研究大流量高性能系统的重要技术.doc

液压英才网 用心专注、服务专业航天交会对接模拟器采用并联六自由度运动系统，飞行器质量特性、控制特性和失重环境下的动力学特性由计算机模型和伺服系统来模拟，对接机构采用真实产品 六自由度运动系统的驱动元件在很大程度上决定了运动系统的承载能力、运动精度、快速性等性能指标，是运动系统中的关键组成部件 液压驱动方式的突出优点是抗负载的刚度大，执行器的功率一质量比大，目前几乎所有的飞行模拟器平台式运动系统都采用液压驱动方式用于运动模拟器的液压并联运动系统，由于液压缸行程往往较大，其液压固有频率和阻尼比均很低；同时，因其动力机构存在不确定性因素的影响(如模型结构摄动、参数时变和不可预计的外部干扰等)，对其液压伺服控制系统提出了很高的要求3本文针对航天交会对接模拟器液压并联运动系统，讨论影响其液压控制系统性能的因素以及提高其性能的几个关键技术和应用方面的研究1 液压并联运动系统性能分析 航天交会对接模拟器采用半物理仿真的方法实时模拟两个空间飞行器在设定对接初始条件下的对接动力学过程 运动模拟器采用如图1所示的6-SPS机构(又称Stewart平台)六自由度并联机构，由6个液压伺服液压缸驱动图1 运动模拟器组成示意图 液压并联运动系统的性能指标主要包括静态、动态性能指标和位移、速度、加速度的量程范围以及闭环频率特性等位移和速度决定了模拟器运动空间的大小，加速度在很大程度上决定着飞行模拟的逼真度以及模拟范围，系统的动静态特性指标主要有频率响应、阶跃响应、稳定性、稳态精度和交叉耦合影响等因此，液压并联运动系统对其液压控制系统提出的要求是流量大并且动静态性能高液压伺服系统的频宽主要受液压动力机构的限制，即为液压固有频率和液压阻尼比 所限而系统的稳定性也需要用足够大的 和 值来保证 影响的主要因素有： 液体的有效体积弹性模量B ， 与 成正比；负载质量和管道中油液的附加质量； 工作腔总容积V ； 液压缸工作面积A 油液中掺混气体使得有效体积弹性模量B 随压力变化非常明显4研究表明，当油液中掺混气体体积分数为1 时，压力从1 MPa变化到1O MPa，有效体积弹性模量B 将从700 MPa变化到1 700 MPa 影响 的主要因素有液压缸的总泄漏系数C和伺服阀的流量一压力系数K 随工况的改变会发生很大的变化，变化幅度达20-30倍为了使伺服系统得到满意的瞬态响应特性，应足够大并尽量保持恒定5前面提到泄漏量对的影响很大，泄漏量的大小与压力差成正比，而与油液的黏度成反比油液黏度随温度变化非常明显，以46号抗磨液压油为例，温度从15变化到60 ，运动黏度v将从5 cm2s变化到035cm2s 从上述分析可以看出，航天交会对接模拟器的运动模拟精度要求高，而其液压控制系统的液压固有频率和阻尼比均很低，并且受油液有效体积弹性模量和油液温度等参数的影响很大为了满足系统的控制精度要求和得到良好的控制效果，下面讨论如何对这种大流量的液压系统进行精确的油温控制，如何降低油液中的气体含量并且进行油液弹性模量的在线测量，如何保持供油压力的稳定等关键技术问题2 大流量高性能液压系统关键技术21 油液温度精确控制 精确控制油液温度是保障液压系统性能稳定的关键性因素油液温度控制原理如图2所示 采用三通比例水阀分水原理，控制通过回油板式换热器的冷却水流量，以伺服阀人口油温为控制点，随液压系统发热量变化采用一定的控制策略实时控制三通比例水阀的开度，以调节通过板式换热器的冷却水流量，使冷却功率与发热功率达到动态平衡，维持系统油温的恒定22 降低油液中的含气量 为了满足降低油液中的空气含量的需要，首先采用封闭的油箱，使液压系统与大气完全隔绝；再用抽真空的方法除去油液中溶解的和游离的气体 221 闭式系统补油及压力油箱压力控制油箱封闭并加压封闭油箱使液压系统与大气完全隔绝；加压以提高油箱中油液的气体溶解度，减少油箱中油液的气体析出量这样能够提高油液有效体积弹性模量，减少气蚀的发生，但是需要解决闭式系统补油以及压力油箱压力控制等问题工作油箱加压后具有一定的压力，而液压泵壳体泄油压力越低，轴封的寿命越长，因此将泄漏油引入至一个带有自动控制阀的补油装置中，如图3所示 泄漏油箱通过活塞与大气隔绝，补油泵为定量泵，流量始终大于系统泄漏量自动控制阀的阀芯受活塞的控制，阀口开度与活塞位置相关，阀口开度决定了补油流量的大小补油流量与通过阀口流回泄漏油箱的流量之和等于补油泵输出的流量，而系统泄漏量与通过阀口流回泄漏油箱的流量之和也等于补油泵输出的流量，活塞保持在某个平衡位置，补油流量正好等于系统泄漏量当系统泄漏量发生变化时平衡被打破，活塞位置发生变化，引起阀口开度变化，达到新的平衡位置时补油流量等于系统泄漏量 自动补油装置能够根据系统泄漏量的变化调整补油量的大小，使得压力油箱中的油液量保持不变，有利于维持压力油箱的压力稳定222 在线抽真空除气抽真空除气装置的原理如图4所示 首先通过气缸的作用使活塞式蓄能器的活塞左移，压力油箱中的油液液面下降形成真空，再操纵一体式驱动球阀使油箱与真空泵相连，油箱中的压力低于相应温度下的油气分离压时溶解的气体分离出来，空气从油液中释放出来后被真空泵迅速吸走通过真空度计控制油箱内的压力始终高于油液的饱和蒸气压，防止油液雾化压力油箱在油液进行抽真空除气预处理时充当了真空容器；在液压系统工作时，一体式驱动球阀将油箱封闭，通过气缸的作用给油箱加压23 油液弹性模量在线测量 为了检验抽真空除气的效果以及掌握系统中油液的弹性模量值，特别设计了自动在线油液弹性模量测量装置，其原理如图5所示 根据体积弹性模量的定义，通过加载缸的活塞杆对封闭的测试腔中的油液施加压力，由二级调压回路产生压力变化，测试腔中的油液被压缩，体积发生变化，由压力传感器和位移传感器直接记录测试腔中油液的压力和体积变化情况，经过计算得到油液的弹性模量值该装置的特点是测量过程自动实现，能够在线实时测量，测量前测试腔的油液先进行循环，以保证测量结果能代表系统中油液的实际情况，并且测量结果不受加载缸活塞摩擦力的影响24 大流量压力波动控制 由于液压缸面积，大活塞运动速度快，需要提供的流量大而恒压变量泵由于结构复杂、变量机构惯性大，响应不如溢流阀快，当系统所需流量变化较大时，变量机构响应跟不上，会引起较大的压力变化，采用插装阀多级调压来满足大流量下各种工况压力稳定的需要，其原理如图6所示通过匹配插装阀主阀芯弹簧刚度和先导控制油路的阻尼大小，得到合适的调压动态性能和从零流量至全流量通流情况下的最小压力变化3 实验分析研究 实验在对接机构综合试验台运动模拟器液压驱动系统上进行，其液压源主供油压力10 MPa，最大流量1 800 Lmin，控制供油压力21MPa，最大流量355 Lrain，装机功率700 kW31 油液温度控制实验 油温控制以伺服阀人口油温为控制点，设定的目标油温为45从图7以看出，通过对比例水阀开度的控制来调节冷却水流量，成功的将油温控制在(451)图8中后阶段比例水阀开度加大是由于冷却水池中的水温升高，超过了设计水温32 工作过程中油箱的压力变化 当液压系统工作时，由自动补油装置、活塞式蓄能器和低压皮囊式蓄能器共同作用以保持压力油箱中的压力基本稳定从图9可以看出，泄漏油箱的活塞始终保持在某一平衡位置，说明补油装置能够自动根据系统泄漏量的大小调节补油量的大小，而压力油箱的压力能够长时间维持在设定的023 MPa水平33 抽真空前后弹性模量对比 表1给出的是几组在油箱封闭式系统中的油液弹性模量的实测数据表1 油液弹性模量实测数据 通过与油液弹性模量仿真结果对比，其中第1组数据反映的气泡体积分数为01 ；而混气后的第2组数据反映的气泡体积分数为015 ；第3组数据油温升高，弹性模量降低是由于油温对纯油液弹性模量和气体溶解量的影响综合后所引起的；第4组数据与第3组数据的对比说明通过抽真空除气可以提高油液的弹性模量34 系统压力波动实验 所示的曲线是系统中7台180 mLr排量的主供油泵依次卸荷启动，全部流量通过调压阀溢流时得到的压力变化曲线从图中可以看出，流量突然变化时，压力超调比较小，响应速度较快，而全流量通流时压力增加约为6 图9 主供油压力波动4 结论 (1)针对航天交会对接模拟器液压并联运动系统提出的大流量和高性能要求，对其液压系统的几个关键技术问题进行了研究，实验结果达到了预期要求，其方法可以应用到其他有类似要求的场合 (2)采用比例水阀调节冷却水量控制油温的方法实现了大流量、大功率情况下的油温精确控制，实验表明流量为2 155