无油泵交流伺服直驱新型液压机的传动理论研究

传统的液压机中的泵站及液压系统结构复杂、能量利用率低，为此本课题提出一种无油泵交流伺服直驱式新型液压机的新原理传动方案。摒弃了传统的液压油泵，采用交流伺服电动机直接驱动丝杠-螺母运动副的方式产生所需的油的压力势能，并采用液压增压缸原理，实现低速增力压制工作，液压油在液压缸体内部进行循环，在液压缸工作时可以迅速反应充液和排液，回程采用刚性拉杆带动滑块的机械传动方式替代传统的液压回程方式，滑块空程与回程的速度显著提高，并通过对交流伺服电动机的控制来实现位移、输出力的闭环控制。 本项目首先采用理论计算和有限元分析的方法完成了无油泵交流伺服直驱式新型液压机样机的详细设计，建立了无油泵交流伺服直驱式新型液压机的整机及各零部件的三维模型，对主要部件进行静力分析和预应力加载状态下的模态分析，并根据分析的结果对机身结构进行改进优化，最终使该无油泵新型液压机机械结构静态性能和动态性能均满足设计要求。 然后完成了无油泵交流伺服直驱式新型液压机样机的机械加工、整机装配和计算机控制回路的搭建，并对该无油泵交流伺服直驱式新型液压机进行了空载实验，不同的电机转速条件下检测分析电机位置、电机转速、滑块位置及各个液压腔的压强等参数，结果表明无油泵交流伺服直驱式新型液压机具有快速下行和上行、低速增力锻冲的特性。对该新型无油泵液压机在不同负载工况下进行测试实验，结果表明在带负载情况下电机的转速、电机转数和滑块运动规律与空载状态下的变化规律相似，负载情况对无油泵液压机的运动规律影响不大。 最后采用无油泵交流伺服直驱式新型液压机对无铆连接点进行平压重塑形实验，在成形过程中，该无油泵新型液压机的位移和输出力等可以实现伺服控制，产生的平压重塑形无铆连接点具有强度高、成形精度高等优点，验证了无油泵交流伺服直驱式新型液压机的工作能力。本项目的研究结果为无油泵交流伺服直驱式新型液压机的研制和产业化奠定了坚实的基础。

传统的液压机中的泵站及液压系统结构复杂、能量利用率低，为此本课题提出一种无油泵交流伺服直驱式新型液压机的新原理传动方案。摒弃了传统的液压油泵，巧妙地结合了机械压力机的飞轮传动与螺旋压力机的螺旋传动方式，采用交流伺服电动机直接驱动丝杠-螺母运动副的方式产生所需的油的压力势能，并采用液压增压缸原理，实现低速增力压制工作，回程采用刚性拉杆带动滑块的机械传动方式替代传统的液压回程方式，滑块空程与回程的速度显著提高。建立该新型传动系统的动力学和运动学模型，揭示主要参数对滑块运动特性及其控制特性的影响机理，构建该新原理液压机的传动理论；采用理论分析和计算机仿真的方法对该新的交流伺服直驱传动系统和液压系统进行了设计优化，获得液压系统的动态响应特性；开展该新原理液压机传动系统自动控制特性的计算机仿真与试验研究，获得最优控制策略。为无油泵交流伺服直驱新型液压机的研制和产业化奠定了坚实的理论基础。

伺服液压机节能

伺服液压机 与普通液压机比较，系统总体控制中不含比例伺服阀或比例泵环节，服驱动液压机具有节能、噪声低、温升小、柔性好、效率高、维修方便等优点，可以取代现有的大多数普通液压机，具有广泛的市场前景。与传统液压机比较节能效果显著，根据加工工艺和生产节拍不同，伺服驱动液压机比较传统液压机可节电 30%～70%。

伺服液压机噪声低

伺服驱动液压机油泵一般采用内啮合齿轮泵或高性能叶片泵，传统液压机一般采用轴向柱塞泵，在同样的流量和压力下内啮合齿轮泵或叶片泵的噪声比轴向柱塞泵低 5dB～10dB。伺服驱动液压机在压制和回程时电机在额定转速下运行，其排放噪声比传统液压机低 5dB～10dB。在滑块快降及滑块静止时，伺服电机转速为0，所以伺服驱动液压机基本没有噪声排放。在保压阶段由于电机转速很低，伺服驱动液压机的噪声一般小于 70dB，而传统液压机的噪声为 83dB～90dB。经测试及推算，在一般工况下，10 台伺服液压机产生的噪声比一台同样规格的普通液压机产生的噪声还要低。

伺服液压机发热少

由于伺服驱动液压机液压系统无溢流发热，在滑块静止时无流量流动，故无液压阻力发热，其液压系统发热量一般为传统液压机的 10%～30%。由于系统发热量少，大多数伺服驱动液压机可不设液压油冷却系统，部分发热量较大的可设置小功率的冷却系统。由于泵大多数时间为零转速和发热小的特点，伺服控制液压机的油箱可以比传统液压机油箱小，换油时间也可延长，故伺服驱动液压机消耗的液压油一般只有传统液压机的 50%左右。

伺服液压机自动化程度高

伺服驱动液压机的压力、速度、位置为全闭环数字控制，自动化程度高，精度好。另外其压力、速度可编程控制，满足各种工艺需要，还可以实现远程自动控制。

伺服液压机效率高

通过适当的加减速控制及能量优化，伺服控制液压机的速度可大幅提高，工作节拍比传统液压机提高数倍，可达到 10/min～15/min。

伺服液压机维修保养方便

由于取消了液压系统中的比例伺服液压阀、调速回路、调压回路，液压系统大大简化。对液压油的清洁度要求远远小于液压比例伺服系统，减少了液压油污染对系统的影响。

伺服液压机发展方向

传统液压机系统虽然采用了恒功率变量泵的节能方案，但当机床处于快下、保压以及机器人上下料状态时，三相异步电动机仍会驱动油泵工作，而此时输出的油液将通过液压系统溢流回油箱，极大的造成能源浪费，同时循环溢流也极易造成油温的上升。泵控电液伺服技术利用伺服电机的高速响应，实现即时供油的方式，还可以实现各个工艺过程中需要的不同压力和流量，通过实时检测来自油压机控制系统的压力和流量信号，适时调整各个工况动作所需的伺服电机转速，让泵输出的流量和压力最大化的满足系统的需要，而在非动作状态，让伺服电机处于低速运行。总体来说节能效果与改造前相比可达20%-70%，另外噪音和油温也有明显降低，同时因为采用了伺服驱动器，可以很方便地进行液压机的智能化改造升级。可以肯定，液压机的伺服化是未来的发展方向，对油压机进行伺服节能改造也能够获得巨大的效率，相信这种性价比较高的泵控电液伺服系统会被更多的客户所认同，必将推动整个产业的变革。

为了响应我国节能减排要求，工业液压也向着节能方向转型。而电液伺服系统，因为它良好的节能效果开始越来越多的被塑胶机械、压铸机械、鞋革机械、纺织机械、液压机等机械行业重视和使用。伺服油泵（电液伺服泵）可以在低速下启动，能适应电液伺服系统快慢速、高低压、正反转、快速切换的工况，电液伺服泵的出现改变了我国伺服液压系统长期依靠日本、德国产品的局面，对整个液压行业的节能减排做出了巨大贡献。

由电液伺服驱动器、三相交流永磁同步电机、高性能专用伺服泵、压力传感器等几部分可组成HES电液伺服节能系统。采用矢量控制 弱磁控制 专用PID控制算法，能精准控制整个工作过程所需的压力与流量，消除高压节流的能源损耗，达到节能省电的效果，同时降低系统油温，最高节能率达65%，平均节能率30%以上。