新型直接驱动式液压伺服泵的基础研究

多电是未来飞机的重要发展方向，其中功率电传作动是多电飞机最关键的技术之一。目前发展较快的主要是电静液作动(EHA)技术，采用旋转电机-柱塞泵-作动器三元件串联的控制模式，存在频宽低、可靠性与寿命差、精度低等问题。本项目针对多电飞机对高性能功率电传技术日益增长的迫切需要，创新性地提出一种电磁直接驱动柱塞的液压伺服泵，通过谐振直线伺服电机直接驱动活塞吸排油的同时，带动后端阀口进行交互式配流，实现液压泵流量与压力的伺服控制，具有动态特性好、功重比高、流量压力控制灵活、模块化组合、容错能力强和可靠性高等突出优点，特别适用于电静液作动核心驱动部件。该项目原创性强，对于开创直接容积伺服驱动这一全新领域，推动飞机多电化发展具有重要作用。 项目重点开展了新原理液压泵高容错结构构建与配流调控机制研究，高功率密度直线谐振驱动工作机理探索，直驱泵固液耦合作用及流量脉动的自适应抑制，及多通道多变量的协调控制等研究。取得了如下重要结果：提出新型复合哈尔巴赫磁极阵列，使直线电机谐振频率达到了100Hz国际先进水平；发现了直线电机谐振频率与系统频宽的相关性，系统动态输出特性可高达7-15Hz，相比传统旋转作动系统有明显优势；提出基于无穷可微函数的主动控制方法，为抑制流量脉动提供了有效手段；突破了容错结构设计与流量压力控制等关键性技术，完成了电磁直接驱动新原理伺服泵的样机研制及原理性验证，为自馈能刹车系统直线泵的取能装置的设计提供理论和技术基础。以上研究内容已满足并超过预期计划。 初步取得如下成果：1.在IEEE/ASME Trans. on Mech.、IEEE Trans. on Ind. Elec.等领域内顶级期刊和国际会议发表论文101篇，其中SCI 43篇；出版专著2部。2.受到皇家工程院院士、IEEE/ASME Fellow等国际同行积极关注和引用，SCI引用600余次，2篇论文入选ESI高引论文。3.国家发明二等奖1项(排名1)；何梁何利科学与技术进步奖1项；省部级科技一等奖2项(排名1)；IEEE国际会议最优论文奖1项(排名1)。 2100433B

针对多电飞机、船舶等重大装备对高性能功率电传(Power By Wire)技术日益增长的迫切需要，提出一种电磁直接驱动柱塞的新型液压伺服泵，通过谐振式直线伺服电机直接驱动活塞吸排油，采用创新交互式配流代替配流盘，实现液压泵流量与压力的伺服控制，具有动态特性好、功重比高、流量压力控制灵活、模块化组合、容错能力强和可靠性高等突出优点，特别适合于作为电静液作动器的核心驱动部件使用。该课题将主要解决新原理液压泵的高容错结构的创新与配流调控机制、高功率密度直线驱动的能量转换与振动机理、伺服泵协调运动控制与控制策略等科学问题，重点突破容错结构的设计与流量压力控制、高功率密度直线驱动式谐振电机、高速固液耦合作用下的振动噪声及自适应抑制、多柱塞运动的协调控制等关键技术。为电磁直接驱动这一新原理伺服泵奠定系统完整的理论基础，并形成关键技术支撑。该项目原创性强，预期将开创直接容积伺服驱动这一全新领域。

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。