基于直驅(qū)式電液伺服系統(tǒng)的液壓機補油性能分析

聶世明，張 敏，井智民

（河海大學常州校區(qū) 機電工程學院，江蘇 常州213022）

0 引言

近十幾年來，在容積控制系統(tǒng)和交流伺服電機得到廣泛應(yīng)用的背景下，出現(xiàn)了永磁交流同步伺服電機直接驅(qū)動雙向定量泵容積控制的電液伺服系統(tǒng)，也稱DDVC[2]（Direct Drive Volume Control）系統(tǒng)或無閥電液伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)的液壓執(zhí)行機構(gòu)的換向、調(diào)速、調(diào)壓三大功能全由交流伺服電機直接控制，所以叫“直接驅(qū)動”，油泵的出油流量的改變也是由電機直接控制，具有高效節(jié)能、小型集成化、操作與控制簡單、成本低等優(yōu)勢[3]，因此其發(fā)展非常迅速。

油壓機廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)零配件加工，多種行業(yè)產(chǎn)品定型、沖邊、校正，制鞋、手袋、模具、軸套類零件的壓裝、壓印成型，板材零件的彎曲、壓印、套形拉伸等工藝。但是，由于其開式回路存在補油問題，所以一般采用加裝副油箱或動力補油，即用液壓泵單獨作為補油泵使用。從而增加了系統(tǒng)的體積與重量，并產(chǎn)生諸如發(fā)熱等問題[4]。為解決該問題，本文采用了一種無動力補油閥的結(jié)構(gòu)方案，通過設(shè)計密閉壓力油罐的壓力較好地解決了非對稱液壓缸補油排油問題。

1 傳統(tǒng)油壓機液壓系統(tǒng)分析

現(xiàn)有油壓機液壓系統(tǒng)幾乎都是開式回路。液壓系統(tǒng)中通過控制閥控制和調(diào)節(jié)液壓介質(zhì)的流向、壓力和流量，從而控制執(zhí)行機構(gòu)的運動方向、輸出的力或力矩、運動速度、動作順序，以及限制和調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的工作壓力，防止過載等（如單向閥、換向閥、溢流閥、減壓閥、順序閥等），如圖1 所示。

本文主要對比開式與閉式系統(tǒng)補油、排油情況。開式回路：液壓泵3→順序閥8→上缸換向閥9（左位）→單向閥I3→液壓缸I2無桿腔。即油泵從油箱吸入油，當桿件快速下行時由副油箱13 的油流經(jīng)液控單向閥I1流入到液壓缸無桿腔進行快速補油，當桿件接觸工件后無桿腔壓力升高，液控單向閥I1關(guān)閉，運行速度由液壓泵流量決定，同樣，當排油時I1打開，多余的油液流回副油箱。

圖1 開式回路油壓機液壓系統(tǒng)圖

油壓機液壓系統(tǒng)中采用開式油箱，在使用過程中常常發(fā)現(xiàn)爬行現(xiàn)象并伴有較大的噪聲，這均為系統(tǒng)中產(chǎn)生吸空或氣穴（即補油系統(tǒng)短暫失效）的緣故，通常情況下，當系統(tǒng)中某處油液的絕對壓力小于此時的空氣分離壓Pg[5]，油液中溶解的空氣就會分離出來，形成一些氣泡，從而造成液壓泵的吸油能力下降，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生爬行和噪聲。開式油箱或密閉油箱均易導(dǎo)致該問題的發(fā)生。

開式系統(tǒng)補油、排油存在的問題：

（1）系統(tǒng)補油、排油中系統(tǒng)組件復(fù)雜，各種控制閥的控制增加了系統(tǒng)壓力損失。

（2）開式油箱外加副油箱容積大，導(dǎo)致增加了系統(tǒng)體積、質(zhì)量。

（3）在驅(qū)動上都是使用恒轉(zhuǎn)速感應(yīng)式異步電動機（鼠籠機）。在工作時電動機始終處于高速恒轉(zhuǎn)速運行，耗能較大。

（4）采用開式油箱，系統(tǒng)在工作過程中勢必產(chǎn)生氣穴，造成系統(tǒng)爬行、噪聲增大。

（5）油液質(zhì)量要求高，廢油多，處理困難。

另外，泵直接傳動系統(tǒng)中的液壓泵均按油壓機的最大工作速度和工作壓力選定，而油壓機在充液行程、回程、輔助工序和所需工作壓力較小時，液壓泵都得不到充分利用，尤其是大噸位的油壓機，其利用系數(shù)很低。

2 DDVC系統(tǒng)在油壓機上的應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)原理分析

如圖2 所示為油壓機直驅(qū)式容積控制伺服系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)采用閉式回路，主要組成部分為計算機控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、泵控動力機構(gòu)和傳感器。計算機控制系統(tǒng)，利用給定輸入信號和反饋信號，通過適當?shù)目刂扑惴?，給出系統(tǒng)控制信號，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換后輸入伺服電動機驅(qū)動器，生成控制指令。伺服電動機根據(jù)控制系統(tǒng)輸入指令，改變轉(zhuǎn)速、運動方向，直接驅(qū)動雙向液壓定量泵，產(chǎn)生一定流量和壓強的液壓動力，推動液壓缸，帶動負載。傳感器將需要控制的物理量反饋給計算機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的伺服控制。

圖2 油壓機直驅(qū)式容積控制系統(tǒng)原理圖

2.2 液壓系統(tǒng)采用無動力密閉壓力油罐補油

為了解決開式油箱補油存在的問題，設(shè)計了密閉壓力油罐，如圖3 所示。其中，油罐體為鋼結(jié)構(gòu)。氣囊的采用，是為了將空氣與油液隔絕開來，同時它又是可壓縮的氣體彈性元件，可防止發(fā)生吸空或氣穴的可能性。該結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)的蓄能器，但是，氣囊的尺寸應(yīng)根據(jù)實際系統(tǒng)而設(shè)計，充氣壓力不能太高，從而保證系統(tǒng)的可靠性與安全性[1]。此類油罐需專門定制，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本增加。其工作原理與蓄能器相近，由于密閉壓力油罐（油箱），在油罐中有氣囊，在充氣后使油泵吸油口始終保持正壓，從而提高液壓泵的自吸能力[6]。氣囊式壓力容器避免了空氣與油液的直接接觸，減少了油液中的空氣含量。

圖3 密閉壓力油罐結(jié)構(gòu)圖

2.3 密閉壓力油罐在DDVC系統(tǒng)的應(yīng)用與補油分析

改進后的油壓機采用密閉壓力油罐補油、排油。由于油缸為單出桿缸，即油缸兩腔的容積是不等的，分別進行伸出與回縮時流量分析。如圖2 所示。

（1）活塞桿前進（伸出）時：活塞桿油腔（小腔）排出的油量小于活塞腔（大腔）所需的油量，此時油泵的入口處除接受油缸小腔排出的油量外，桿在未接觸工件前無桿腔壓力較低，此時系統(tǒng)中密閉壓力油罐5 通過單向閥3 向系統(tǒng)快速補油，滿足流量需求，在桿接觸工件后系統(tǒng)壓力升高，系統(tǒng)流量減小，通過正常吸排油就能滿足系統(tǒng)油量的需求。

（2）活塞桿后退（縮回）時：電機反轉(zhuǎn)，改變主回路中的高壓與低壓。油缸大腔排出的油量大于油缸小腔所需要的油量，電機換向電磁換向閥7 接（右位），接通液控單向閥9，此時在滿足油泵吸油口所需的油量后，多余的油液經(jīng)液控單向閥流回密閉壓力油罐。在本系統(tǒng)中，由管道接無桿液壓腔將多余油液引回密閉壓力油罐，必須保證回油壓力大于密閉壓力油罐的壓力，由于密閉壓力油罐壓力不是很大，當無桿腔回油時回油腔壓力會大于罐的壓力，會將多余的油液排到油罐中。

2.4 改進后的油壓機——直驅(qū)式容積控制系統(tǒng)優(yōu)缺點分析

其優(yōu)點主要有：油箱容積小，控制精度高，控制閥減少，液壓回路短，減少了壓力損失，節(jié)約電能，噪聲小，油液質(zhì)量要求不高，很少產(chǎn)生廢油，等。

直驅(qū)式控制系統(tǒng)存在著以下不足：①一般情況下，開式回路適用于具有多個執(zhí)行器的系統(tǒng)，即多用戶系統(tǒng)。但這時系統(tǒng)中要使用方向控制閥。閉式回路的特點是適合單用戶系統(tǒng)，即只有一個執(zhí)行件的系統(tǒng)，這是閉式回路的局限性[7]。②在系統(tǒng)動態(tài)特性的快速性，即響應(yīng)特性方面不如傳統(tǒng)系統(tǒng)。③由于系統(tǒng)中控制精度的增加，使其制造價格要高出普通油壓機很多。

3 結(jié)論

綜上所述，油壓機直驅(qū)式控制系統(tǒng)中采用密閉壓力油罐進行無動力補油，由于油罐始終保持一定的壓力，從而補償了系統(tǒng)中的閥、管道等的壓力損失，消除了補油不足及其產(chǎn)生的噪聲及爬行問題。在間隙短時操作或液壓泵頻繁啟動的系統(tǒng)中，壓力油罐可以作為輔助能源使用，進而減少液壓泵的功率，節(jié)約動力，減少投資，提高電機和液壓泵的壽命。

[1]李閣強，王漢杰，許宏光，等.密閉壓力油罐補油性能的研究[J].機械設(shè)計與制造，2011，（9）：137-139.

[2]劉慶和.直接驅(qū)動容積控制液壓傳動原理（DDVC系統(tǒng)）[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2007：12-18.

[3]姜繼海，蘇文海，劉慶和.直驅(qū)式容積控制電液伺服系統(tǒng)[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2009，（9）：43-48.

[4]許宏光，桂文浩，劉慶和.液壓閉式回路無動力補油的實驗研究[J].機床與液壓，2006，34（2）：121-124.

[5]雷天覺，等.新編液壓工程手冊[M].北京：北京理工大學出版社，1998.

[6]蘇文海，姜繼海，鄧 攀.直驅(qū)式電液伺服閉式回路的噪聲分析[J].機床與液壓，2010，38（10）.

[7]劉慶和.直驅(qū)式液壓傳動[J].液壓氣動與密封，2011，（7）：9-12.