泵控液压缸技术 课件全套 1.1 液压泵概述 -11.3 其他应用领域

泵控液压缸技术泵控液压缸技术液压泵11.1液压泵概述1.1液压泵的作用液压泵是液压系统的“心脏”，是将动力源（电动机等）输入的机械能转化为液压能的能量转换元件。液压缸原理及分类第1节液压泵开式液压泵闭式液压泵输出流量方向调节：不变输出流量大小调节：定转速+变排量变转速+变排量变转速+定排量输出流量方向调节：输出流量大小调节：定转速+变排量变转速+变排量变转速+定排量变排量变转向1.1常见液压泵类型常见的液压泵类型主要有：轴向柱塞泵、径向柱塞泵、外啮合齿轮泵、内啮合齿轮泵、叶片泵、新型非对称柱塞泵、浮杯泵及数字排量泵等。液压缸原理及分类第1节轴向柱塞泵径向柱塞泵外啮合齿轮泵内啮合齿轮泵叶片泵非对称柱塞泵浮杯泵数字排量泵1.1应用领域液压泵作为液压系统的“心脏”广泛应用于各种工业设备及非道路移动装备。为各种大国重器提供动力。液压缸原理及分类第1节伸缩臂叉车液压挖掘机装载机旋挖钻机钢铁轧机锻压设备注塑机三峡船闸谢谢太原理工大学机电装备节能与智能控制技术团队泵控液压缸技术泵控液压缸技术液压泵11.2轴向柱塞泵2.1轴向柱塞泵的组成轴向柱塞泵工作压力高，结构紧凑，功率密度高，应用较为广泛。轴向柱塞泵第2节轴向柱塞泵主要由驱动轴、回程盘、变量活塞、控制单元、配流盘、缸体、柱塞、滑靴、斜盘等主要部件组成。1.驱动轴2.回程盘3.变量活塞4.控制单元5.配流盘6.高压侧7.补油泵8.低压侧9.吸油口10.缸体11.柱塞12.滑靴13.斜盘斜盘式闭式轴向柱塞泵结构原理及外观图2.1轴向柱塞泵工作与变量原理轴向柱塞泵由主体结构和手动变量机构两部分组成。当传动轴带动缸体作高速旋转时，在弹簧、回程盘、滑靴等部件的作用下，柱塞在缸孔中既随缸体高速旋转，又作轴向往复运动，使缸孔内的封闭容积发生周期性变化，并通过配流盘完成吸油和压油。轴向柱塞泵第2节斜盘式闭式轴向柱塞泵结构及变量控制原理图液压泵工作时，通过控制电磁铁a或者b的电流大小，即可改变变量活塞腔的压力，从而控制变量活塞的位移，改变斜盘摆角，最终控制液压泵输出流量的大小。分别使用电磁铁a或者b可以控制斜盘往相反方向摆动，从而控制液压泵输出流量的方向。谢谢太原理工大学机电装备节能与智能控制技术团队泵控液压缸技术泵控液压缸技术液压泵11.3径向柱塞泵3.1径向柱塞泵的组成径向柱塞泵柱塞呈径向排列，具有噪声低等优点，一般用于功率较大的场合。径向柱塞泵第3节径向柱塞泵主要由定子、星形缸体、柱塞、滑靴、回程环、配流轴、变量活塞等结构组成。1、2.变量活塞3.滑靴4.定子5.回程环6.柱塞7.配流轴8.缸体9.补偿器10.位移传感器11.伺服先导阀径向柱塞泵结构原理及外观图3.1径向柱塞泵工作与变量原理径向柱塞泵由主体结构和手动变量机构两部分组成。当传动轴带动缸体旋转时，在弹簧、定子、回程环等部件的作用下，柱塞在缸孔中作轴向往复运动，使缸孔内的封闭容积发生周期性变化，完成吸油和压油。通过控制变量活塞2的作用压力，可使定子在两变量活塞作用力下产生偏心位移，控制器根据位移传感器反馈信息与接收的控制信号对偏心位移闭环控制，进而实现径向柱塞泵变排量的控制。径向柱塞泵第3节径向柱塞泵结构及变量控制原理图谢谢太原理工大学机电装备节能与智能控制技术团队泵控液压缸技术泵控液压缸技术液压泵11.4外啮合齿轮泵4.1外啮合齿轮泵的组成外啮合齿轮泵是液压系统中广泛采用的一种液压泵，一般为定量泵，主要由一对外啮合齿轮配合工作。径向柱塞泵第4节外啮合齿轮泵主要由主动轮、从动轮、壳体等结构组成。外啮合齿轮泵结构原理及外观图4.1外啮合齿轮泵工作原理主动轮和从动轮啮合时，齿轮齿廓、壳体内表面、衬套和侧板等形成多个密封工作容腔。吸油区和压油区隔开，起到了配流作用。吸油腔由于轮齿脱离啮合使齿间容积变大，出现真空从油箱吸油；吸入的油液由旋转的齿间工作容腔携带至压油腔；在压油腔由于齿间容积减小而将油压出给系统供油。齿轮泵一般用于中低压工作场合，图中曲线为凯斯帕K30系列外啮合齿轮泵输入扭矩（虚线）与功率（实线）随转速和压力变化曲线。径向柱塞泵第4节外啮合齿轮泵结构原理及性能曲线谢谢太原理工大学机电装备节能与智能控制技术团队泵控液压缸技术泵控液压缸技术液压泵11.5内啮合齿轮泵5.1内啮合齿轮泵的组成内啮合齿轮泵相比外啮合齿轮泵具有流量脉动小，噪声小，效率高结构紧凑等优势，主要由一对内啮合齿轮配合工作。径向柱塞泵第5节内啮合齿轮泵主要由主动轮、内齿圈、月牙隔板、壳体等结构组成。内啮合齿轮泵结构原理及外观图5.1内啮合齿轮泵工作原理主动轮和内齿圈啮合时，齿轮齿廓、壳体内表面、月牙隔板和侧板等形成多个密封工作容腔。吸油区和压油区由月牙隔板隔开，起到了配流作用。吸油腔由于轮齿脱离啮合使齿间容积变大，出现真空从油箱吸油；吸入的油液由旋转的齿间工作容腔携带至压油腔；在压油腔由于齿间容积减小而将油压出给系统供油。图中曲线为布赫QXEM系列内啮合齿轮泵容积和机械效率随泵出口压力变化情况。径向柱塞泵第5节内啮合齿轮泵结构原理及性能曲线谢谢太原理工大学机电装备节能与智能控制技术团队泵控液压缸技术泵控液压缸技术液压泵11.6叶片泵6.1叶片泵的组成叶片泵按照进、出油口的次数可以分为单作用和双作用叶片泵。转子在转动一周的过程中，完成一次吸油和一次排油则称为单作用叶片泵，转动一周完成两次吸油和两次排油则称为双作用叶片泵。叶片泵第6节叶片泵主要由转子、叶片、定子和前后配流盘等构成。单作用叶片泵定子内表面和转子外表面都为圆柱面，定子中心和转子中心不重合，而是保持一个偏心距；双作用叶片泵的定子曲线是由两段大圆弧曲线、两段小圆弧曲线和四段过渡曲线组成，转子和定子中心重合。单作用叶片泵结构原理1压油口2转子3定子4叶片5配油盘6吸油口双作用叶片泵结构原理叶片泵实物照片6.1叶片泵工作原理及变量原理转子旋转，叶片从转子叶片槽中向外伸出时，相邻两叶片组成的工作腔容积增大，油液通过配流窗口流进工作腔中；叶片回缩时，相邻两叶片组成的工作腔容积减小，工作腔中的油液通过配流窗口将油液压出。转动一周，单作用液压泵完成一次吸油和排油，双作用液压泵完成两次吸油和排油。此外对于单作用叶片泵，还可通过调节其偏心距完成变量控制。径向柱塞泵第6节双作用叶片泵工作示意单作用叶片泵变量控制原理1一转子2一定子3一壳体4一反馈柱塞5流量调节螺钉6一调压弹簧谢谢太原理工大学机电装备节能与智能控制技术团队泵控液压缸技术泵控液压缸技术液压泵11.7新型非对称柱塞泵7.1新型非对称柱塞泵的组成新型非对称柱塞泵与常规柱塞泵总体结构类似，将常规柱塞泵对称两配流窗口改进为非对称的三配流窗口，解决常规对称泵控制非对称液压缸时流量不匹配的难题。根据三个配流窗口的结构不同，可分为串联式和并联式两种。新型非对称柱塞泵第7节并联型非对称柱塞泵缸体和配流盘结构串联型非对称柱塞泵缸体和配流盘结构7.1新型非对称柱塞泵新型非对称柱塞泵与常规柱塞泵相比，其油口对应由常规液压泵的两主油口增加为三主油口。图示为样机照片。新型非对称柱塞泵第7节非对称柱塞泵样机照片定量泵变量泵谢谢太原理工大学机电装备节能与智能控制技术团队泵控液压缸技术泵控液压缸技术液压泵11.8新型液压泵及发展趋势8.1浮杯泵浮杯泵采用镜像对称设计，柱塞板两侧各有12个柱塞呈环形排列，柱塞与浮杯一一对应，柱塞头部为球形，保证柱塞与浮杯之间线密封，降低摩擦损失，柱塞板与轴设计为一体，通过轴销驱动浮杯盘随轴转动。工作时，柱塞相对固定，浮杯沿柱塞轴向运动，通过固定塞吸入/排出油液。与斜盘式柱塞泵相比，浮杯泵的输出流量更加平稳，压力脉动大幅减少，噪声显著降低。浮杯泵低转速情况下扭矩损失小，容积效率96%，整体效率范围为94%～97%。并且该泵没有最低转速限制，尤其适用于变转速控制场合。新型液压泵及发展趋势第8节浮杯泵内部结构及外形8.2数字排量泵数字排量泵采用嵌入式计算机控制的高速开关阀，实时开闭多个径向柱塞腔，就可以克服传统斜盘式泵由于变量需要消耗一定流量，造成整体效率低下的限制。数字排量泵是一种径向活柱塞泵，其柱塞由凸轮环驱动。每个柱塞腔可以单独打开和关闭，从而可控制每次参与工作柱塞的数量，从而有级的改变液压泵的排量。柱塞数越多，排量变化量越小。一般配置使用12个柱塞，分为三组，每组四个。与常规斜盘式变排量轴向柱塞泵能量效率和损失功率对比如曲线图所示。新型液压泵及发展趋势第8节数字排量泵六柱塞工作原理图数字排量泵外形图数字排量泵性能曲线谢谢太原理工大学机电装备节能与智能控制技术团队泵控液压缸技术泵控液压缸技术变转速电动机22.1交流电动机1.1电动机分类交流电动机第1节电动机主要由定子和转子组成，通过通电线圈(定子绕组)产生旋转磁场并作用于转子形成磁电动力转矩，带动负载旋转。根据应用场合和电源情况的不同，电动机可分为直流电动机和交流电动机。直流电动机剖视图交流电动机剖视图1.1电动机分类交流电动机第1节直流电动机交流电动机工作原理直流电→机械能交流电→机械能用途主要用于动力机械或其他调速范围较宽的设备主要用于动力机械或其他调速范围较小的设备结构①原理相对简单，但结构复杂，不便于维护；

②使用直流电，依靠换向器改变电流方向，使转子与定子磁场极性相反，转子转动。①原理复杂但结构相对简单，更便于维护；

②使用交流电，无换向器，定子绕组按相位布局自然产生旋转磁场。运动状态磁场不动，导体在磁场中运动磁场旋转运动，导体不动调速调速性能较好：可通过控制电枢绕组电流实现平滑稳定调速，无需其他设备配合调速性能较差：需借助变频设备实现调速特性常规电机功率较小，节能性好，噪音小，可多级调速，控制精确，价格较高常规电机功率大，噪音大，价格较低作为电动机由直流电压驱动，或交流电压经整流后驱动直接由交流电驱动作为发电机由旋转机械带动直接产生直流电，或产生交流电经整流后输出直流由旋转机械带动产生交流电1.2变频器交流电动机第1节变频器是利用交流电动机的同步转速随电动机定子电压频率的变化而变化的特性，实现电动机调速运行的装置，是电动机实现变频调速的主要元件。目前，静止式变频电源是变频器的主要形式，从主电路的结构形式上可分为两种型式：交-直-交型和交-交型。交-直-交变频器通过整流电路将电网的交流电变为直流电，再由逆变电路将直流电逆变为频率和幅值可变的交流电供给交流电动机。根据直流部分电流、电压的形式不同，又可分为电压型和电流型两种。电压型变频器主电路的典型形式电流型变频器主电路的典型形式1.2交流电动机第1节电压型变频器在电路中的直流部分接有大容量的电容器，施加于负载上的电压值基本不受负载的影响而基本保持恒定，其特性类似于电压源。电压型变频器输出的交流电为方波电压或方波电压脉冲序列，电流经过电动机负载的滤波后接近于正弦。优点：运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响缺点：当负载出现短路或变频器运行状态下加入负载，易出现过电流，必须在极短时间施加保护措施。分类方法分类换流方式强迫换流，自关断，频率控制方式自控式，外部控制输出电压控制脉冲幅度调制(PAM)，脉冲宽度调制(PWM)，PAM加PWM输出电压波形矩形波，模拟正弦波，多重式输出相数单相，三相，多相按照换流方式、频率控制方式、输出电压方式等可将电压型变频器分为以下类型：变频器1.2交流电动机第1节电流型变频器与电压型变频器在主电路结构上类似，不同的是电流型变频器直流部分接入的是大容量的电抗器。电流型变频器施加于负载上的电流值保持恒定，基本不受负载的影响，其特性类似于电流源。电流型变频器逆变输出的交流电为方波电流，而电压为近似正弦波电压。电流型逆变器由于电流的可控制性较好，可以限制由逆变装置换流失败或负载短路等引起的过电流，保护的可靠性较高，所以多用于要求频繁加减速或要求四象限运行的场合。电动机四象限运行特性变频器1.2交流电动机第1节传统交-交变频器基本原理典型三相矩阵变换器拓扑图优点：没有直流环节，换流效率较高缺点：最高输出频率只能达到电源频率的1/3~1/2，且不能高速运行优点：输出频率不受输入限制；输入功率因数恒为1；能量可双向传递；体积小、波形质量高。缺点：系统由非双向器件组合而成，控制电路复杂变频器谢谢太原理工大学机电装备节能与智能控制技术团队泵控液压缸技术泵控液压缸技术变转速电动机22.5变转速电动机类型5.1变频电动机变转速电动机类型第5节泵直驱技术所采用的电动机大多为交流变频电动机，是交流异步电动机的一种。一般的变频电动机是由传统的笼型电动机衍生而来，通常把传统的电动机用自冷风机改为独立的风机，并提高电动机绕组绝缘的耐电晕性能。在小功率及工作频率在额定频率附近等对电动机输出特性要求不高的场合下,可以用普通笼型电动机代替。结构简单，制造、维护方便，运行可靠性高；

重量轻、成本低，在同功率、同转速下，三相异步电机重量约为直流电机的

1/2，成本仅

1/3；易按不同环境条件的要求,派生出各种系列产品；

负载特性接近恒转速，适应大多数工业机械需求。优点：缺点：转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率,调速性能较差；异步电动机运行时,从电力系统吸取无功功率以励磁,导致电力系统的功率因数降低。变转速电动机类型第5节图为为某45kW变频器驱动的额定电流为70A、功率为37kW的变频电动机在不同负载工况下定子电压-频率关系曲线。由图示曲线可知，在实际工作过程中，变频电动机定子电压与频率基本呈线性关系，电动机磁通为一定值，即在不同转速下，电动机电磁转矩为一定值。在变频器中，一旦定子频率给定了,定子电压也就确定了。5.1变频电动机变转速电动机类型第5节电动机起动角加速度与负载转矩基本呈线性关系。由下式可知，忽略系统黏性阻尼，起动过程中，电动机电磁转矩基本为一定值。图示为变频电动机加速起动时,角加速度-负载转矩关系曲线。测试过程为：负载转动惯量为0.01kg·m2，变频器最大起动电流限制为60A，电动机开始时不动作，在某一时间设定变频器频率，使电动机开始加速起动，直到达到设定转速,在此过程中测量电动机的角加速度。式中,Tem

为电动机有效电磁转矩；ηm

为电动机机械效率；

TL

为电动机负载转矩；Tf

为摩擦转矩；J

为电动机转动惯量；α为电动机角加速度；Bm

为电动机黏性阻尼系数；ω

为电动机角频率。5.1变频电动机变转速电动机类型第5节右图可知：电动机空载起动速度较快,满足液压系统使用要求。然而,电动机电磁转矩与主磁通和转子电流有功分量乘积成正比,当增大电动机的最大起动电流时,电动机角加速度也会增大,但会对电网产生较大的电流冲击。电动机负载设置为零，变频器最大起动电流限制为60A，在1s时给电动机的转速控制信号为的300r/min~1500r/min，电动机从静止起动到设定转速的动态特性如图所示。目标转速（r/min）30060090012001500所需时间（s）0.23

0.25

0.310.340.435.1变频电动机变转速电动机类型第5节最大起动电流分别设置为60A和120A，负载转矩为150N·m时，电动机转速阶跃响应和起动电流曲线如图所示。可见对于变频电动机而言，带载起动速度和起动峰值电流是一对难以协调的矛盾体，较大的起动速度势必对电源峰值电流提供能力提出较高的要求。设定最大启动电流加速至额定转速所用时间实际启动电流最大值120A0.29s113A60A1.25s58A5.1变频电动机变转速电动机类型第5节交流伺服电动机主要由一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子组成。其定子铁心中安放着空间相差90°的两相绕组,一相称为励磁绕组,一相称为控制绕组。电动机工作时,励磁绕组接单相交流电压,控制绕组接控制信号电压,要求两相电压同频率。伺服电动机普遍采用外环位置控制、中环速度控制和内环电流控制的三环控制方式,这种控制方式比普通变频电动机动态特性更好、控制方式多。5.2伺服电动机变转速电动机类型第5节伺服电动机定子电压转速关系曲线如左图所示。与变频电动机相比,相同的转速工作时,伺服电动机的定子电压较低。在相同负载转矩的情况下，伺服电动机的角加速度更大。5.2伺服电动机变转速电动机类型第5节伺服电动机负载设置为零，伺服驱动器最大电流限制为72A,最大角加速度限制为1300rad/s2,不同转速的动态响应曲线如图所示。由数据可知,伺服电动机空载起动速度较快,完全满足液压系统使用要求。如果增大最大允许角加速度和电流,则伺服电动机可在0.05s时间内从转速为零起动到额定转速。目标转速（r/min）400800120016001800所需时间（s）0.080.100.120.140.155.2伺服电动机变转速电动机类型第5节设定最大启动电流加速至额定转速所用时间实际启动电流最大值72A0.12s36.2A33A0.33s28.2A对于伺服电动机而言，快速带载启动对于电源的冲击较小，比变频电机具有更好的启动特性。最大起动电流分别设置为33A和72A,负载转矩为64N·m(额定转矩为72N·m),伺服电动机转速阶跃响应与起动电流曲线如图所示。5.2伺服电动机变转速电动机类型第5节高功率密度电动机是指相同输出功率条件下,电动机尺寸更小、重量更轻、效率更高。高功率密度永磁电动机有着高速、高效率和高功率密度的优势,应用潜力极大,它几乎涵盖了各种功率等级的场合。丹麦丹佛斯公司生产的EM-PMI240-T18型电动机功率范围为48~114kW,额定转速为2200~8800r/min,最高转速可达9200r/min。该产品是专门为移动机械、道路车辆或船舶上的电动或混合动力系统而开发的,比传统的电动机产品体积更小,质量更轻,效率更高5.3高功率密度电动机变转速电动机类型第5节美国H3X公司生产HPDM-30是一款高功率密度、集成化的电动机,额定功率为33kW,质量仅为4.1kg。还可以轴向堆叠,形成66kW和99kW机器。HPDM-30型高速电动机转矩-转速特性曲线HPDM-30型高速电动机功率-转速特性曲线HPDM-30型高速电动机5.3高功率密度电动机谢谢太原理工大学机电装备节能与智能控制技术团队第三章

电液动力源控制特性泵控液压缸技术目录3.2.1流量控制特性3.2.2压力控制特性3.3变转速变排量控制特性3.3.1流量控制特性3.3.2压力控制特性3.1.1电液动力源基本构型3.1.2不同构型电液动力源的工作原理3.1.3电液动力源连接型式3.2变转速定排量控制特性3.1电液动力源基本工作原理3.4新型电液动力源3.4.1开式电液动力源3.4.2闭式电液动力源3.1电液动力源基本工作原理液压传动是利用静压传动原理来工作的，工作介质为液体。通过液压系统控制和调节执行元件的力、速度和方向，实现动力传递和机械运动控制的传动方式。其中电液动力源是液压系统的心脏。电液动力源的基本原理是用电动机输出转速和转矩来驱动液压泵，液压泵输出一定流量和压力的液压油，供给执行器。转速扭矩流量压力吸油压油3.1电液动力源基本工作原理电动机的分类根据采用的电动机、液压泵类型不同，电液动力源的组成方案和可实现的控制机能非常主富。液压泵的变量控制Pcontrol压力信号控制

Pcontrol负荷传感控制Qcontrol机械反馈变量DA-SSCcontrol速度感应变量Electroniccontrol电子泵Pres.Comm.压力指令变量MooringCont.逆向控制恒压控制DRDP恒功率控制LR负荷传感控制DFRPstiMn伺服控制HS/HS3EOEPDFE二次调节DS1压力指令控制DRGq

HD液控变量HW手动变量EP电控变量±q控制控制A10V-DFE1A4VSOE1-S02速度感应控制DA3.1电液动力源基本工作原理早期，电动机的变频技术和液压泵的变量控制技术尚未成熟，在相当长的一个时间段内，电液动力源采用定转速电动机和定排量液压泵。3.1电液动力源基本工作原理电动机调速技术发展历程第一阶段：早期机械调速(19世纪末-20世纪中)核心技术:齿轮变速、皮带轮调速，是工业革命早期唯一手段。第二阶段：电气模拟调速(20世纪中-70年代)核心技术:直流电机电枢调压、弱磁调速，晶闸管(SCR)问世。第三阶段：电力电子雏形(20世纪70-80年代)核心技术:晶闸管变频调速、PWM技术雏形，IGBT发明奠定基础。第四阶段：现代变频成熟(20世纪90年代-至今)核心技术:IGBT、矢量控制、DTC，变频器性能完善并普及。随着变排量技术和变频技术的发展，电液动力源的构型逐渐演变成变排量定转速、定排量变转速和变排量变转速共存的格局，在许多价格低廉的装备中还保留有定转速定排量的构型。3.1电液动力源基本工作原理表3-1电液动力源基本构型注：表中图示内容，电动机与泵转轴出虚线双向箭头表示双向旋转；电动机上标识两个箭头表示电动机变速动态响应高快，适合全功率范围变转速。根据采用的电动机和液压泵型式不同，电液动力源可以分成表3-1所示的基本构型。在许多应用中，还会存在一台电动机驱动两台泵或两台电动机驱动一台泵的组合构型。3.1.1电液动力源基本构型3.1电液动力源基本工作原理1.定转速电动机驱动定量泵图3-1所示为定转速电动机和定量泵组合作为动力源时系统构型和能耗特性。在早期这种构型广泛应用于工业装备中，电动机一般为普通异步电动机，定量泵可以是齿轮泵、叶片泵、柱塞泵等。

3.1电液动力源基本工作原理1.定转速电动机驱动定量泵

系统中，由于不存在可变量，液压泵始终输出最大流量。工作过程中，执行器不动作时，液压泵输出的流量全部通过溢流阀损失掉，虽然此时可以调低溢流阀设定值，其损失仍然较大；执行器动作时，液压泵输出流量一部分进入执行器，另一部分仍通过溢流阀损失掉，系统能量损失较大。但该系统在工作过程中，电动机和液压泵一般均工作在其额定工况附近，电液动力源自身效率较高。3.1电液动力源基本工作原理2.定转速电动机驱动变量泵系统中，电动机以额定转速工作，液压泵排量适应负载流量需求。工作过程中，执行器不动作时，电动机工作在额定转速附近，液压泵输出部分流量维持控制压力；执行器动作时，液压泵输出流量全部进入执行器，系统中不存在溢流损失，只存在部分节流损失。3.1电液动力源基本工作原理2.定转速电动机驱动变量泵但该系统在工作过程中，电动机一直以额定转速运行，在部分负载和空载工况，电动机效率较低，以37kW变频电动机为例，在空载工况，电动机平均消耗电功率约为3kW。为了满足控制和润滑需求，变量液压泵一般均需要工作压力高于3.5MPa，在执行器不动作时，变量泵工作在最小排量处，系统中存在部分待命损失，并且变量泵大部分时间均工作在较小排量处，液压泵的效率也较低。3.1电液动力源基本工作原理3.变转速电动机驱动定量泵系统中，电动机变转速工作，适应负载流量需求，液压泵工作在额定排量处。工作过程中，执行器不动作时，电动机可以停转，也可以较低转速工作；执行器动作时，调控电机转速即可调控系统流量，液压泵输出流量全部进入执行器，系统中基本不存在溢流损失。3.1电液动力源基本工作原理3.变转速电动机驱动定量泵但该系统在工作过程中，由于常规变频电动机转动惯量较大，在快速加速时，对电网存在较大冲击，甚至会超过3-5倍的额定工作电流；带载启动速度较慢。并且相对于阀控和变量控制而言，电动机动态响应较慢。随着高动态伺服电动机应用，这些问题得以解决。另外，当系统流量需求较小，而压力需求较大时，电动机工作在低速、大扭矩工况，需要附加相对独立的冷却装置，对电动机和液压泵进行降温；当系统流量需求较大，而压力需求较小时，电动机工作在高转速、小扭矩工况，电动机效率较低。目前该类型动力源，是变转速驱动的主流，尤其是在航空航天电静液执行器中应用较多。电动机效率起动电流与转速响应飞机上应用的变转速动力源3.1电液动力源基本工作原理4.变转速电动机驱动变量泵系统中，电动机变转速、液压泵变排量工作，适应负载流量需求。工作过程中，执行器不动作时，电动机可以停转，也可以以较低转速工作，此时液压泵可工作在其最小排量处。执行器动作时，协同控制电动机转速和液压泵排量输出执行器需求的流量，液压泵输出流量全部进入执行器，系统中不存在溢流损失，与图3-3所示动力源相比，增加了泵变量控制损失。3.1电液动力源基本工作原理4.变转速电动机驱动变量泵对于变转速动力源，其电动机可以采用普通变频电动机也可以是伺服电动机。对于变频电动机，其效率随负载的变化而变化，负载越低，效率也越低。一般情况下，异步电动机在负载率为75％以上时效率较高，低于50％效率明显下降，低于30％电机效率显著变坏，因此通过协调电动机转速和液压泵排量，可以提升电动机负载率，从而改善小负载工况下电动机效率低的问题，整个动力源效率都较高。异步电动机效率3.1电液动力源基本工作原理4.变转速电动机驱动变量泵由于该类型电液动力源存在转速和排量两个控制量，两者共同影响输出流量，需要设计协调控制策略。如电动机变转速时，由于电动机转动惯量较大，在快速加速时，对电网存在较大冲击，可以采用高动态的泵变排量控制响应系统流量动态需求，同时使电动机缓慢变转速提升电液动力源整体效率。液压泵效率变频电机动态响应3.1电液动力源基本工作原理长期以来，离散式电动液压动力单元在液压系统中应用最为普遍,其基本结构形态为电动机、液压泵、油箱等独立元件的连接组合。其中，如图3-5所示，电动机与液压泵通过联轴器、连接套、支架等构成电机油泵组,再通过管道、管接头、截止阀与油箱相连。3.1.3电液动力源安装型式及组合3.1电液动力源基本工作原理早在20世纪初国外就出现了将泵和电机一体化的思想。如图3-6所示，电机和液压泵转轴通过花键联接。随后出现了将液压泵集成在电机转子内部的液压电机泵，电机和液压泵共用同一根转轴。随着液压技术的迅速发展,近几年国外出现了将电动机、液压泵、油箱等部件集于一身的集成液压动力站。3.1.3电液动力源安装型式及组合图3-6电动机与液压泵直插连接结构形态应用情况3.1电液动力源基本工作原理3.1.3电液动力源安装型式及组合这种联接方式中,电动机、液压泵在结构上基本没有大的变化。液压泵轴与电动机轴不采用传统的钟罩式联轴器,而是采用直接连接方式,旋转部分不外露。电机轴心和法兰止口采用高精度加工确保了装配的同轴度,较好地解决了液压泵与电动机不同心引起的噪声和振动。电机油泵组与传统的电动机-联轴器-液压泵动力单元相比，省去了联轴器、泵支座、公共底板,具有安装简单、结构紧凑、安全可靠、运转平稳、噪声较低等优点。此种结构只是将液压泵的输入轴插入标准电机轴内,不能避免泵体本身存在的外泄漏,而且电机风扇运转噪声和电磁噪声较离散式结构并未减小。3.1电液动力源基本工作原理3.1.3电液动力源安装型式及组合随着发展，出现了如图3-7所示的将液压泵集成在电动机转子内部的液压电动机泵，电动机和液压泵共用同轴、转子和壳体，结构更加紧凑。同时，电动机由油液冷却，转轴无外伸端，动力单元的振动和噪声均相对较小。但一般更换电动机或液压泵相对困难。图3-7液压电动机泵思考题思考题：（1）变转速变排量系统，理论成本更加昂贵，请结合本书电动机和液压泵相关内容，给出使用变转速变排量系统的优势。（2）单独控制电动机转速或液压泵排量均可以控制动力源输出流量，在变转速变排量系统中，这两个变量应该如何控制？需要注意的点是什么？第三章

电液动力源控制特性泵控液压缸技术目录3.2.1流量控制特性3.2.2压力控制特性3.3变转速变排量控制特性3.3.1流量控制特性3.3.2压力控制特性3.1.1电液动力源基本构型3.1.2不同构型电液动力源的工作原理3.1.3电液动力源连接型式3.2变转速定排量控制特性3.1电液动力源基本工作原理3.4新型电液动力源3.4.1开式电液动力源3.4.2闭式电液动力源3.2变转速定排量控制特性3.2.1流量控制特性变转速电液动力源的输出流量qp由液压泵的排量D、转速n和容积效率ηp决定，即：图3-9为内啮合齿轮泵在不同转速和压力下流量静态特性试验数据[1]，由图可知电液动力源输出流量与转速近似成线性关系，但随负载增大泵输出流量会略有下降。另外，对于大部分液压泵均按额定转速设计，并不适用于变转速驱动，同时还往往存在最小转速限制，如柱塞泵一般最低转速为500r/min（力士乐为变转速电液动力源设计的柱塞泵为200r/min），叶片泵一般为600r/min，齿轮泵一般为500r/min。（3-1）3.2变转速定排量控制特性3.2.1流量控制特性对于电动机和液压泵之间转矩平衡和转矩公式3-2所示。式中：

Te-m为电动机的电磁转矩，Nm；Tm-p为电动机输入泵的转矩，Nm；ηm为电动机机械效率，-；Tf为电动机与泵之间摩擦转矩，Nm；J为电动机和泵及联接件转动惯量，kg·m2；α为电动机角加速度，rad/s2；ω为电动机角速度，rad/s；Bm为粘性阻尼系数，N·m·s/rad；Δp为液压泵吸排油口压差，MPa；D为液压泵排量，mL/r；ηpm为液压泵机械效率，-。由公式3-2可知，对于已经选定的电动机，其额定转矩一定。在额定电流作用下，变转速过程中，电动机转速动态响应受液压泵排量大小、负载压力大小等影响，液压泵排量和负载压力越大，电动机动态响应速度越慢。对于普通变频电动机而言，由于其转动惯量较大，额定电流和额定负载下，从零速起动到额定转速历时1.25s，起动较慢；即使最大电流为额定电流的2倍时，变频电动机起动时间仍需0.29s，难以满足系统对动态流量变化需求，大负载、大电流起动对电源也提出了更高要求。（3-2）3.2变转速定排量控制特性3.2.1流量控制特性为了解决普通变频异步电动机带载起动速度慢、起动电流冲击大的问题，提出了图3-10所示的电液动力源辅助起动原理。该原理，在电液动力源中，增设一个高压液压蓄能器，当电液动力源起动时，将液压蓄能器内高压油引入液压泵吸油口，平衡液压泵负载，此时液压泵B口工作在马达工况，辅助电动机起动。

1-电动机；2-液压泵；3-液压蓄能器；4-电磁开关阀；5-溢流阀；6-比例阀；7-溢流阀；8-单向阀pp为液压泵排油口压力，MPa；pc为液压泵吸油口压力，MPa；ηpmA为液压泵作为泵的机械效率，-；ηpmB为液压泵作为马达的机械效率，-；。如图3-10，电动机带液压泵起动时，蓄能器内高压油进入液压泵油口B，液压泵A口输出高压油。因此可将液压泵抽象为排量均为D的一个液压马达和一个液压泵，其转矩公式如式3-3所示。图3-10

电液动力源辅助起动原理（3-3）3.2变转速定排量控制特性3.2.1流量控制特性根据公式3-2和公式3-3，可计算得起动时液压泵吸油口压力pc与系统加速度变化的关系，如公式3-4所示。以额定功率37kW变频电动机驱动额定排量为45mL/r的液压泵电液动力源为例，根据变频电动机参数和恒转矩起动原理可知，在额定电流作用下，电动机最大起动转矩为230Nm，则可计算得液压泵吸油口压力为9

MPa、排油口压力为0

MPa时，液压泵作为马达效率假设为90%，与液压泵吸排油口压力均为零时相比，则加速度可以增加90.2rad/s。而液压泵吸油口压力为0MPa、排油口压力为9MPa时，与液压泵吸排油口压力均为零时相比，则加速度会减小102.1rad/s。（3-4）3.2变转速定排量控制特性3.2.1流量控制特性图3-11为变频电动机额定功率为37kW，最大起动电流为80A，液压泵额定排量为45mL/r，设置液压泵分别设置蓄能器压力为18MPa、15MPa、9

MPa，液压泵排油口压力分别为0

MPa、6

MPa和9

MPa液压泵的流量试验数据[2]。对于伺服电动机驱动液压泵而言，伺服电动机惯性小，动态响应速度快，即使是带额定负载起动速度仍然可以控制在100ms左右，与变排量液压泵动态响应基本一致，可参考本书电动机和液压泵相关内容。当液压泵吸、排油口压力均为0MPa时，变频电动机从0

rpm

加速到1440rpm历时0.42s，平均起动加速度约为367.4rad/s；液压泵吸油口压力为0MPa、排油口压力为9MPa时，平均起动加速度约为253.5rad/s，与吸排油口压力均为0

MPa相比，加速度减小31.0%；液压泵吸油口压力为9MPa、排油口压力为9MPa时，平均起动加速度约为320.0rad/s，与吸排油口压力均为0

MPa相比，加速度减小12.9%；液压泵吸油口压力为9MPa、排油口压力为0MPa时，平均起动加速度约为460.6rad/s。图3-11蓄能器辅助起动系统的液压泵流量响应曲线3.2变转速定排量控制特性3.2.2压力控制特性由于常规异步电动机动态响应速度较慢，在变转速动力源中，难以直接用于压力控制。本书不进行描述。与变频电动机相比，伺服电动机具有更快的响应速度、更高的控制精度和更好的响应特性，理论上可以用于压力控制。但一般情况下，电液动力源压力控制需要增加压力反馈，在变转速定排量电液动力源中，一般是需要增加压力传感器。图3-12所示为采用压力反馈电液动力源压力控制原理框图。如图3-13所示，压力阶跃从4MPa升到12MPa历时约0.08s，从12MPa下降到4MPa历时约0.044s，阶跃下降时间远小于上升时间，这主要是因为压力阶跃上升依赖电动机的动态响应性能，随着负载加大，电动机动态响应速度变慢，另外随着误差值的减小，控制器的作用也在减小；压力阶跃下降时，系统压力为电动机制动提供能量，压力阶跃下降时间较快。3.2变转速定排量控制特性3.2.2压力控制特性图3-14为变转速压力反馈电液动力源压力控制实测负载扰动阶跃响应特性[1]。如图3-14所示，系统的初始压力为16MPa，负载流量为16L/min，负载容腔体积为4L，扰动量负载流量首先从16L/min降为零，再由零上升为16L/min。负载流量的改变引起伺服电动机转速的变化，由于初始工作点电动机带有压力负载，使伺服电动机的加速能力明显低于对给定值阶跃响应时的情况，系统压力在两个方向都有较大的超调，都需要500ms的响应时间压力才能回到原始设定值。图3-14变转速压力反馈电液动力源压力控制实测负载扰动阶跃响应特性3.2变转速定排量控制特性3.2.2压力控制特性常规液压泵压力控制过程中，由于流量不可预知，液压泵排量快速变化以保持出口压力恒定。在单纯变转速电液动力源中，由于电动机转速动态响应较慢和控制流量未知，通过控制转速对压力进行控制动态响应相对较慢，同时控制器参数也对控制性能影响非常大。若不考虑液压泵效率影响，液压泵输入转矩与负载压力和其排量成正比，在电液动力源中，如果液压泵排量一定，则控制电动机的输出转矩即可实现动力源的输出压力控制。因此，在电液动力源排量已知情况下，可以将动力源的压力控制归一到电动机的转矩控制上。为了验证通过转矩控制液压泵输出压力的可行性，设计了图3-15所示的基于转矩控制的伺服恒压电液动力源试验测试系统[3]。图3-15基于转矩控制的恒压电液动力源系统中，伺服电动机额定功率为15kW，额定转矩为72Nm，定排量液压泵为力士乐双排量控制液压泵，额定排量为45mL/r，系统采用额定流量为100L/min的比例阀进行加载。3.2变转速定排量控制特性3.2.2压力控制特性试验中，首先关闭比例阀，调定溢流阀开启压力为10MPa，分别设定转矩为55Nm、60Nm、65Nm和70Nm，获得了图3-16所示为只控制电动机转矩无流量输出压力控制特性曲线。如图3-16所示，给定电动机驱动控制器转矩控制信号后，电动机迅速开始动作，由于无流量输出，压力迅速开始建立，由于泵出口容腔体积和泄漏流量都较小，在开始响应阶段存在大的超调。如图3-16（a），当转矩分别设定为55Nm、60Nm、65Nm和70Nm时，压力响应的稳态值分别为5.81MPa、6.35MPa、6.91MPa和7.46MPa。如图3-16（b），设定压力为70Nm时，历时0.05s泵出口压力达到设定值，动态响应非常快；当电动机转矩控制信号从70Nm设置为0Nm时，电动机反向转动对泵出口容腔进行泄压，历时0.038s泵出口压力达到0MPa，压力下降速度非常快。（a）不同控制转矩与压力响应（b）70Nm控制转矩泵的压力响应

图3-16无流量工况直接转矩控制压力特性3.2变转速定排量控制特性3.2.2压力控制特性（a）流量为18L/min（b）流量为28.4L/min如图3-17（a），在0.18s给定转矩控制信号，伺服电动机快速起动，转速约为400r/min，液压泵输出的流量约为18L/min，历时0.047s泵出口压力达到设定值，动态响应非常快。如图3-17（b），在0.22s给定转矩控制信号，伺服电动机快速起动，转速约为630r/min，液压泵输出的流量约为28.4L/min，历时0.051s泵出口压力达到设定值，动态响应非常快。图3-17带流量输出压力响应图3-17为只控制电动机转矩获得的流量输出分别为18L/min和28.4L/min时，液压泵出口压力控制特性。试验中，使比例阀开启一定开度，调定溢流阀开启压力为10MPa，设定转矩为70Nm。3.2变转速定排量控制特性3.2.2压力控制特性图3-18所示为不同设定转矩、不同比例阀开度下液压泵输出压力与设定转矩的关系。图3-18

不同流量工况压力阶跃响应特性由图3-18所示数据可知，固定阀口开度情况下，泵输出压力与设定转矩近似成线性关系。相同设定转矩下，阀口开度增大，液压泵输出压力减小，从系统层面而言，改变阀口开度主要变化量是泵的转速，也即随着泵转速大范围增大，实际压力与理论计算压力的差值增大。3.2变转速定排量控制特性3.2.2压力控制特性为此，设计了图3-19所示补偿策略，实现无压力传感器反馈下定排量电液动力源的压力输出控制[3]。图3-21所示，为压力设定为8MPa时，四种阀口开度下，电液动力源输出压力阶跃响应特性。图3-19

基于转速反馈补偿压力控制策略图3-20

液压泵输出压力阶跃特性如图3-20所示，压力设定8MPa，设定阀口开度分别为中位、10%、20%、50%，实际压力分别为7.5MPa、8.0MPa、7.9MPa、7.5MPa，大幅降低了转速对控制压力的影响。思考题思考题：（1）单独控制电动机转速或液压泵排量均可以控制动力源输出流量，在变转速变排量系统中，这两个变量应该如何控制？需要注意的点是什么？（2）对比考虑变转速定量泵系统和变转速变排量泵系统两者系统设计时泵需要考虑什么问题？第三章

电液动力源控制特性泵控液压缸技术目录3.2.1流量控制特性3.2.2压力控制特性3.3变转速变排量控制特性3.3.1流量控制特性3.3.2压力控制特性3.1.1电液动力源基本构型3.1.2不同构型电液动力源的工作原理3.1.3电液动力源连接型式3.2变转速定排量控制特性3.1电液动力源基本工作原理3.4新型电液动力源3.4.1开式电液动力源3.4.2闭式电液动力源3.3变转速变排量控制特性3.3.1流量控制特性电液动力源的输出流量由泵的排量和转速决定，对于某一电液动力源，输出设定的流量可以有无数种液压泵的排量和转速匹配方案，如图3-21所示。这也是变转速和变排量电液动力源控制中最难实现的环节。忽略液压泵容积效率，对公式3-1两边求导可得公式3-5。图3-21电液动力源液压泵的排量和转速匹配方案式中：qp为液压泵输出流量，L/min；n为电动机转速，r/min。(3-1)(3-5)3.3变转速变排量控制特性3.3.1流量控制特性结合电机扭矩平衡公式，忽略摩擦转矩和黏性阻尼系数，不考虑效率损耗，可得电动机角加速度：则有电动机角速度为：液压泵排量为：根据角速度与转速的关系：ω=2πn由于液压泵动态响应较快，假设液压泵出口压力不变，变量时，液压泵排量与时间成正比例关系，则公式3-7可以表示为式3-8。(3-6)(3-2)(3-7)(3-8)3.3变转速变排量控制特性3.3.1流量控制特性给定流量设定q1，假设泵排量和转速分别设定为D1和n2，在t0-t1时间内，液压泵排量从0升到D1达到，电动机转速从n0升到n1；在t1-t2时间内，液压泵排量维持设定排量D1，电动机转速从n1升到n2；如图3-22所示为电液动力源动态响应示意。图3-22电液动力源动态响应示意图假设一开始泵排量为零，在t0-t1时间内，液压泵达到其设定排量，历时可以表示为公式3-9。假设系统压力不变，在t0-t1时间内，电动机转速变化可按公式3-10计算。式中，p为液压泵进出口压力差（MPa）(3-9)(3-10)3.3变转速变排量控制特性3.3.1流量控制特性在t1-t2时间内，液压泵排量维持设定的排量，电动机转速变化可按公式3-11计算。联立公式3-9—公式3-11，可以求得给定流量与设定转速和排量与时间的关系。

（3-11）

（3-12）3.3变转速变排量控制特性3.3.1流量控制特性

（3-12）根据公式3-12可知，当液压泵排量动态响应速度比电动机转速响应更快时，设置的液压泵排量越大，电液动力源动态响应速度越快。变转速电液动力源在变转速时，如果液压泵的排量和负载压力均变化，对于电动机而言，电动机的负载也随之变化，则在恒转矩起动下电动机的起动角加速度也随之变化。根据液压泵变排量原理，压力对其变量过程影响较大，而转速对其影响较小，但转速越高，其流量越大，随之压力升高速度也越快。根据电动机动态响应特性，变频电动机动态响应较慢，远低于液压泵动态响应速度，因此在变频电液动力源中应尽量避免电动机频繁变转速，可以在流量需求变化时，首先改变液压泵排量匹配流量需求，当液压泵达到最大排量时流量仍然不足时再改变电动机转速；而伺服电动机动态响应速度与变量泵比较接近，在控制过程中，可以通过同时调整电动机转速和液压泵排量实现流量匹配。3.3变转速变排量控制特性3.3.1流量控制特性以37kW变频电动机驱动71mL/r变量液压泵为例，为了满足流量需求，将电动机转速计算分为两个模块，并取两者之间大值，第一个模块是根据电液动力源效率谱优选出在当前负载功率下效率最高的电液动力源转速和排量值，作为电动机转速信号nset1，根据所需的流量需求，根据液压泵最大排量可以计算出需要的最小液压泵转速nset2，将两个转速值进行比较取大获得转速设定值。

图3-23控制策略为了使动力源转速对流量微小突变和控制信号干扰不敏感，对计算出的转速控制值进行处理，将其阶跃信号处理成斜坡信号，获得电动机转速设定值nset；根据计算出的电动机转速值计算出当前流量需求下液压泵的排量控制值Dset；如图3-23所示为变频电动机变排量电液动力源流量控制思想[4]。3.3变转速变排量控制特性3.3.1流量控制特性如图3-24所示，1.9s-9.5s时间内，流量需求为30L/min，纯变排量系统，电动机转速为1500rpm，在1.9s时液压泵排量为从0mL/r增加到20.1mL/r，历时0.18s。此时，变转速变排量系统，变频电动机从300rpm上升到600rpm，液压泵排量从0mL/r增加到51.2mL/r，历时0.15s。即在相同的流量需求下，采用变转速变排量方式，电液动力源流量动态响应与单纯采用变排量响应基本一致。

图3-24变频电动机驱动变排量泵动态响应流量需求与泵实际排量实际流量响应3.3变转速变排量控制特性3.3.2压力控制特性要实现变转速变排量电液动力源压力控制，好的方案是采用变转速电动机驱动恒压变量泵控制系统压力和流量。控制中，变转速恒压电液动力源具有流量控制功能和压力控制功能。流量控制时，可以将恒压泵压力控制值设置为系统允许的最大压力，保证工作过程中只需控制电动机转速即可控制系统输出流量；压力控制时，主要通过恒压泵直驱制系统压力，电动机转速可以用以匹配系统功率并降低噪声。图3-25转速对恒压泵压力响应的影响恒压控制过程中，电动机转速越高，压力变化速率越快。为了验证转速大小对恒压泵压力响应的影响，对不同转速下，恒压泵压力响应进行了试验测试，获得了图3-25所示结果[5]。如图3-25所示，泵的转速越高，压力动态响应越快，但超调量越大。液压泵转速为1500rpm时，液压泵压力达到设定值的95%历时约0.167s，在1200rpm和600rpm时历时分别为0.168s和0.247s。在1500rpm、1200rpm和600rpm时，压力超调量分别为3.78MPa、3.16MPa和2.02MPa，超调量与转速成正比关系。3.3变转速变排量控制特性3.3.2压力控制特性在恒压控制时，为了使液压泵处于恒压工作工况，需要保证液压泵未达到最大排量，这就需要检测液压泵排量或系统输出流量，在液压泵接近其最大排量时，系统自动增大电动机转速。在液压泵排量低于某一限值时，系统自动降低电动机转速，从而保证液压泵工作在恒压工况。泵控液压缸技术泵控液压缸技术补油系统关键元件及其特性44.1.1补油系统功能补油系统，是协调、匹配泵直驱液压缸技术非驱动腔压力和流量的关键部件，其在很大程度上影响了泵直驱液压缸技术控制的可靠性、散热性能。补油系统补油系统功能及特性第1节主要功能：（1）通过单向阀或单向溢流阀向系统低压腔补油，补充系统液压油的泄漏；（2）在系统的低压腔建立起一定的压力，改善主泵进油口的吸入性能，防止系统工作时气蚀现象的发生；（3）通过补入凉油置换系统内的热油，对系统进行冷却；（4）作为泵、马达变量控制机构、制动器控制机构等的先导控制油源。4.1.2补油系统类型（a）液控单向阀平衡回路补油系统功能及特性第1节补油系统的回路可以根据所采用的油源形式、辅助阀及辅助阀控制方式的不同进行区分：（1）油源主要有两种形式，称为带压油箱或蓄能器的油源和补油泵、溢流阀、蓄能器等小型供油系统；（2）辅助阀主要有液控单向阀、三位三通阀和、二位二通阀等；（3）辅助阀的控制方式有直接以压力信号作为控制信号，或者由控制器根据所采集的压力信号控制辅助阀的启闭（b）液控三位三通阀平衡回路（c）电控二位二通阀平衡回路（d）电控三位三通阀平衡回路4.1.3补油系统对系统运行特性影响补油系统功能及特性第1节（1）泵直驱的液压系统中的补油系统往往被独立出来而成为集中补油系统。系统除用于补充油液泄漏、降低油温以外，还作为泵和马达排量控制机构、制动器等的先导油源。蓄能器可实现液压缸的不对称流量的平衡；增加补油系统压力，可改善液压缸刚度和动态特性；补油泵排量过小导致系统无法正常工作；补油泵排量过大、补油流量过多导致功率损耗。（2）补油系统工作时，由于泵和马达的机械效率和容积效率的存在，系统功率损失的部分都将会通过不同的方式转化为系统的发热，且液压系统长期工作使用后液压元件会产生磨损，这会造成泵和马达的容积效率下降，进而导致液压系统的泄漏量以及发热功率增大。（3）以4000t级履带起重机的泵直驱单出杆液压系统的补油系统为例。恒压恒排量，增大转速，系统液压油需求量增大，系统所需最小匹配补油泵排量逐渐减小。转速、工作压力以及主泵排量会导致系统泄漏量与油温不同，导致不同补油系统的最小匹配排量不同。谢谢太原理工大学机电装备节能与智能控制技术团队泵控液压缸技术泵控液压缸技术补油系统关键元件及其特性44.2.1液控单向阀开关状态分析液控单向阀流量平衡回路性能分析第2节液控单向阀流量平衡回路基本原理是通过两个液控单向阀C1、C2根据差动缸两腔压力信息，控制油源与液压缸两侧回路的连通状态来平衡差动缸进出口的差异流量。两个液控单向阀开关状态除了油源同时仅有一腔连通，还存在着同时开启（油源同时与两腔相通）和同时关闭（油源同时与两腔不相通）的情况。通过仿真，观察斗杆在摆动过程中，液控单向阀C1、C2开关状态的变化以及对系统性能的影响。液控单向阀平衡回路4.2.2液控单向阀流量平衡回路仿真分析液控单向阀流量平衡回路性能分析第2节忽略系统元件泄漏、管道损失等因素，假定油源压力不变。仿真模型、主要仿真参数如下液压缸运行过程中保持泵转速不变，观察液压缸活塞杆逐渐伸出的过程，系统主要参数的变化。结合阀C1、C2的开关状态，仿真结果如下：名称及符号数值名称及符号数值活塞直径D95mm油源压力pc1MPa活塞杆直径d60mm单向阀开启压力pcr0.3MPa液压缸行程L1160mm油源弹性模量βe700MPa折算质量M1000kg粘性摩擦系数Vc1000N/(m/s)4.2.3液控单向阀流量平衡回路性能特点及改进液控单向阀流量平衡回路性能分析第2节两个液控单向阀在进行正常的两种开关状态（指C1开启、C2关闭和C1关闭、C2开启）的切换过程中，会经历多种开关状态，油源与液压缸两腔的连通状态也多次改变。液压缸伸出的过程中，两液控单向阀C1、C2的开关状态的变化过程表现在图（a）中。此过程会引起压力突变，速度振荡等现象，因此应尽量减少两种正常开关状态切换之间其他的状态变化，使切换过程平稳。此外，在两种正常开关状态切换的前后，由于变化前后决定差动缸速度的有效作用面积发生变化，为使变化前后速度相同，应及时调整泵的输出流量。

回路中液控单向阀开启方式的变化（压差作用或先导作用）会造成两腔压力发生突变，引起液压缸速度发生振荡现象。为减小这种变化的影响，使单向阀开启pcr越小越好，考虑理想情况，此时两阀的开关状态如图（b）。图（a）图（b）谢谢太原理工大学机电装备节能与智能控制技术团队泵控液压缸技术泵控液压缸技术补油系统关键元件及其特性44.3.1液控换向阀流量平衡回路工作状态分析液控换向阀流量平衡回路性能分析第3节（a）p2-p1>pcr，v>0（b）p1-p2>pcr

，v>0（c）p2-p1>pcr

，v<0（d）p1-p2>pcr

，v<0

根据对液控换向阀原理的分析，得出a区域和c区域回路的四种工作状态。当p1-p2>pcr时，换向阀下位接通：活塞伸出，油源向有杆腔一侧补充所需油液，如图（b）；活塞退回，油源吸收泵输出的多余流量，如图（d）。此时液压缸的速度v由泵的输出流量q和无杆腔有效面积A1确定，v=q/A1。当p2-p1>pcr时，换向阀上位接通：活塞伸出，油源向无杆腔一侧补充所需油液，如图（a）；活塞退回，油源吸收无杆腔输出的多余流量，如图（c）。此时液压缸的速度v由泵的输出流量q和有杆腔有效面积A2确定，v=q/A2。当|p1-p2|<pcr时，油源与液压缸两腔的连通状态处于图4-11中的c区域。液控换向阀流量平衡回路仿真分析液控换向阀流量平衡回路性能分析第3节AMESim中液控换向阀流量平衡回路仿真模型4.3.2由仿真结果可知，随着活塞逐渐缩回，振荡现象随着外负载力的变化出现逐渐减小的趋势，并在在某一时刻稳定下来，当p2-p1>pcr时，换向阀上位接通，油源与无杆腔一侧相通，若发生振荡现象后，外负载力不变，则振荡将持续下去。4.3.3液控换向阀流量平衡回路性能特点及改进液控换向阀流量平衡回路性能分析第3节通过对液控换向阀流量平衡回路的工作状态及仿真分析，总结回路性能特点及改进方向如下：（1）为了避免空化现象，通常要在回路中并联两个单向阀，防止回路中压力过低，或者使用正开口型式的换向阀，使阀芯处于中间位置时，油源与液压缸两腔同时连通，可以利用阀口的阻尼作用，减轻振荡现象。（2）油源与液压缸一腔连通变化到与另一腔连通前后，由于有效作用面积发生变化，造成液压缸速度发生变化。为使变化前后液压缸速度相同，应及时调整泵的流量。（3）与液控单向阀流量平衡回路类似，速度的变化或外负载的变化都会引起两腔压力的变化，当两腔压力变化改变了阀芯的位置后，油源与液压缸两侧回路的连通状态发生变化，又会造成速度的变化。某些工况下，在阀芯位置和惯性力、摩擦力等的相互作用下，系统出现振荡现象。（4）当两腔压力在|p1-p2|<pcr的过渡区域附近时，此时外负载力较小，油源与液压缸两腔的连接状态最易发生改变，为振荡现象易发生的区域，且负载质量越大，振荡现象越严重。减小pcr既减小c区域的面积，可以缩小易发生振荡现象的范围。4.3.4辅助阀流量平衡回路振荡现象分析及改进方向液控换向阀流量平衡回路性能分析第3节通过以上分析总结，液控单向阀和液控换向阀流量平衡回路适合运用在负载变化小，且方向不变的工况下，而斗杆液压缸外负载力大小和方向均会随着活塞位移变化，并且一般要求负载对速度的影响越小越好。下面对两者都存在的问题进行总结分析。通过对液控单向阀和液控换向阀流量平衡回路的性能分析，发现两者在一定的工况下都存在着振荡现象，这种现象几乎存在于所有的辅助阀流量平衡回路中，在一定程度上限制着泵控差动缸系统的性能及应用。在采用辅助阀平衡泵控差动缸流量的回路中，辅助阀的作用是根据液压缸两腔的压力信息控制油源与两腔的连通状态，当两腔压力的变化改变了辅助阀的工作状态时，由于液压缸两腔有效作用面积不同，会造成液压缸速度发生变化，速度变化引起惯性力、摩擦力等的变化，这些变化又将体现到两腔压力上，引起辅助阀工作状态的再次改变，造成系统振荡现象的发生。振荡现象的表现形式包括辅助阀阀芯位移、两腔压力、液压缸速度、液压缸位移的振荡等，导致泵失去了对液压缸的控制，降低系统的性能。4.3.4辅助阀流量平衡回路振荡现象分析及改进方向液控换向阀流量平衡回路性能分析第3节液压缸两腔压力和所受到的外负载力、惯性力以及摩擦力有关，结合对液控单向阀和液控换向阀流量平衡回路的分析，总结发生振荡现象的原因及改进方法如下：（1）外负载力的变化。液压缸所受外负载力的大小和方向变化，液压缸两腔压力也随之变化，当辅助阀根据压力信息改变油源与液压缸两腔的连通状态时，速度发生变化，系统出现振荡现象。因此当油源与一腔连通切换到与另一腔连通前后，为减小由于有效作用面积的改变而导致的液压缸速度变化，应及时调整泵的输出流量，使切换前后速度相同。此外，还需要考虑切换的过程，减少不必要的连通状态，使切换过程迅速平稳。（2）速度的变化。速度变化会引起加速度变化，惯性力、摩擦力等随之变化，液压缸两腔压力也随之变化，当压力变化到使辅助阀根据压力信息改变油源与两腔的连通状态时，就可能发生振荡现象。由于速度变化较大，使惯性力发生较大变化，从而引起振荡现象。因此需要通过限制速度来限制两腔压力变化，减小惯性力、摩擦力等的变化，从而减轻振荡现象。谢谢太原理工大学机电装备节能与智能控制技术团队泵控液压缸技术太原理工大学机电装备节能与智能控制技术团队泵控液压缸技术液压缸55.1液压缸分类及特点1.1液压缸原理—应用领域液压缸原理及分类第1节模拟器压机试验机冶金机械航空航天国防装备1.1液压缸原理液压缸主要包括活塞、活塞杆、缸体、端盖等。根据支撑形式、供油方向与结构形式等，液压缸类型有很多，按照供油方式可分为单作用液压缸与双作用液压缸。单作用液压缸特点是仅有一个油腔与动力源连接，液压缸在动力源压力油作用下仅可伸出或缩回，而反方向运动则需通过弹簧或者外部负载力使活塞运动。双作用液压缸的油腔均与动力源连接，在液压油作用下活塞杆可双向运动，伸出和缩回均可靠油液压力实现。液压缸原理及分类第1节液压缸结构原理1.1液压缸原理液压缸主要包括活塞、活塞杆、缸体、端盖等。根据支撑形式、供油方向与结构形式等，液压缸类型有很多，按照供油方式可分为单作用液压缸与双作用液压缸。单作用液压缸特点是仅有一个油腔与动力源连接，液压缸在动力源压力油作用下仅可伸出或缩回，而反方向运动则需通过弹簧或者外部负载力使活塞运动。双作用液压缸的油腔均与动力源连接，在液压油作用下活塞杆可双向运动，伸出和缩回均可靠油液压力实现。液压缸原理及分类第1节双作用液压缸工作原理1.2单出杆液压缸单出杆液压缸一端有活塞缸伸出，两腔有效作用面积不相等，在输出相同流量时，液压缸伸出与缩回的运动速度不同，且相同压力作用于不同油腔时，两个方向的输出力不同。液压缸原理及分类第1节活塞杆伸出时的输出力活塞杆缩回时的输出力AA—单出杆液压缸无杆腔面积AB—为单出杆液压缸有杆腔面积pA—单出杆液压缸无杆腔压力pB—单出杆液压缸有杆腔压力D—液压缸活塞直d—液压缸活塞杆直径ηm—为液压缸机械效率

1.2单出杆液压缸单出杆液压缸输入相同流量时，活塞杆伸出与缩回速度与活塞面积和活塞杆面积有关，两者面积差越大，液压缸活塞杆伸出与缩回时的速度差值越大。由于活塞面积始终大于活塞杆面积，单出杆液压缸活塞杆伸出速度始终小于缩回速度。液压缸原理及分类第1节单出杆液压缸伸出与缩回速度ve与vr分别为q—输入液压缸的流量

ηc—液压缸容积效率φ=vr/ve通常称为单出杆液压缸的往返速度比φ1.061.121.251.401.602.002.505.00d/D0.250.320.450.550.630.700.800.90表1液压缸速度比标准1.3双出杆液压缸双出杆液压缸的两个活塞杆安装于活塞两侧，活塞杆在两侧油液作用下可双向伸出或缩回。双出杆液压缸两端活塞杆直径相同，因此两腔等效作用面积相同，活塞移动过程中，双出杆液压缸两腔油液流量相同。液压缸原理及分类第1节双出杆液压缸结构原理双出杆液压缸两腔输入相同的流量和压力时，双出杆液压缸两端活塞杆输出力与速度相同。A—双出杆液压缸有效作用面积pA—双出杆液压缸左腔压力pB—双出杆液压缸右腔压力D—液压缸活塞直d—液压缸活塞杆直径ηm—为液压缸机械效率q—输入液压缸的流量

ηc—液压缸容积效率输出力速度1.4对称单出杆液压缸对称单杆液压缸的活塞与缸体、柱塞杆与中空活塞杆等配合将液压缸划分为3个容腔，分别为容腔A、容腔B与容腔C。为实现液压泵流量与对称单出杆液压缸流量相匹配，容腔A与容腔B的有效面积被设计为相等。液压缸原理及分类第1节对称单出杆液压缸结构原理对称单出杆液压缸与双出杆液压缸作用机理基本相似，当分别向对称单出杆液压缸输入相同的流量和压力时，对称杆液压缸伸出与缩回过程所受输出力与运行速度相同。对称单出杆液压缸驱动原理1.5多腔液压缸多腔液压缸主要包括缸体、活塞、中空活塞杆、柱塞杆等，柱塞杆与缸体之间形成容腔A，中空活塞杆与缸体之间形成容腔B、与缸体端部形成容腔C、与柱塞杆之间形成容腔D。液压油压力作用于多腔液压缸的容腔A和容腔C，输出力使活塞杆伸出，作用于多腔液压缸的容腔B和容腔D，输出力使活塞杆缩回。液压缸原理及分类第1节多腔液压缸结构原理多腔液压缸的输出力方程容腔C有效作用面积