准件，如下图1 7 所示。 蚓卜7 带末端缓冲器的舣作川式水压缸的典刑设计 1 一活疟杆【表肺碰化镀铬) ；2 一浮动缓冲锥套：3 一活鸡和活采环；4 一浮动缓冲轴岔：j 一缓冲训 节针阀；6 - - 缓冲柱术：i 一南强制连接杆：8 一，弘向阀；9 一杆密封件；1 0 n ，动忤崭剖剐施外 理论i t _ ，用于油压系统的油缸的设计方法拍i 可用于水压系统，为 j - e 系 统设计的缸体= = f i 作任何改动就可j ：t j 于油压系统，但是实际上为汕压系统设计 的缸体几乎不能用于水压系统中，因为两利t 系统n 缸体设计主要差异在于水 压系统具有如下特殊要求： ( 1 ) 以水压作为1 i 力介质将0 皆术严霞的零 f t - j 离蚀问题，因而必颈选择耐 腐蚀的材料。 西南交通大学硕士研究生学论文第10 页 ( 2 ) 与液压油的高粘度相比，水的低粘度要求水压缸的间隙更小泄漏通 道更长，以使泄漏减至最小。 ( 3 ) 当用水代替油时，润滑性能的下降要求滑动部件( 如缸体的内壁) 具有更光滑的表面，对活塞的密封材料要重新选择，以确保缸有较 长的工作寿命。 ( 4 ) 与液压油相比，水的低阻尼特性要求对端面缓冲装置的间隙、配合 公差及节流阀进行精细的设计。 1 3 2 水压双缸同步控制研究现状 油压液压系统中的多缸，特别是双缸同步在工程中应用广泛，但就技术 上来看，仍存在许多问题有待解决，特别是高同步精度的控制。而水压双缸 的同步控sr j 去n 是一个全新的课题，在该领域，目前国内属于空白，国外也处 于起步阶段，因此对水压双缸同步控制的研究是非常重要，也是非常有意义 的一个方向，是发展水压驱动技术的一次有益探索。 1 4 本课题研究内容、目标和方法 二十一世纪，科学技术的发展必须以保护环境、节省自然资源为主旨。 油压技术在上一个世纪已经非常成熟，再向上发展的空间很小了，而出于石 油资源的同益匮乏、泄漏及老化的矿物油对环境的污染、运行成本高、高火 灾等缺点，人们试图找到一种能够代替油的全新的传动介质：水，与油有着 近似传动特点，由于水与环境的高亲和性、低廉的运行成本等优点，已经受 到越来越多人的青睐。水压驱动技术已经引起了全世界大多数国家的高度重 视。在欧美发达国家，已经有较成功的水压产品取代了油压产品用于食品、 伐木等行业，而我国的水压技术仍处于起步阶段，与发达国家有很大的差距。 因此，我的研究方向是一个全新的，也很有挑战性的方向。 水压泵和水压缸是水压传动的两个核心元件，它们的性能对于水压驱动 技术水平起着决定性作用。我的硕士论文准备做以下几部分的工作：现有的 水压泵的性能测试、双缸同步控制系统的实验及理论分析。主要集中在双缸 同步系统的实验及理论分析上：自己设计、改造水压缸，完善水压实验台， 先运用m a t l a b 对双缸同步系统进行仿真，然后在v b 集成丌发环境中设计、 丌发了实验应用软件，利用比例阀控制两个水压缸，实现水压双缸的同步控 制。 由于水压技术在国内起步较晚，更是需要国内业界投入大量的人力物力， 争取赶超发达国家的水平。而实验是发展理论中的重要一环，【圈j i - l 本论文的 工作首先完成水压综合实验台的改造，为水压技术的发展与产品的丁r 发提供 实验基础，并在此基础上对水压泵的，性能研究和水压双缸同步控制做了有益 的探索。可以相信，不远的将来，水i ! 技术将取得全新的发展。 西南交通大学研究生学位论文 第11 页 第2 章水压双缸同步系统的硬件设计 液压系统中，使两个或多个液压缸在运动中保持速度相同或相对位置不 变的回路称为同步回路。在工程应用中，经常会遇到几个液压缸分i i i i l 动多 个负载，或是几个液压缸同时驱动同一个负载运动的情况。多个液压缸的同 步问题，是一个非常困难，又必须解决的一个课题。 在多缸液压系统中，影响同步精度的因素是很多的，例如，液压缸外负 载、 i t 漏、摩擦阻力、制造精度、结构弹性变形以及油液中的含气量，都会 使运动不同步。同步回路要尽量克服或减少这些因素的影响。对于带有多个 执行器，同时驱动同一负载运动的液压系统，由于每个缸的制造质量、摩擦 力、泄漏、负载及结构上的差异，如果不采用适当的同步措施，各个缸的行 程会不同步，导致机构运动的不平稳或不能正常工作。同步控制回路就是为 了克服上述影响，通过改变进入其中一些或全部液压缸的流量来达到同步的 目的，通常以其中一个液压缸的位置作为参考，改变进入其他液压缸的流量 来达到位置跟随而同步。可见同步回路从本质上来讲是一个位置控制回路。 2 1 水压双缸同步控制实验系统的原理设计 2 1 1 同步控制策略简介 在许多液压主机中，如汽车横梁压机，大型发电机线圈压机等，需要两 缸、三缸、四缸、甚至更多液压缸的同步回路。不仅要求每个液压缸在运动 中速度同步，位置也有很高的同步要求，且系统要求的流量又各不相同，有 的小，而有的又非常大，对于这样的系统，常常采用的同步控制元件有三种： ( 1 ) 分流集流阀，采用分流集流阀，结构简单，使用方便，偏载下仍能保 证速度同步，应用分流集流阀的同步系统的优势在于成本低。但由于分流集 流阀本身同步精度较低，压力损失大，效率低，也不宜用于低压系统。 ( 2 ) 液压伺服阀，采用伺服阀构成闭环同步控制系统时，每台阀控制1 只 液压缸，这样可以达到很高的同步精度，但当系统流量较大时，所用伺服阀 的规格会很大，相应的价格也非常昂贵，这是人们所不愿接受的，而目，由 于伺服阀压力损失大，还会产生发热的问题。 ( 3 ) 比例流量阀，采用比例流量阀作为控制元件，其控制精度相比伺服阀 略低，但比分流集流阀的控制精度要高，而且近几年，随着技术的发展，比 例流量阀的控制精度得到了大大的提高，已经接近，甚至达到了伺服阀的控 制精度，而其价格却比伺服阀低得多，除非同步精度要求特别高而选用伺服 阀，采用比例流量阀将越来越多，有取代伺服阀的趋势。 通过以上分析可知：应用分流集流阀n 勺同步系统的优势在于成本低，而 伺服控制的优点在于精度高，比例书流阀则综合了分流阀和伺服阀的各门优 势，即价格较低，控制精度较高，魁r l - i # 比较高的一；i i i , j i l ：，i l f , j l f , l i 足水j i 4 西南交通大学研究生学位论文第12 页 双缸同步控制的要求，因此选择了水压比例节流阀作为控制元件。对比例控 制回路而言，位置误差的检测都是利用位移传感器来进行的，因此位置同步 精度较高，容易实现双向同步。 常常采用的同步控制策略有三种：“并联结构”、“串联结构”和“并、串 复合联接”。“并联结构”是指两个需同步控制的执行元件跟踪设定的理想输 出而都分别受到控制并达到同步驱动，如图2 1 ( a ) 所示。“串联结构”是指两 个需同步控制台的执行元件以其中一个的输出为理想输出，而另一个执行元 件受到控制来跟踪这一选定的理想输出并达到同步驱动如图2 1 ( b ) 所示。通 常，位置同步系统的首要控制要求是稳态同步误差。另一方面，假设稳态同 步误差已能满足工程上的要求，但由于同步系统结构形式的不同，以及组成 同步系统的各自控制系统告发的差异等，系统仍将会产生较大的动态同步误 差，而当这种动态同步误差超过一定值时在工程上也是不允许的。因此要获 得良好的位置同步控制系统，在保证稳态同步误差的基础上，还必须兼顾动 态同步误差【5 0 】。 ( a ) 并联结构 西南交通大学研究生学位论文第1 3 页 ( c ) 井、串复台结构 图2 - 1 同步控制策略 实际上，组成同步系统的子系统中各元件的性能i 旬很难具有严格的匹配 关系，所以，“并联结构”难以得到良好的控制性能。对于“串联结构”，因 为从动系统的输出变量跟踪主动系统的输出具有延时性，所以系统在响应过 程中会出现较大的动态同步误差。针对这两种结构的缺陷，采取“并、串复 合联接”的控制策略，见图2 - 1 ( c ) 。图中控制环节g c l ( s ) 和g c 2 ( s ) 分别控制 两只水压缸的位移y 1 和v 2 跟随设定值，同时环节g c 3 ( s ) 调节两个位移间的 同步误差。既控制了两个水压缸的稳念同步误差，又消除了两缸的动态同步 误差。 2 1 2 水压双缸同步控制系统原理设计 本实验系统利用微机、数据采集卡、放大器及位移传感器组成一个闭环控 制系统，采用电液水压比例节流阀作为调控的核心元件，以两个水压缸作为 执行元件，最终实现双缸同步控制。其原理图如图2 2 所示。 机d 转换器| +匝困 】： _b a 转换器卜+ 匿互：i i 一怵乐比例1 ，流阀，卜匹亟；i i j - r 。l4 - i d a 转换器卜+ 匦互j i 丑一怵压比例1 y 流阀：卜匹玉i i i 丑 j - - i a d 转换器l +恒圜 幽2 - 2 水乐舣缸同步控制系统的控制原理 整个系统以计算机为中心，水压缸作为执行元件，水压比例节流阀作为 控制元件，放大器和位移传感器作为辅助元件，而数撕采集# 则是连接计算 机和其它元件的核心元件。 在控制过程t i ；_ l ，首先由计算机给撕个信号经数据l ；作d + 转换，得到 两个低压的电压信号，然后经放大器放人到功率级的i t ! i j l 信, j - ，i 巳流则将分 别控制各自的水j k 比例悼流阀以f 坶i 1 1 9 丌ff 度驱动水压缸运动，而位移传感 西南交通火学研究生学位论文第14 擞 器与水疆藏爨活塞桴擞月步运动，位移簧感爨将承压赶熬涵寨疑翡短爱以憩 压信号反馈到数据卡，经a d 转换成数字信号祷到计算枫，在计算枫中缀过 比较和以保证两缸同步的算法计算，又输出两个数字信号，从而形成一个完 整的反馈环，实现水服双缸的同步控制。 2 2 压力传感鼹的选择 传感器是系统对环境和被测对象的感知部件，它的分辨和精度对整个系 统的工作影响很大，它是将被测非电量信号转换为与之有确定对应关系的电 量。本水压实验台系统最大工作压力为2 1 m p a ，最大流量为1 6 0 l m i n 。对于 东压双懿嚣步实验系绕部分，涉及戮了位移砖感糕亵压力转隳器。 测蘩压力的传感器按工作原理区分，主要搿电容式传感器、应变式泡黼 传感器、电感式传感器等。电容式压力传感器照利用流体或气体压力作用于 弹性膜片( 动极片) ，使弹性膜片产生位移，位移导致电容量的变化，从而引 起出该魄容缓成的掇荡器豹振荡频率变化，频率信号经计数捺、编玛、传输 到曼示部分，邵可批示匿力交往。琏i l 容式压力传感器具有一系列优点：鲡结 构简单、体积小、分辨率高及可非接触测量。 电感式传感器是利用电磁感应把被测量如位移、压力、流量等转换成线 圈的自感系数l 和互感系数m 的变化，再由测爨电路转换为 黾压或电流的变 证量羲纛，实现 电麓至l 电量戆转换。电感式转感器羹秘麓攀、灵敏度和分 辩率高，能测出0 o l “m 的位移变化；线性度和重复性都眈较好；能实现信 息的远躐离传输、记泶、显示和控制，但它的频率响应低，不宜快速动念测 控。 应变式电强转感器是誉i 嗣应变效应制造的一莘孛测量微小交 乞量豹理想传 感嚣，灵敏度高，蔡稠应的价位低予电容式传慧器和电感式传感器，是嚣前 用于测墩力、压力、力矩和加速度等参数最广泛的传感器之。 由于本系统需要测量的是水的压力，其最大压力为2 1 m p a ，要求的精度 为0 2 ，考虑到性价比，选用l y b l 5 0 型应变式艇力传感器。 出予l y b l 5 舀羹压力传感器楚整体式旋，在安装拧紧螺纹时，可能会雩 起应变片的微小变形，该变形值在标定时已进行处理。但是，由于拧紧稳腹 不同，造成应变片变形程度就不同，所以不要随意拆装压力传感器。若熏渐 拆装，就必须重新标定。 2 s 位移传感嚣的选择 2 3 1位移传感器的选择 测爨位移蹰用传憋爨按工作联煺可分为电融式、变 嚣嚣式、电感式、电 容式、瀵震式、磁耱移光疆等多种类弱。秘舔物体位移交化g | 超电隧交纯簇 理制成的电阻式位移传感器具有结构简啦、制作容易、【：作可靠、不需放大 即可随接用电表指示或模拟；己录等到优点，仃i 洲懿精度及一作频琦罨低，对振 西南交通大学研究生学位论文第，15 页 动敏感，可靠性和寿命较低。应变片式位移传感器尺寸小，重量轻，成本低， 灵敏度、精确度和分辨率高，测量范围大，但热稳定性差，非线性大，非粘 贴式结构不够牢固，阻值及灵敏系数分散度大。电感式位移传感器灵敏度和 精确度较高，非线性失真小，分辨率高，量程较宽，无活动接触点，可实现 非接触测量，结构可靠，寿命较长：但存在交流零位信号，不适于高频动态 测量。经过反复比较，选用电感式的差动变压器式位移传感器n s w d c 3 0 0 l 型。 2 3 2r d p 位移传感器的主要技术指标及安装注意事项 r d p 型直流位移传感器将传感器、振荡器、解调器、滤波器集为一体， 只要外供直流电压就可工作，它除了具有一般交流位移传感器的特性外，在 远距离传送、多点测试等方面更具有优越性。在安装时应将传感器固定并与 水压缸保持平行。r d p d c t 3 0 0 0 的技术参数为： - 量程：一7 5 + 7 5 m m 输出：一5 5 v 线性度误差：0 0 8 电源电压：1 5 v 负载阻抗：1 0 k q 精度：6 8 6 8 m v m m