（机械电子工程专业论文）液压电梯变转速闭式电液系统速度控制特性研究.pdf

摘要 摘要 液压系统的节能研究是流体传动领域的重要课题之一，变转速容积调速的液压系统由于其功率 自适应的特点而具有较好的节能效果，其中，闭式油路的变转速容积调速液压系统具有结构简单和 节能效果显著的优点，适合应用在势能可回收且速度持续变化的大惯量液压提升机械中，如液压电 梯、液压抽油机等。然而，在节能化的同时仍然要保证系统的运行性能及控制特性，在闭式油路的 变转速容积调速液压系统的应用研究中，发现其存在着开环控制精度不高和启动始终有滞后的问题， 而这也是大惯量的变转速容积调速液压系统的共性问题和难点，因此，需要从以下两个方面开展研 究：第一，分析开环控制策略和传统的闭环控制策略在该类惯量变转速容积调速液压系统的速度控 制中存在的局限性，提出有效的速度控制策略；第二，分析影响该类系统的启动性能的因素，提出 智能控制策略以实现良好的启动。除上述两方面外，基于液压提升机械节能技术发展的要求，探索 变转速容积调速以外的新型节能方法。 论文以闭式油路变转速液压电梯为研究对象，研究该类系统除节能特性以外的运行性能及控制 特性。为提高系统的速度运行精度，对系统的稳定性进行分析，由于该系统是一个高阶零型系统且 具有低频的特性，其存在着闭环控制下稳态误差大和采用积分校正有较大滞后的问题；为此，提出 了基于比例微分控制的前馈一反馈控制策略来克服上述问题。针对变转速容积调速液压系统的启动 控制问题，重点分析了系统运动部件中的非线性摩擦力对启动性能的影响，通过试验建立了系统非 线性摩擦力的模型，并提出了基于专家控制器和模型预测控制策略的启动控制方法，变工况下启动 性能的试验结果表明，基于智能预测的启动控制方法能使系统在不同负载工况下获得非常好的启动 性能。论文还针对闭式油路变转速液压电梯的轿厢振动特性进行分析，建立了系统垂直方向上8 自 由度的动力学模型，在此基础上对电梯系统进行试验模态分析，结果表明所建立的动态模型是准确 的。另外，试验模态分析结果还表明，轿厢的主频率在1 0 0 1 5 0h z 的范围内，系统在运行过程中 应避免该频率段的激励而导致的共振。基于液压提升机械节能技术发展的要求，论文中还从理论上 探讨了一种变配重节能方法，提出变液压配重和机械配重变速度的两种方案，详细分析了变液压配 重的方案在液压电梯系统中的应用，将其与已有变转速液压电梯系统进行了对比分析，结果表明变 配重系统具有更优的节能效果。通过以上研究，大惯量闭式油路的变转速容积调速液压系统的速度 闭环控制不好和启动不佳的本质原因得以阐述，且论文中提及的一些研究方法和结论适用于其它变 转速容积调速的液压系统。 论文主要结构如下： 第一章，介绍了变转速容积调速的液压系统，并由此引出其典型应用变转速液压电梯；综 述了变转速液压电梯的研究和发展历程，分析了目前变转速液压电梯中依然存在的问题，指出目前 变转速容积调速液压系统的发展需要和变转速液压电梯依然存在的市场需求，在此基础上提出课题 的研究内容。 第二章，分析了闭式油路变转速液压电梯系统的稳定性，提出适合该系统的速度控制策略。建 立了系统中关键环节的数学模型和传递函数，结合经典控制理论对系统的稳定性进行分析，结果表 明闭式油路变转速液压电梯系统是低频、低阻尼的高阶零型系统，其存在着闭环控制下有稳态误差 和采用积分校正带来较大滞后的问题；针对该问题，提出基于比例微分控制的前馈一反馈控制策略， 并通过仿真和试验验证了该方法的有效性。 浙江大学博士学位论文 第三章，研究了以变转速液压电梯为代表的大惯量变转速容积调速液压系统的启动控制方法。 指出了由于系统的大惯量和时滞特性，采用压力预平衡方法和速度比较启动法都存在着问题；重点 分析了非线性摩擦力对系统启动性能的影响，指出非线性摩擦力的影响程度并通过试验建立了系统 中摩擦力的模型，依据该模型针对性的提出了基于专家控制器和预测控制原理的智能预测启动方法； 在变工况下对系统的启动性能进行了试验研究，结果表明基于智能预测的启动方法能使系统获得良 好的启动性能。 第四章，从闭式油路变转速液压电梯轿厢的振动特性入手，分析电梯系统的动态特性和系统中 存在的激振源对轿厢振动的影响。通过对电梯轿厢的原始振动加速度信号和液压系统的负载压力信 号进行频谱分析来寻找系统中的激振源；建立液压电梯垂直方向上的8 自由度集中质量动力学模型 并进行计算模态分析，依据该模型对系统进行了计算模态分析，并通过试验模态分析验证了所建立 的动态模型的准确性；另外，分析结果还表明，电梯轿厢主频率在1 0 0 1 5 0h z 的范围内，系统在 运行过程中应避免该频率段的激励。 第五章，基于液压提升机械节能技术发展的要求，阐述了变配重的节能方法。提出了变液压配 重和机械配重变速度的两种方案，重点对变液压配重的方案在液压电梯系统中的应用进行了论述， 讨论了其中主要元件的设计计算与选型；采用a m e s i m 仿真软件对采用变液压配重的液压电梯系统 的能耗特性进行了仿真，将其和已有的三种变转速液压电梯系统进行了对比分析；讨论了变配重的 节能技术目前在系统效率、配重预存储能量、动态特性三个方面存在的问题，给出了相应的对策。 第六章，对本论文所作的研究工作进行总结，给出主要的研究结论，指出课题的创新点，并对 未来的研究工作进行展望。 关键词：变转速容积调速液压系统，液压电梯，积分校正，前馈一反馈控制，启动，专家控制器， 振动，模态分析，变配重，节能 i i a b s t r a c t e n e r g y - s a v i n gi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c ha r e a so fh y d r a u l i cs y s t e m s t h e v a r i a b l e - s p e e dc o n t r o li sa p p l i e di n t h eh y d r o s t a t i cs y s t e mf o ri t sh i g he f f i c i e n c y t h e v a r i a b l e s p e e dc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e df o rl a r g ei n e r t i ah y d r a u l i cl i f te q u i p m e n t ，s u c ha s h y d r a u l i ce l e v a t o r s ，h y d r a u l i cp u m p i n gu n i t s i na d d i t i o nt ot h ed i s c u s s i o no fe n e r g y - s a v i n g ， t h es y s t e mp e r f o r m a n c es h o u l db ei n v e s t i g a t e da l s o i nt h ev e l o c i t yp e r f o r m a n c er e s e a r c ho f t h es y s t e m ，t h e r ew e r et w op r o b l e m se x i s t e d ：t h e o p e n 1 0 0 pc o n t r o lm e t h o dh a dt h e l i m i t a t i o n si na c h i e v i n gh i g hp r e c i s i o nc o n t r 0 1o fv e l o c i t ya n dt h eh y s t e r e s i so c c u r r e di nt h e s t a r t u po ft h es y s t e m t h e r e f o r e ，t h i sr e s e a r c hf o c u s e do nd e v e l o p i n gt h ea p p r o p r i a t e v e l o c i t yc o n t r o la l g o r i t h ma n ds p e e ds t a r t u pm e t h o df o rt h es y s t e m b e s i d e st h e s et w o a s p e c t s ，t h en e we n e r g y - s a v i n gi d e an e e db ed i s c u s s e db e c a u s eo ft h er e q u i r e m e n to f d e v e l o p i n gh i g h e re f f i c i e n c ya p p r o a c hf o rh y d r a u l i cl i f te q u i p m e n t i nt h i st h e s i s ，t h eb e h a v i o ro ft h ev a r i a b l e s p e e dc o n t r o l l e dh y d r o s t a t i cs y s t e mw a s i n v e s t i g a t e do nah y d r a u l i ce l e v a t o rt e s tr i g t oa c h i e v eh i g hp r e c i s i o nc o n t r o lo ft h e v e l o c i t y , t h es t a b i l i t yo ft h es y s t e mw a sa n a l y z e d b e c a u s et h eh y d r a u l i ce l e v a t o ri sat y p e0 s y s t e mw i t ht h ef e a t u r eo fl o wf r e q u e n c y , t h es t e a d y s t a t ee r r o ro fv e l o c i t ys t i l le x i s t e db y u n i t y - f e e d b a c kc o n t r o lw i t h o u tc o m p e n s a t i o n ，a n dt h ev e l o c i t yl a go c c u r r e dw i t ht h ei n t e g r a l c o m p e n s a t i o n a c o m p o u n da l g o r i t h mo fp d & f e e d f o r w a r d f e e d b a c kc o n t r o lw a sp r o p o s e d t od e a lw i t ht h es t e a d y s t a t ee r r o r i no r d e rt oo v e r c o m et h eh y s t e r e s i si nt h es p e e ds t a r t u p c o n t r 0 1o fh y d r a u l i ce l e v a t o r , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t a r t u pp e r f o r m a n c ea n dt h e n o n l i n e a rf r i c t i o ni nt h es y s t e mw a si n v e s t i g a t e d t h es p e e ds t a r t u pm e t h o d ，b a s e do n e x p e r tc o n t r o la n dm o d e lp r e d i c t i v es t r a t e g yw a sd e v e l o p e d ，a n dw a sv a l i d a t e db yt h e e x p e r i m e n t su n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s i na d d i t i o n ，t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i e so f t h eh y d r a u l i ce l e v a t o rw e r ea n a l y z e d t h ed y n a m i cm o d e lw i t h8d e g r e e o f - f r e e d o mw a s e s t a b l i s h e df o rd e s c r i b i n gt h ev e r t i c a ld y n a m i c so ft h eh y d r a u l i ce l e v a t o rs y s t e m t h e r e s u l t so ft h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lm o d a la n a l y s i so nt h es y s t e ms h o w e dt h ev a l i d i t yo f t h ed y n a m i cm o d e l a n dt h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ef r e q u e n c yc o v e r a g eo ft h em a i n r e s p o n s eo ft h es y s t e mw e r ew i t h i n1 0 0 - 1 5 0h z t h e r e f o r e ，t oa v o i dt h er e s o n a n c e v i b r a t i o n so ft h ec a b i ni nh y d r a u l i ce l e v a t o r , t h ev i b r a t i o ns o u r c ew i t hf r e q u e n c i e sr a n g eo f 1 0 0 - 15 0h zs h o u l db ei s o l a t e d b a s e do nt h er e q u i r e m e n to fh i g h e re f ! f i c i e n c yi nh y d r a u l i c l i f ie q u i p m e n t 。a ni n n o v a t i v ei d e ao fv a r i a b l ec o u n t e r w e i g h tw a s d e v e l o p e d c o m p a r e dw i t h o t h e r v a r i a b l e s p e e d c o n t r o l l e d h y d r a u l i cs y s t e m s t h ee f n c i e n c yo ft h ev a r i a b l e c o u n t e r w e i g h ts y s t e mw a sh i g h e r i ng e n e r a l ，t h er e s u l t sf r o mt h i sr e s e a r c hc a nb ea p p l i e d t on o to n l yt h ev a r i a b l e - s p e e dc o n t r o l l e dh y d r a u l i ce l e v a t o r , b u ta l s oo t h e rv a r i a b l e s p e e d c o n t r o l l e dh y d r o s t a t i cs y s t e m s t h et h e s i si so u t l i n e da sf o l l o w s i nc h a p t e r1 ，t h ev a r i a b l e - s p e e dc o n t r o l l e dh y d r o s t a t i cs y s t e ma n di t st y p i c a la p p l i c a t i o n i nh y d r a u l i ce l e v a t o ra r ei n t r o d u c e d t h ed e v e l o p m e n to ft h eh y d r a u l i ce l e v a t o ri s e x p a t i a t e d a n di t se x i s t e d p r o b l e m sa r ea n a l y z e d t l l e n e c e s s i t yo fr e s e a r c h o n v a r i a b l e - s p e e dc o n t r o lh y d r o s t a t i cs y s t e ma n dt h em a r k e t sr e q u i r e m e n to fh y d r a u l i ce l e v a t o r * 学博+ 学位论文 a r ep o i n t e do u t c o n s e q u e n t l y , t h ec o n t e n t sa n dd i f f i c u l t i e so f t h er e s e a r c ha r ep r o p o s e d i nc h a p t e r2 ，t h ev e l o c i t yb e h a v i o ro f t h ev a r i a b l e s p e e dc o n t r o l l e dh y d r a u l i ce l e v a t o rb y f e e d b a c kc o n t r o li sa n a l y z e d t h em a t h e m a t i cm o d e i so ft h es y s t e ma n dt h et r a n s f e r f u n c t i o nf i r ee s t a b l i s h e d f r e q u e n c y d o m a i na n a l y s e ss h o wt h a ti t i sat y p e0s y s t e mw i t h t h ef e a t u r eo fl o wf r e q u e n c ya n dp o o rd a m p i n gm s t e a d y - s t a t ee r r o rs t i l le x i s t si nt h e s y s t e mb yt h eu n i t y f e e d b a c kc o n t r o lw i t h o u tc o m p e n s a t i o na n dt h ev e l o c i t yl a go c c u r si f t h ea p p r o a c ho fi n t e g r a lc o m p e n s a t i o ni sa d o p t e dt oe l i m i n a t et h es t e a d y s t a t ee l t o l1 h c c o m p o u n da l g o r i t h mo fp d f e e d f o r w a r d - f e e d b a c kc o n t r o li sp r o p o s e dw h i c hs a t i s f i e st h e r e q u i r e m e n to f t h es y s t e ma g a i n s ts t e a d y s t a t ee r r o ra n dn o n l i n e a r i t i e s i nc h a p t e r3 t h em e t h o do fs p e e ds t a r t u pc o n t r o lr o r t h es y s t e mi sd i s c u s s e d t h e s p e e ds t a r t u pb e h a v i o ro ft h es y s t e mb yp r e s s u r ep r e b a l a n c e dc o n t r o la n ds p e e df e e d b a c k c o n t r o li sp o o rb e c a u s eo f i t sf r i c t i o na n dl a r g ei n e r t i a ，t h ci n l l u e n c co f n o n l i n e a rf r i c t i o n o i l t h es p e e ds t a r t u p b e h a v i o ro f t h es y s t e m i sa n a l y z e d ，a n d t h e f r i c t i o n m o d e l i se s t a b l i s h e d t h r o u g l le x p e r i m e n t s t h es p e e ds t a r t u pm e t h o di sd e v e l o p e db a s e do nt h ee x p e gc o n t r o l a n dm o d e lp r e d i c t i v es t r a t e g y , a n de x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e du n d e rd i f f e r e n tw o r k i n g c o n d i t i o n s ，n a m e l yv a r l a b l el o a d sa n dv a r i a b l ef r i c t i o nt h er e s u l t ss h o wt h a tt h es p e e d s t a r t u pb e h a v i o ro f t h ei m p r o v e ds y s t e ml se x c e l l e n t i nc h a p t e r4 t h ec a b i nv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ev a r i a b l e s p e e dc o n t r o l l e d h y d r o s t a t i ch y d r a u l i ce l e v a t o ra r ed i s c u s s e d t h c8d e g r e e o f i f f e e d o md y n a m i cm o d e lo f v e r 【i c a ld i r e c t i o nf u rt h es y s t e ml se s t a b l i s h c da n dt h em o d a la n a l y s e sa r ec o n d u c t e dm e x p e r i m e n t so fm o d a la n a l y s e sf o rt h es y s t e ma r ea l s oc a r r i e do u t w h i c hs h o wt h a t 山e d y n a m i cm o d e li sc o r r e c ta n dt h ef r e q u e n c yc o v e r a g eo f t h em a i nr e s p o n s eo f t h es y s t e ma r e w l t h mj 0 0 1 5 0h za n ds o i rt h ef r e q u e n c i e so fo u t s i d ev i b r a t i o ns o l f f c el i f ew i t h i n 1 0 0 1 5 0h zi tm u s tb ea v o i d e d i nc h a p t e r5 ，a l li n n o v a t i v ee n e r g y s a v i n gi d e ao fv a r i a b l ec o u n t e r w e i g h ti sp r o p o s e d ， a n d t w od i f f e r e n tk i n d so fp r i n c i p l e so ft h ei d e aa r e i n t r o d u c e d n a m e l yv a r i a b l e h y d r a u l i c c o u n t e r w e i g h ta n dm e c h a n i c a l c o u n t e r w e i g h tw i t hv a r i a b l es p e e d t h eh y d r a u l i c e l e v a t o rs y s t e ma p p l y i n gt h ev a r i a b l eh y d r a u l i c c o u n t e r w e i g h ti sd i s c u s s e di nd e t a i l a n dt h e c h a r a c t e r i s t i co f e n e r g yc o n s u m p t i o no f t h es y s t e mi ss t u d i e db a s e do na m f s i ms i m u l a t i o n t h ef e a t u r e so f t h es y s t e ma r ed i s c u s s e d w h i c hm a i n l yi n v o l v ee f f i c i e n c y , s t o r a g ee n e r g yi n c o u n t e r w e i g h ta n dd y n a m i cr e s p o n s e ，a n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ev a r i a b l ec o u n t e r w e i g h t t e c h n o i n g yi sp r o s p e c t e d i nc h a p t e r6 ，a l lt h er e s e a r c hc o n t e n t sa r es u m m a r i z e d ，a n ds o m en e wv i e w sa r ep u t f o r w a r di nt h et h t u r e k e y w o r d s ：v a r i a b l e s p e e d c o n t r o l l e dh y d r a u l i c s y s t e m ，h y d r a u l i ce l e v a t o r , i n t e g r a l c o m p e n s a t i o n ，f e e d f o r w a r d - f e e d b a c kc o n t r o l ，s p e e ds t a r t u pc o n t r o l ，e x p e gc o n t r o l l e r , v i b r a t i o n ，m o d a la n a l y s i s ，v a r i a b l ec o u n t e r w e i g h t ，e n e r g y - s a v i n g 论文物理量符号说明 论文物理量符号说明 论文中的物理量符号按照g b3 1 0 0 3 1 0 2 一1 9 9 3 规定书写，各符号的具体含义如下： 液压缸有杆腔有效面积 电梯中用以悬挂轿厢的钢丝绳的截面积 电动机轴系上的阻转矩阻尼系数 粘滞摩擦系数 电梯中用以悬挂轿厢的钢丝绳的阻尼系数 液压泵马达的层流内泄漏系数 活塞杆直径 液压缸的缸筒内径；系统的散逸系数 速度误差，即电梯运行时理想速度与实际速度之差 理论情况下，系统在阶跃输入下的稳态误差 油缸中液压油的有效体积弹性模量 电梯中用以悬挂轿厢的钢丝绳的弹性模量 广义激振力 库仑摩擦如 综合摩擦力 钢丝绳上受力 液压缸活塞杆运行时受到的摩擦阻力 轿厢运行受到的摩擦力 最大静摩擦力 定子电流的转矩分量( 有功分量) 电机轴上的总转动惯量 电梯中用以悬挂轿厢的钢丝绳的弹簧刚度 电动机同步转速与控制电压之间的系数 控制电压与电梯理想速度之间的系数 液压缸的流量泄漏系数 液压泵马达与液压缸的综合流量泄漏系数 改变摩擦力模型的比例系数 开环理想曲线的系数 比例控制系数 积分控制系数 微分控制系数 液压泵马达的等效流量泄漏系数 液压泵马达内泄漏流量系数 液压泵马达外泄漏流量系数 带轮的节圆周长 转子漏电感 电梯运行时，液压缸活塞杆的有效行程 初始情况下，液压泵马达至液压缸内油液容积，折算成液压缸内容积的长度 定子和转子之间的互感 液压缸活塞杆上综合质量，包括活塞杆质量与动滑轮质量 以4砩风cd d p展层f r 毋e r厢只“矗七缸包昧k幻，如三厶k帆 浙江大学博士学位论文 x 电梯轿厢和负载的总质量 电梯轿厢的有效负载质量( 除去轿厢的自身重量) 机械变配重系统中，配重块的质量 电动机及液压泵马达的转速 电动机同步转速 电动机磁极对数 电动机转子转差速度 电梯中用以悬挂轿厢的钢丝绳的数目 带轮每圈的齿数 蓄能器内的油液压力 变液压配重系统中，蓄能器内的油液压力 蓄能器预充气压力 蓄能器充气后气体压力( 也为油液压力) 液压缸工作腔中的油液压力 运行i n 次后，蓄能器内气体压力( 也为油液压力) 电梯运行前，负载压力的静态值 电梯上行时液压缸内的负载压力 电梯下行时液压缸内的负载压力 负载压力 液压泵马达与负载侧的液控单向阀之间容腔的压力 电梯启动后，负载压力相对静态时的增值 电梯运行前，负载压力与蓄能器压力之差 反映最大静摩擦力的负载压力增值，常温下符j g a p c f o 蓄能器的输出( 上行) 存储( 下行) 功率 电动机轴端的输出功率 负载运行功率 变液压配重系统中，主液压泵马达所需总功率 电梯运行时，蓄能器至液压泵的液压油流量 变液压配重系统中，变量泵马达的有效排量 液压缸内输入输出液压油流量 变液压配重系统中，主液压泵马达的有效排量 液压泵马达处产生的内泄漏流量 液压泵马达处产生的外泄漏流量 速度误差的积分，其控制死区、上下限值符号分别为：幽、q m 。、q 。i 。 变液压配重系统中，变量泵马达的流量 变液压配重系统中，主液压泵马达的流量 机械变配重系统中，机械配重导向轮半径 转子电阻 电梯行程 采样时间；系统的总动能 电梯启动前，达到压力预平衡的时刻 加载理想曲线的时刻 电梯启动的时刻 转子时问常数 滞后校正的时间常数 饥荇m饰珞肌依肌肋朋仇m肋脚凡趴哦岘嘶凡铂瓠吼钆q纵c5j，您s r 乃死瓦咒 论文物理量符号说明 电动机电磁转矩 电动机轴系转动时的机械摩擦阻力矩 负载转矩 蓄能器一侧液压油压力作用于泵马达上产生的力矩 变液压配重系统中，蓄能器油压作用在变量泵马达上的力矩 油缸一侧液压油压力作用于泵马达上产生的力矩 机械变配重系统中，机械配重作用在液压泵马达上的力矩 电动机电磁转矩之外的力矩之和 理想曲线的控制电压 通过闭环反馈计算得到的控制电压调整量 速度 电梯加速段的运行速度 液压缸活塞杆的运行速度 电梯轿厢的运行速度 电梯运行的理想速度 电梯额定运行速度 经典摩擦力模型中的s t r i b e c k 特征速度 机械变配重系统中，机械配重的运行速度 系统的总势能 液压泵马达的排量 蓄能器预充气时的实际气体容积；液压泵马达至液压缸容腔初始的油液容积 初始状态，蓄能器压力为p 时的气体容积 运行r n 次后，蓄能器内气体容积 标准变频系统中，电梯上下一个来回的总能耗 变配重系统中，电梯上下一个来回的总能耗 电梯运行过程中钢丝绳的动态伸长量 电梯钢丝绳的静态伸长量 液压提升机构的效率( 油缸运行效率) 标准变频系统中，柱塞缸的运行效率 主液压泵马达的效率 标准变频系统中，主液压泵马达的效率 液压系统管路的效率 标准变频系统中，液压系统管路的效率 变液压配重系统中，变量泵马达的总效率 变液压配重系统中，主液压泵马达的总效率 变量泵马达的效率 变液压配重系统中，系统运行过程的总效率 电动机的过载系数；广义特征根 液压油的密度 闭式油路中液压油的运动粘度 转子磁链 钢丝绳一负载二阶系统的无阻尼自然频率 变频器一电动机一阶惯性环节的频率 液压的剪切频率 液压系统的无阻尼自然频率 矗h乃取瓦昂竹啪y；|k仇咐魄邯矿珞kx如彻饰铆讯翔价轮饰a p d 忱叻| 饥 浙江大学博士学位论文 x l i 整个液压电梯系统的综合谐振频率 电梯加速段曲线的频率 钢丝绳一负载二阶系统的阻尼比 液压系统的阻尼比 整个液压电梯系统的综合阻尼比 经典摩擦力模型中的经验值 变液压配重系统中，主液压泵马达及电动机的角速度 a g 纨咄磊磊磊j q 学号：1 0 3 0 8 0 8 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作皮取得的研究成 果。据我所知，除了文中特另0 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿态鲎或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 靴敝储签铷酬弹眺矽引州日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎有关保留、使用挚位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 一签硼尊碉 答字日期：勺别妯 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期刎年签字日期：厶盹m 年 l 电话： 邮编： 第一章绪论 第一章绪论 摘要：介绍了变转速容积调速的液压系统，并引出其典型应用一变转速液压电梯，重点介绍了变转 速液压电梯的研究和发展历程；分析了目前变转速液压电梯的研究成果和其中依然存在的问题；指 出目前变转速液压电梯依然存在的市场需要和变转速容积调速技术的发展需要，在此基础上提出课 题的研究内容和难点。 1 1 变转速容积调速的液压系统 液压传动是利用密闭系统中的受压液体来传递运动和力的一种传动方式，目前已经 被广泛应用到各个工业领域，其应用程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一 1 1 。与其它传动方式相比，液压传动具有功率重量比大、传动平稳、响应快、柔性连接 等优点；然而，其最大的缺点是能量利用率不高、系统效率低。因此，节能一直是液压 传动及液压技术的重要研究方向之一【1 3 1 。 1 1 1 液压系统调速回路【3 】 液压系统调速回路有节流调速和容积调速两种方式。其中节流调速回路通过改变流 量控制阀的通流面积来控制和调节进入或流出执行元件的流量，从而达到调速的目的。 图1 1 中便是最基本的三种节流调速回路( 执行元件也可以为液压马达) ，该类系统具 有结构简单、工作可靠等优点，但其主要存在着能量损失大、效率低、发热量大的缺点， 在节能与环保成为主题的今天，该缺点越来越受到关注。 ( a ) 进口节流( b ) 出口节流 ( c ) 旁路节流 图1 1节流调速液压系统的简化原理图 与节流调速相比，容积调速不存在节流和溢流能量损失，其最大的优点是节能，图 1 2 中是基本的两种容积调速液压系统的简化原理图( 执行元件也可以为液压马达) 。图 1 2 a 所示为容积调速方式中的变排量容积调速，该类系统中由于采用变量柱塞泵，存在 着诸如流量脉动与噪声大、低速稳定性差、调速范围有限、响应慢等缺点，因此其应用 受到限制，仅适用于大功率、动态响应要求不高的场合。 实现容积调速的另一种途径是变转速容积调速，如图1 2 b 中所示，该方法是随着 浙江大学博士学位论文 交流变频调速技术的成熟而发展的，通过变频器改变电动机转速，从而改变与电动机相 联的定量泵的转速，达到通过调节定量泵输出流量以调节执行元件速度的目的。与变排 量的容积调速系统相比，变转速容积调速液压系统由于不采用变量柱塞泵，在快速响应、 调速范围、低脉动和噪声上具有不可比拟的优势。 变转速容积调速的液压系统，可以克服传统的节流调速和变排量容积调速液压系统 的一些缺点，简化液压回路，减少液压系统的能量损失，提高系统效率，降低噪声等， 而这其中最重要的就是节能。 ( a )变排量容积调速( b ) 变转速容积调速 图1 2 容积调速液压系统的简化原理图 1 1 2 变转速容积调速液压系统的应用【4 】 自上世纪8 0 年代以来，关于变转速容积调速液压系统的研究一直没有间断过。基 础研究主要是对不同驱动方式下系统的动态响应和系统的效率进行对比研究、对变转速 液压泵控马达系统以及变频动力单元的动态特性和效率进行研究等等。 2 c o m p a r i s o no fe f f i c i e n c y - - - - - - - - s p e e dc o n t r o l l e dd r i v e 一- - p u m p c o n t r o l l e dd r i v e 图1 3 变频驱动定量泵系统和普通变量泵系统的效率对比【7 0 】 图1 3 中为n e u b e r t ，t h 等人在2 0 0 0 年对变转速容积调速系统( 电机变频调速驱动 第一章绪论 定量泵系统) 和普通电机驱动变量泵系统的效率进行了对比研究i + 叫，结果表明在中等 负载时变频驱动系统比普通变量泵系统的效率要高；在无载时变频驱动的电机输入功率 很小，而普通变量泵系统的电机输入功率达额定功率的9 0 ；但在满负载时，两者的效 率很接近。2 0 0 4 2 0 0 6 年浙江大学黄方平、邵又彬等人在设计了一种液压闭式回路的 变频动力单元，其原理如图1 4 中所示，并对该系统在液压提升机械( 包括液压电梯和 液压抽油机) 和注塑机中的应用进行了探讨1 7 g j 。 i 电机2 外啮台向齿转泵3 补单自目4 溢流单自目5 安空闱 6 碾自蘸马达7 蓄能器8 谥泷闽9 单自闻1 0 朴泵i i 补自机i2 滤器 图i4 变频动力单元液压原理田 除基础理论研究外，相关的研究者及厂家也开展了对变转速容积调速液压系统的应 用研究，其中最典型和最早的应用对象是液压电梯，这在后面一节将重点介绍。另外， 变转速客积调速技术还在注塑机、汽车液压转向系统、飞机液压、制砖厂等场合中得到 蟛 囤1 5d e m a g e r g o t e c h 公司系列电j 戎驱动注塑机简化原理结构囤 一灌 l | - 巳 新 学博学位论x 图l5 为d e m a g e r g o t e c h 公司推出的电液驱动注塑机简化原理结构图”】，从图中 可阻看出，其中的台所模机构采用液压闭式回路结构的变转速客积调速液压系统，l 王 射机构采用变频器控制电动机+ 变量泵的液压回路，研究结果表明，应用变频调速可以 在不影响生产率的前提下大幅提高系统效率，总效率可达到5 0 6 0 ，而原有节流调 速驱动注塑机的效率只有约2 0 3 0 。 又献f 1 1 1 论述了一种新型的变转速驱动的汽车液压转向系统( 如图16 所示) ，又 献1 2 1 4 1 对飞机中用变频驱动液压泵进行了实验研究，实验表明，采用变频驱动即变 转速客积调速的液压系统具有明显的节能效果，将是未来飞机液压驱动技术的主流。 又献1s l 介绍7 变频驱动的内啮合齿轮泵在砖厂中的应用并对砖厂中的三种液压 升阵系统( 分别为节流阀控、泵控，褒频控制，图l7 中只给出变量泵控和变频控制即 变转速客积调速的简化原理图) 的特点作了对比，结果表明采用变转速客积调速的液压 爿阵系统具确低脉动和低噪音、无需专用控制油路、低内，、与泵控相比危险时更易紧 急停车等优点。 图i6 汽车液压转向序理田 7 砖厂中的二种液压月降系统 国外有许多研究机构和企业将电机与泵做成一体，采用变频电机或者是伺服电机驱 动，简化结构提高响应，如t r u n i g e r 公司的e p q 动力单元( 如图18 所示) ，日本o p t o n 图i8 t r u n i g e r 公司的e p q 变频动力单元 第一章绪论 公司的d d vh y b r i ds e r v o p u m p 系统，另外还有布赫液压公司的变频液压动力单元，日 本油研公司的变频液压泵站产品1 4 1 。 由以上可以看出，变转速容积调速的液压系统已经被广泛应用，其优越的节能特性 使得该类液压系统在很多场合较传统的节流阀控液压系统具有明