电控液动执行机构的液压系统研究_张林

试验研究 电控液动执行机构的液压系统研究 煤炭科学研究总院唐山分院 张林 摘 要 电控液动执行机构是一种自动化程度较高的液压动力直行程自动执行机 构 采用泵控液压缸作为液压动力方式 主要用于驱动阀门启闭 本文论述了该产 品的液压控制原理 结构设计方案以及应用分析 关键词 电控液动执行机构 液压系统 研究 1 概 述 这是集机 电 液于一体 用于关 启 介质管道上浆液阀的驱动装置 可用于选煤 厂重介工艺介质和电力除灰管道 还可用于 石油输送和化工排污管道 80年代初研制 1985年首次通过原煤炭部鉴定 由于市场能 提供的液压元件性能有限 研究人员又未建 立液压实验室研制关键液压元件和多功能整 机测试台架 使该产品未能及时用于生产 1995年开始 原煤炭部 电控液动执行 机构的可靠性及产业化 课题启动 作者作 为课题组成员 负责液压系统的设计研究 研 究中 通过给出泵控液压缸的模型和基本方 程 推导出系统动态特性 定性指导液压系 统设计 6年来 电控液动执行机构历经试验 室建设 课题鉴定 推广应用和两次改进等 已逐步走向成熟 2 执行机构的构成与工作原理 2 1 构成 该执行机构由电控操作箱和执行机构两 部分构成 见图 1 操作箱内有两块电路板 一块是拉杆位移 2次仪表电路 即位置反馈 电路 和拉杆位移上下限 延时保护电路板 另一块是控制电路板 含断路器 电机换向 接触器 保护继电器 电源变压器 保护变 压器及对外接线端子排 执行机构采用开式 或闭式液压系统 主要由阀门专用电动机 齿 轮泵 组合阀组和特制中高压液压缸组成 此 外 还包括采集连续位移信号变化的前置电 路及其它附件 图 1 电控液动执行机构的构成 A 电控操作箱 B 执行机构 1 开度表 4 20mA 2 电源指示灯 3 恢复按钮 4 自动手动转换开关 5 阀开按钮 6 故障灯 7 电源开关 8 阀关按钮 9 信号电缆 10 动力电缆 11 位置发送器 12 液压缸 13 电机 14 齿轮泵 18 第 6期 煤质技术 2002年 11月 2 2 工作原理 执行机构属于位置伺服机构 根据用户 要求形成开环或闭环反馈控制系统 若采用 闭式系统 电机正转时 双向齿轮泵将油缸 无杆腔的液压油压入有杆腔 推动活塞向无 杆腔移动 带动拉杆内缩 使阀门打开 反 转时 双向齿轮泵将油缸有杆腔的液压油压 入无杆腔 推动活塞向有杆腔移动 带动拉 杆外伸 使阀门关闭 若采用开式系统 则 由电动机带动单向液压泵形成液压源 由控 制系统控制电磁阀换向 推拉活塞杆使阀门 启闭 执行机构有位移显示环节 可将拉杆的 直线位移 即阀门的开度 转换为国家统一 的标准电信号 因此 可组成位移反馈控制 系统 进行自动跟踪控制 该机构还具有拉 杆位移 即阀门启闭 上下限及电机故障延 时保护功能 其上下限及延时时间的设定和 调整方便 灵活 3 液压系统的控制分析 对大多数液压控制系统 动力机构的动 特性很大程度上决定着整个系统性能 按控 制元件和执行机构的不同组合 可将动力机 构分为 4种基本类型 阀控马达 阀控液压 缸 泵控马达和泵控液压缸 电控液动执行 机构采用的是泵控液压缸机构 3 1 基本方程 假定 a 泵及液压缸的内 外泄漏均为层流流 动 b 连接管道较短 管道内的压力降 流 体质量效应和管道动态忽略不计 c 两根管道完全相同 泵 液压缸和管 道组成的两个腔室的总容积相等 且每个腔 室内油液的温度和体积弹性模数为常数 压 力均匀相等 d 液压缸和负载间连续构件的刚度很 大 可忽略结构柔度的影响 图 2 1 对高压腔应用连续性方程 n pDp C ip P 1 P 2 C epP1 C ic P 1 P2 CecP1 A dy dt V1 e dP1 dt 式中 np 泵的转速 弧度 s Dp 泵的排量 m 3 弧度 P1 进油腔压力 即负载压力 Pa P2 回油腔压力 Pa A 活塞有效面积 m 2 y 活塞位移 m V1 液压缸进油腔容积 m 3 Be 有效体积弹性模数 包括液体 混入油中的空气以及工作腔体 的机械柔度 N m 2 Pa Cip 泵的内泄漏系数 m 3 s Pa Cep 泵的外泄漏系数 m3 s Pa Cic 油缸的内泄漏系数 m 3 s Pa Cec 油缸的外泄漏系数 m 3 s Pa 上式经拉普拉斯变换后 可得 npDp AsY V1 esP1 Cit P1 P2 CetP1 1 式中 Cit Cip Cic 总的内泄漏系数 m 3 s Pa Cet Cep Cec 总的外泄漏系数 m3 s Pa 2 液压缸和负载的力平衡方程 Fg A P1 P2 m d 2 y d 2 t B c d 2 y d 2 t KY F 式中 Fg 液压缸产生的驱动力 N m 活塞和负载的总质量 kg Bc 活塞和负载的粘性阻尼系数 N m s 19 第 6期 煤质技术 2002年 11月 K 负载的弹簧刚度 N m F 作用在活塞上的任意外负载 力 N 上式经拉普拉斯变换后 可得 A P1 P2 ms 2 B cs K Y F 2 3 2 泵控液压缸的方块图及传递函数 通常 考虑回油压力 P2为常数 在线性 化分析中包含 P2的项可以略去 另外 假设 总的泄漏系数 Ct Cit Cet 则式 1 2 可 简化为 npDp AsY V1 e s CtP1 3 AP1 ms 2 Y BcsY KY F 4 由上式 3 或 4 可列出泵控液压缸的方 块图如下 图 3 由图可得 一般 负载弹簧刚度为零 K 0 而阻 尼系数 A 2 C t 比 B c大得多 即 Bc C t A 2 Y npDp A Ct A2 1 V1 eCts F V1m eA2 s3 Ctm A2 BcV1 eA2 s2 BcCt A2 KV1 eA2 1 s KCt A2 5 1 则上式 5 可简化为 Y npDp A Ct A2 1 V1 eCt s F s s2 2 h 2 h h s 1 6 式中 h 动力机构的固有频率 即 h eA2 V1m a h 动力机构阻尼比 即 h Ct 2A em V1 Be 2A V1 em b 由式 6 可得出如下两个传递函数 以 泵的排量为输入的传递函数为 Y Dp np A s s 2 2 h 2 h h s 1 7 动力机构的动态柔度为 Y F Ct A2 1 V1 eCt s s s 2 2 h 2 h h s 1 8 阀控液压缸的传递函数 Y Dp由积分环 节 振荡环节和放大环节组成 其博德图见 图 4 由图可见 h的变化表现为谐振峰值不 同和相频特性形状的改变 np A的变化使幅 频特性上下移动并使穿越频率 c改变 但相 频特性不变 可见 增益的变化对系统的稳 定性和精度都有直接影响 图 4 泵控液压缸博德图 3 3 主要性能参数 由式 7 的传递函数可见 决定动力机 构特性的主要参数有 增益 np A 固有频 率 h 和阻尼比 h 等 1 增益 np A 用于电控液动执行机构的泵控液压缸系 统 其电机转速 液压缸活塞面积是一常数 设计中 两参数的选取受其他因素影响 系 统确定后 增益 np A是一个相对恒对的量 2 固有频率 h 由式 a 可见 固有频率是由负载质量 和液压弹簧相互作用而形成的 其大小决定 系统的响应速度 h越大 响应速度越快 因 此 应采取措施提高系统的固有频率 影响 h的主要因素有 a 液体的有效体积弹性模数 e h 与 e成正比 影响 e的因素很多 其 20 第 6期 煤质技术 2002年 11月 中 混入油中的空气影响较大 它会使 e大 大降低 一般 纯油的 e为 1 380 M Pa 而 混入 10 空气的油 其 e约为 690 M Pa 压 力为 4 M Pa时 可见 采取措施减少空气的 混入非常必要 b 工作腔容积 V1和液压缸工作面积 A 由式 a 可见 h与 V1成反比 与 A 成正比 增大活塞面积 A可提高 h值 但同 时 V1也增大 而且活塞面积 A的增大 导致 整体质量增加 流量变大等缺点 因此 设 计时应综合考虑 应注意的是 在保证液压 缸有效行程条件下 尽量缩小无效容积 非 常有利 3 阻尼比 h 阻尼由式 b 确定 除 Ct 和 B c外 其 余参数已由别的因素确定 所以 h值主要决 定于 Ct和 Bc值 总的泄漏系数 Ct是泵的内 外泄漏系数和液压缸的内 外泄漏系数之和 设计完成后 该系数基本恒定 由于一般不 允许泄漏增加 因此 该值一般较小 同时 液压缸的粘性阻尼系数 Bc也不能很大 Bc值 较大会导致高速时油缸产生相当大的热量 因而使所需功率增加 可见 泵控液压缸的阻尼比较小且恒定 系统易产生振荡而影响整个控制系统性能 往往需要牺牲一部分功率来设置旁路泄流通 道和粘性阻尼器以提高系统的响应特性 3 4 分析小结 1 与其他动力机构比 泵控液压缸的 液压固有频率较低 阻尼比较小但恒定 增 益值也较恒定 因此 泵控液压缸是较线性 的元件 不易受工作点变化的影响 易实现 控制 但是 其动态刚度特性和总的响应特 性不如阀控系统好 这就决定了泵控液压缸 只能用于精度和快速性要求不高的场合 2 和其他动力机构一样 泵控液压缸 的各参数选取应考虑各种因素制约 并考虑 该机构所处的具体工况 设计过程中 应针 对工况负载 速度等要求确定整个系统的控 制特性 3 该控制理论分析是在较理想状态下 得出 系统设计完成后 根据实际机构的参 数 运用实验方法确定各项性能 并依据实 验来修正机构的设计 4 液压系统设计 经多年研发 电控液动执行机构液压系 统共有以下几种设计 分体式开式液压系统 分体式闭式液压系统和整体式带组合阀组闭 式液压系统和整体式简化闭式液压系统 4 1 分体式开式液压系统 分体式开式液压系统原理见图 5 该系 统较简单 由电动机带动单向齿轮泵作液压 源 由电磁换向阀换向 实现液压缸的双向 动作 为完善系统 增加溢流定压阀 液位 液温计 压力表和吸油过滤器等元件 图 5 分体式开式液压系统原理图 计算中 因较经济的国产齿轮泵最小排 量为 4 ml 转 而启闭阀门速度不宜过快 因 此 增加主油路调速阀 尽管导致能耗性油 温升高 但阀门启闭不频繁时 可以采用此 方法 另外 为防止电控液动执行机构竖直使 用时因自重导致下滑 意外关闭阀门 增加 液控单向阀以锁紧 需说明的是 该系统不是前述的泵控液 压缸动力机构 而是四通阀控液压缸动力机 21 第 6期 煤质技术 2002年 11月 构 其基本方程 方块图 传递函数及博德 图本文不再详述 其控制特性为结构简单 频 带宽 响应快 刚度好 在其他液压系统设 计中经常采用 且已有较多介绍 4 2 分体式闭式液压系统 该系统与整体式闭式液压系统原理完全 一样 只是在结构上泵站与液压缸分离安装 散热良好 检修方便 但是 较长油管影响 系统的控制特性 落地布置占用地面空间 因 此 只有在用户指定情况下才安排生产 4 3 整体式带组合阀组闭式液压系统 原理见图 6 这是目前电控液动执行机 构采用较多 功能较完善的设计方案 整体 式组装减少了基建设计的难度 大大缩短了 连接油管的长度 提高了系统的控制特性 图 6 液压系统原理图 4 4 整体式简化闭式液压系统 取消组合阀组 采用了复合双向齿轮泵 元件 齿轮泵内设计了双向内泄系统 基本 满足用户使用 但由于液压缸两腔有油量差 存一部分空气 导致固有频率 h减小 响应 速度较低 影响控制特性 5 液压元件设计 在电控液动执行机构液压系统中 较重 要的液压元件为双向齿轮泵 组合阀组及特 制中高压液压缸 5 1 双向齿轮泵 根据闭式液动系统的设计要求 齿轮泵 应双向运转 而市场上尚无定型产品 经过 大量调研 液压泵厂愿与我院合作开发 这一产品 原单向齿轮泵分为内泄和外泄式 只能单向运转 通过试验 我们改进了端面 补偿配油盘和困油槽 采用了浮动轴套和专 用轴向密封装置 研制出的双向齿轮泵参数 为 额定压力 10 MPa 最高压力 16 M Pa 排 量 6 10 ml 转 基本满足了系统设计要求 5 2 组合阀组 由于整体式电控液动执行机构没有分离 的泵站系统 无法在油缸上跨接已有的各类 液压阀组 只能根据需要研制一种多功能阀 块来完善系统功能 为满足阀式液压系统的 设计要求 组合阀组即多功能集成阀块 是 非常重要的一环 见图 7 各阀作用如下 图 7 带多功能阀块的执行机构液压原理图 1 油缸 2 7 液控单向阀 3 4 8 单 向阀 5 溢流阀 6 梭阀 9 副油箱 10 电动机 11 双向齿轮泵 1 阀 2为液控单向阀 即单向液压锁 当电控液动执行机构竖直安装并呈全开状态 活塞杆缩进油缸 时 有杆腔内液压油在齿 轮泵 11未运转时无法像从前一样在楔形阀 板自重下通过齿轮泵向无杆腔缓慢泄漏油 这就解决了活塞杆因负重向下缓降的问题 2 阀 3 4 5 6构成双向溢流阀 当 系统压力达到额定压力时 油缸两腔均可溢 流卸压 溢流压力通过调节阀 5上的螺钉 弹簧 来设定 出厂前已调好 3 阀 7 8及副油箱 9构成补油系统 当齿轮泵顺时针旋转时 液压油由无杆腔压 入有杆腔 当有杆腔达到一定压力时 阀 7打 22 第 6期 煤质技术 2002年 11月 开 多出的液压油流入油箱 当齿轮泵逆时 针旋转时 液压油由有杆腔压入无杆腔 油 量不足时阀 8打开 补充液压油 以上功能是由一个多功能集成阀块来实 现的 即阀 2 3 4 5 6 7 8及副油箱 9组成一套系统 跨接于齿轮泵上 进出油口 与油缸连接 5 3 中高压双向液压缸 为实现控制系统的信号反馈功能 需在 液压缸上安装位移传感机构 我们采用固定 在空心活塞杆中的电容式位移传感器及相应 的信号采集电器 这给液压缸的设计和制造 带来一定难度 经过与外委厂家的共同努力 特制中高压双向液压缸取得了成功 具体参 数为 额定压力 10 MPa 最高压力 16 MPa 缸径 杆径分别为 100 mm 25 mm 125 mm 32 mm 140 mm 40 mm等几种规格 另外 为保证密封性能 液压缸设计中 大量采用了进口密封件 如德国的格雷封 斯 特封等 较大限度地避免了跑 冒 滴 漏 现象 保证了产品质量 减少了维护 6 应用情况 电控液动执行机构自 1996年底通过原 煤炭部鉴定以来 已先后在 60余家选煤厂以 不同规模应用 应用总量已达 800余台 新 型电控液动执行机构以故障率低 体积小 质 量轻 出力大 无渗漏的特点受到各大设计 院和选煤厂的欢迎 该产品投入使用后 大 大减少咽喉岗位故障时间 降低操