泵控液压缸技术 课件 第10章非对称泵控单出杆液压缸系统

泵控液压缸技术泵控液压缸技术非对称泵直驱单出杆液压缸系统101.1传统柱塞泵配流系统对称泵控对称缸非对称轴向柱塞泵第1节轴向柱塞泵工作时，柱塞在缸体内作伸缩运动，柱塞伸出，在缸体内形成局部真空，液压油在大气压作用下通过配流盘吸油窗口流入缸体内；柱塞缩回，通过排油窗口将缸体油腔内液压油压出，完成一次吸油和排油。对称液压缸由于两腔面积相同，运行过程中两腔的流量相同。在不考虑内泄的条件下，无论哪一个油腔作为排油腔，输出流量都一致，可用于控制液压马达和对称液压缸的运动。对称柱塞泵配流盘原理及照片1.1传统柱塞泵配流系统对称泵控单出杆液压缸非对称轴向柱塞泵第1节左图所示为采用单向阀补偿液压缸面积差的对称泵控制非对称液压缸原理。图中，同服电动机驱动定排量闭式泵，泵两个油口与液压缸直接相连通过控制电动机的转速即可实现液压缸速度的控制。系统中，为了补偿非对称液压缸两腔不平衡流量，需要设置大流量的流量平衡系统，由定量泵、辅助补油蓄能器和溢流阀组成，通过液控单向阀使流量平衡系统与主油路低压腔交换油液，溢流阀设定较小的压力，工作过程中，系统高压腔打开低压腔联接的单向阀，系统中多余和缺少的油液通过该单向阀补充。1.2串联型非对称柱塞泵非对称轴向柱塞泵第1节串联型非对泵控单出杆液压缸原理配流窗口C连接单出杆液压缸无杆腔；串联布置的两个配流窗口，A口连接单出杆液压缸有杆腔，B口连接到低压油箱，通过改变这两个配流窗口配流角度范围，匹配单出杆液压缸面积比。油口A和B吸油、油口C排油，C口压力油驱动液压缸活塞杆伸出；油口C吸油、油口A和B排油，A口压力油驱动活塞杆收回，B口将多余的油排回低压油箱，同时进行热交换。只用一台泵，无需辅助补油装置，实现对单出杆液压缸的控制。串联型非对泵配流盘原理及照片1.2串联型非对称柱塞泵非对称轴向柱塞泵第1节配流窗口面积变化过程a.进入三角槽b.弓形窗口增大c.线性增大d.面积最大e.线性减小f.弓形减小配流面积随转角的变化关系柱塞的配流面积变化基本有缓慢增长、线性增长、恒定和线性减小四个阶段。由于在A口到B口之间增加了过渡区，所以A口和B口配流面积的和要小于C口的面积。1.2串联型非对称柱塞泵非对称轴向柱塞泵第1节非对称柱塞泵样机照片a.缸体模型b.配流盘模型C.泵后盖模型非对称泵主要组成元件三维模型串联型非对称泵配流盘1.2串联型非对称柱塞泵非对称轴向柱塞泵第1节非对称柱塞泵性能测试系统原理非对称柱塞泵性能测试系统照片1.2串联型非对称柱塞泵-容积效率非对称轴向柱塞泵第1节流量与容积效率换算表压力（MPa）空载5101521

流量L·min-1油口A31.33130.530.129.7油口B36.53635.434.934.5油口C6766.565.865.264.7容积效率

％油口A／99.097.496.294.9油口B／98.69795.694.5油口C／99.398.297.396.6配流盘的改造基本不影响泵的容积效率，泵3个油口的容积效率在21MPa范围内都大于94.5%，和现有同排量的两配流窗口泵相当。1.2串联型非对称柱塞泵-压力特性非对称轴向柱塞泵第1节不同转速下油口A压力特性不同转速下油口B口压力特性不同转速下油口A和油口B压力特性泵转速分别为500rpm和1500rpm，采用溢流阀对油口加载。油口A先加载0、5、10、15、21MPa，油口A压力保持不动，油口B再加载0、5、10、15、21MPa，然后油口A和油口B同时在21、15、10、5、0MPa进行测量。1.2串联型非对称柱塞泵-噪声特性非对称轴向柱塞泵第1节一进二出工况泵的噪声特性二进一出工况泵的噪声特性如左图所示，双出油口工作时，当油口B的压力值为0，泵的噪声随油口A压力增大缓慢增大；当油口A压力设定为21MPa不变，改变油口B的压力值，对泵的噪声影响不大，噪声始终最大，噪声级别也最高；同时改变油口A和B的压力值，压力低时噪声低，压力高时噪声也增高，压力超过5MPa后基本不再增大。泵噪声受系统压力变化的影响不是很大。如右图所示，单出油口工作时，随着转速的降低，泵的噪声明显减小，总的趋势是随压力的增大噪声也增大，这也和压力脉动的测试结果相吻合。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非对称泵直驱单出杆液压缸系统101.3并联型非对称柱塞泵非对称轴向柱塞泵第1节并联型非对泵控单出杆液压缸原理将轴向柱塞泵的配流盘重新设计成两个独立的窗口A和B，因这两个配流窗口平行布置，故称为并联方式；油口C连接单出杆液压缸无杆腔，油口A、B分别连接单出杆液压缸有杆腔和低压油箱（或蓄能器），调整柱塞分别与油口A、B连通的数量，或者调整柱塞的直径，就可以调整从油口A和油口B排出的流量与单出杆液压缸面积比匹配，通过改变泵的排量或转速就可闭环驱动单出杆液压缸运动。并联型非对泵配流盘原理及照片1.3并联型非对称柱塞泵非对称轴向柱塞泵第1节配流窗口面积变化过程a.进入三角槽b.弓形窗口增大c.线性增大d.面积最大e.线性减小f.弓形减小配流面积随转角的变化关系柱塞经过三角槽配流面积很小，随着柱塞转动，逐渐进入弓形区域和面积线性增大区域，配流面积达到最大后保持一定角度再逐渐减小。同一时刻，每一柱塞只能与一个配流窗口连通。g.退出三角槽1.3并联型非对称柱塞泵非对称轴向柱塞泵第1节非对称柱塞泵样机照片b.配流盘模型C.泵后盖模型非对称泵主要组成元件三维模型a.缸体模型1.3并联型非对称柱塞泵非对称轴向柱塞泵第1节非对称柱塞泵性能测试系统原理非对称柱塞泵性能测试系统照片1.3并联型非对称柱塞泵-容积效率非对称轴向柱塞泵第1节流量与容积效率换算表配流盘的改造基本不影响泵的容积效率，泵3个油口的容积效率在21MPa范围内都大于95%；油口A、油口B的流量非常接近，随压力增加流量变化规律基本一致。压力（MPa）空载5101521

流量L·min-1油口A29.12928.628.227.9油口B30.430.329.929.529.2油口C60.560.259.558.858.2容积效率

％油口A／99.798.396.995.9油口B／99.798.49796.1油口C／99.598.397.296.21.3并联型非对称柱塞泵-压力特性非对称轴向柱塞泵第1节不同转速下油口A压力特性不同转速下油口B口压力特性不同转速下油口A和油口B压力特性泵转速分别为500rpm和1500rpm，采用溢流阀对油口加载。油口A先加载0、5、10、15、21MPa，油口A压力保持不动，油口B再加载0、5、10、15、21MPa，然后油口A和油口B同时在21、15、10、5、0MPa进行测量。1.2串联型非对称柱塞泵-噪声特性非对称轴向柱塞泵第1节一进二出工况泵的噪声特性二进一出工况泵的噪声特性如左图所示，双出油口工作时，当油口B的压力值为0，泵的噪声随油口A压力增大缓慢增大；当油口A压力设定为21MPa不变，改变油口B的压力值，对泵的噪声影响不大，噪声始终最大，噪声级别也最高；同时改变油口A和B的压力值，压力低时噪声低，压力高时噪声也增高，压力超过5MPa后基本不再增大。泵噪声受系统压力变化的影响不是很大。如右图所示，单出油口工作时，随着转速的降低，泵的噪声明显减小，总的趋势是随压力的增大噪声也增大，这也和压力脉动的测试结果相吻合。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非对称泵控单出杆液压缸系统1010.4变转速非对称泵控单出杆液压缸系统4.1系统控制原理第4节非对称泵控单出杆液压缸系统控制原理框图变转速非对称泵控单出杆液压缸系统4.2系统测试原理及方法第4节非对称泵控单出杆液压缸系统测试回路原理变转速非对称泵控单出杆液压缸系统1—变转速电动机2—非对称轴向柱塞泵3,16,17—压力传感器4—蓄能器5,13,14—压力表6,7—单向阀8—补油泵9—定转速电动机10—过滤器11,12,15—溢流阀18—单出杆液压缸19—速度传感器20—位置传感器4.2系统测试原理及方法变转速非对称泵直驱单出杆液压缸系统第4节非对称泵控单出杆液压缸系统测试平台4.3系统特性第4节1、速度特性设定电动机转速分别为

400rpm、

800rpm、

1200rpm、

1600rpm，获得液压缸活塞杆伸出、缩回过程的特性曲线。如图所示为液压缸活塞杆伸出特性曲线。由图可知，电动机的转速稳定性较好,液压缸的动态特性和稳定性稍差。

液压缸活塞杆伸出过程，速度超调量为13.5%，响应时间为50ms，调节时间为80ms，受电动机转速脉动影响,稳态时出现小幅度振荡。液压缸活塞杆伸出特性曲线变转速非对称泵控单出杆液压缸系统4.3系统特性第4节1、速度特性如图所示为液压缸活塞杆缩回特性曲线。由图可知，单出杆液压缸活塞杆缩回时,速度超调量达17.8%,响应时间为38ms,调节时间为48ms，液压缸活塞杆伸出缩回过程速度的对称性较好。由上述两组速度特性测试曲线可知，变转速泵控单出杆液压缸系统，液压缸活塞杆的运行速度由电动机的转速决定,随着活塞杆运行速度的增加，系统的动态响应时间基本不变。液压缸活塞杆缩回特性曲线变转速非对称泵控单出杆液压缸系统4.3系统特性第4节2、位置特性测试中，分别设定液压缸的位移为100、200和300mm，获得位移特性曲线如图所示。由图中曲线可知，液压缸活塞杆的速度几乎无延迟地跟随非对称泵的转速变化，在响应的瞬间，非对称泵的转速达到了最大值1500r/min。

随着位置设定值的增大，出现了最大速度恒速过程。变转速非对称泵控单出杆液压缸系统变转速非对称泵控单出杆液压缸位移特性曲线第4节前馈补偿非对称泵直驱单出杆液压缸位置闭环特性曲线2、位置特性为了改善单出杆液压缸的运动特性，降低系统损耗，在闭环的基础上引入速度、加速度前馈控制，使单出杆液压缸的运动按照预定函数v=f(t)进行控制，使单出杆液压缸的速度、位置达到期望的运动轨迹，获得的前馈补偿非对称泵控单出杆液压缸位置闭环特性曲线。变转速非对称泵控单出杆液压缸系统4.3系统特性第4节不同位移给定下的速度曲线2、位置特性为了改善单出杆液压缸活塞杆速度特性,并且期望加速和减速时的速度对称，对电动机的角加速度、最高转速、活塞杆的角加速度进行设置，获得不同位移条件下的单出杆液压缸活塞杆速度曲线如图所示。变转速非对称泵控单出杆液压缸系统4.3系统特性引入前馈补偿后必须在比例环节加阿以限幅，不断调节PID参数，使系统运行在最佳状态。引入速度、加速度前馈补偿，单出杆液压缸活塞杆的速度按照预定的速度和加速度曲线运动，改善了速度跟踪性能。由曲线可知，单出杆液压缸的动态性能显著提升，活塞杆伸出和缩回速度基本对称。3、跟随特性为了变转速非对称泵控单出杆缸系统的跟随特性，分别测试了幅值50mm，频率1HZ，幅值100mm，频率0.5HZ液压缸的位移、转速和压力特性曲线

。测试结果表明，液压缸能够跟踪频率较低的连续变化信号，但在相位上略有滞后，电动机的转速和液压缸两腔压力变化在相位基本一致，电动机的转速与液压缸运行速度基本相当；随着频率的增高，液压缸位移输出的幅值也相应的衰减。

第4节不同给定频率、幅值的位移信号时单出杆液压缸的活塞杆位移、压力和电动机转速特性曲线变转速非对称泵控单出杆液压缸系统4.3系统特性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非对称泵控单出杆液压缸系统1010.5变排量非对称泵控单出杆液压缸系统5.1系统原理变转速非对称泵控系统给出了空载时系统的特性曲线，为了分析变排量非对称泵控单出杆液压缸系统带载特性，结合建立的非对称泵控单出杆液压缸试验台，构建了如图所示的测试测试回路原理。如图所示，油口A与液压缸无杆腔连通，油口B与液压缸有杆腔连通，油口C与蓄能器连通。工作过程中，电动机转速保持恒定，通过改变非对称泵摆角改变泵排量，实现对液压缸的控制。变排量非对称泵控单出杆液压缸系统第5节变排量非对称泵控单出杆液压缸系统回路原理1.不同蓄能器容积下的位移、能耗特性设定负载为440kg，配流盘倾角为0°，电动机转速稳定后，调整配流盘角度为5°，非对称泵的A口向液压缸无杆腔充油，负载上升。当负载到达最高位置时，调整配流盘角度为-5°，此时B口向液压缸有杆腔充油，T口向蓄能器内充油，将负载下降的势能转化为液压能存储在蓄能器中。当负载下降到初始位置后，再次改变配流盘方向及角度，进行第二次上升-下降标准工况作业。上升-下降-上升作业过程中，设置蓄能器容积VAc

分别为1L、1.6L和6.3L的负载位移和电动机消耗能量如图所示。第5节负载位移与电动机消耗能量曲线变排量非对称泵控单出杆液压缸系统5.2系统特性由图中曲线可知，由于蓄能器存储的液压能的协同作用，负载第二次从最低位置上升到最高位置比第一次所用的时间短、消耗的电能少。此外,蓄能器的容积对上升速度和能量消耗也有影响。1.不同蓄能器容积下的位移、能耗特性当电动机转速为1000rpm、配流盘倾角±5°、采用不同容积的蓄能器，第一次和第二次上升过程电能消耗及节能效率如表所示。由表可知，确定液压缸缸径和行程，当其他参数不变，蓄能器体积为1.6L时，负载第二次上升比第一次上升电能消耗降低2.18KJ，此工况，节能效率最高，可达39.28%。第5节变排量非对称泵控单出杆液压缸系统5.2系统特性2.配流盘倾角、负载位移和速度特性当蓄能器容积为6.3L，蓄能器预存压力为2.5MPa，电动机转速为1000r/min，负载质量为440kg时，配流盘倾角、负载位移和速度特性曲线的仿真结果如图所示。由图中曲线可知，配流盘倾角为5°时，负载上升，配流盘倾角变为-5°时，负载下降。由于两次上升的高度相同，负载所需能量也相同。但由于第二次上升过程，蓄能器存储的液压能协助电动机驱动负载，使第二次上升到最高位置的时间缩短0.88s。第5节配流盘倾角、负载位移和速度特性曲线变排量非对称泵控单出杆液压缸系统5.2系统特性同时，由于蓄能器存储液压能的作用，第二次上升过程中，电动机恒转速驱动负载所需转矩较第一次小。因此，第二次上升能耗较第一次减少1.89kJ。3.不同油口的流量、压力特性设蓄能器容积为6.3L，蓄能器预存压力为2.5MPa，负载质量为440kg，配流盘倾角由0°变为5°、由5°变为-5°、由-5°变为5°对应的时间分别为0.1s、9.93s、18.05s，获得变排量非对称泵A、B、C三个油口的流量、压力特性曲线如图所示。由图中曲线可知，配流盘倾角发生变化时，油口A和油口B的压力出现较大脉动，通过合理调整液压系统各元件参数可以减小压力脉动。变排量非对称泵直驱单出杆液压缸系统第5节变排量非对称泵油口ABC的流量、压力曲线5.2系统特性由于蓄能器容积相对较大，具有较好缓冲，油口C压力脉动较小。当配流盘倾角由-5°变为5°时，由于蓄能器参与供能，油口A的流量增加，负载上升速度变快。4.不同电动机转速下的系统特性设蓄能器容积为6.3L，蓄能器预存压力为2.5MPa，配流盘倾角为±5°，负载质量为44