1.5MN伺服电机双向泵控实验压机液压系统设计

本科毕业设计（论文）开题报告课题名称： 1.5MN伺服电机双向泵控 实验压机液压系统设计 一、国内外研究动态，选题的依据和意义 1.1、 实验压机概述实验压机是机械工业中各生产企业、科研单位进行试验的一种关键设备，适用于各种不同工艺的试验。实验压机要求精度高、重复性好、参数变换范围大，经常变动的工艺条件。液压系统是实验压机的重要组成部分，其主要作用是控制液压缸活塞动作，满足各种工艺要求，其工作性能对实验压机的工作效率与加工产品质量均有很大的影响。目前现有实验压机存在智能化低，难以对试验参数进行精确控制，液压系统自动化程度低，无多段加压、保压等功能缺陷。随着新技术不断在液压行业中应用与发展，对实验压机液压系统的设计与革新有了重大的突破。本文研究的伺服电机双向泵控实验压机液压系统正是将交流变频伺服技术应用于液压系统设计的产物。1.2、 实验压机国内外研究现状伺服实验压机是一种以液体为工作介质，应用伺服电机驱动双向定量泵，通过液压系统驱动滑块运动的一种液压机。伺服实验压机采用伺服电机进行驱动，可以减少控制阀回路。伺服实验压机通过控制交流伺服电机的转速来控制泵的转速进而控制其流量和流速。交流伺服电机具有控制性能好、可靠性高和效率高等优点，可以简化实验压机的液压系统结构，提高实验压机的工作性能。日本第一电气株式会社研究无阀电液伺服系统己有十多年了，其产品也得到了广泛应用，并成功将其应用在压力机上。日本的液压机生产公司以容积控制电液伺服系统为基础研发了泵控伺服液压机，这种液压机具有柔性高、节能降噪等众多优点，是液压机未来发展的一个重要方向。1994年，小松公司成功开发出了伺服液压机。美国的WIDEMANN和W. A. WHITNEY公司，日本的会田公司，以及瑞士的RASKIN公司也都在展开伺服液压机的研发工作。2012年11月，德国福伊特公司在汉诺威机床展上展出1台500 kN的伺服液压机样机，500 kN伺服液压机如图1所示，该伺服液压机通过伺服电机驱动内啮合齿轮泵，具有优良的工作性能。图2和图3分别为日本网野公司研发的20000 kN和6000 kN的伺服液压机，己成功应用于工业生产。目前国内伺服液压机的研究可分为两种:一种是采用交流伺服电机取代普通交流异步电机，并配以定量泵，组成泵控伺服液压系统(也称为无阀液压伺服系统)，目前市面上常见的伺服液压机多采用该种方案;另一种是无泵式伺服液压系统，即采用伺服电机通过机械结构驱动液压增压系统工作，这种方案目前正处于研究阶段，但未来发展空间巨大。国内伺服液压机多采用伺服电机驱动的泵控系统。该系统通过控制伺服电机的正反转控制液压油的流动方向，进而控制滑块的运动方向。通过控制伺服电机的转速控制液压油的流动速度，进而控制滑块的运动速度。通过控制伺服电机的转矩控液压油的流动压力，进而控制滑块的锻压力。如图4所示，合肥合锻机床股份有限公司成功研发了SHPH系列数控伺服液压机。SHPH系列数控伺服液压机与普通液压机比较可节约电能20 %60 %，平均降低噪音20 dB，可减少50%的液压油用量及消耗。1.3、 伺服直驱泵控液压系统国内外研究现状伺服电机双向泵控液压系统是一种将交流伺服和变频技术与液压相互结合，通过改变伺服电动机的转速进而改变液压泵的输出流量的新型的调速方法，即所谓的“伺服直驱泵控液压系统”。伺服直驱泵控液压系统是近些年来国际液压技术的一项重大科技技术成果，在国外其被称之为直驱式容积控制电液伺服系统(Direct Drive Volume Control Electro-hydraulic Servo System，简称DDVC)，有时也简称为“无阀系统”(指不用电液伺服阀)、变转速液压系统。 日本、美国、德国和瑞典等国是世界上最早研究伺服直驱泵控液压系统的国家。日本在伺服直驱泵控液压系统的研究方面处于世界领先的水平，在其工业生产的各个领域已经投入使用。日本第一电气株式会社通过对伺服直驱泵控液压系统十余年的不懈研究，技术已经日趋成熟并成功的在注塑机、精密锻压机、连铸设备、成形机及船舶舵机和减摇装置等工程化产品中应用。此外，日本油研公司研发出由变频交流伺服电机驱动定量泵组成的IH伺服控制单元，该单元设置了位置和压力传感器，通过速度反馈控制变频伺服电机转速来实现液压泵的输出流量的改变，进而成功解决了对速度、位置、压力的闭环控制。目前IH伺服控制单元的应用领域涵盖了机床、锻压、冶金等机械装置中，并有多种型号的新产品投入工业使用。日本川崎公司开发了“川崎ECO servo 伺服直驱泵控液压系统，将变频器与廉价的感应电机结合，利用高压大流量定量泵实现了高精度控制。同时利用具有反馈功能的控制器实现了位置与压力控制。美国、德国、瑞士等国亦深入的研究了伺服直驱泵控液压系统，尤其是在电动静液作动器（EHA）、液压电梯、注塑机等领域有领先世界的科研与技术水平。美国航空母舰列装的舰载战斗机F-18型飞机中装有美国MOOG公司研制生产的新型电动静液作动器（EHA）。1997年在德国奥斯布格的97 INTERLIFT国际电梯展会上，瑞士Beringer公司向世界展示了其最新研制的变频驱动液压电梯控制系统，引起了广泛的轰动。德国Voith公司用可变速电机和其生产的内啮合齿轮定量泵组成的变转速液压系统，应用较为普遍，最高压力可以达35MPa，电机功率最大为75KW，己在Battenfeld和MIR等厂家成功使用。相比之下，我国对伺服直驱泵控液压系统的研究起步略晚于西方国家。国内对伺服直驱泵控液压系统研究的主要单位有浙江大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、广东工业大学、太原理工大学、西安交通大学等高校。目前该领域的研究多集中在理论和结构性能方面，仅在液压机、注塑机等行业有定型产品问世。浙江大学对DDVC系统的研究主要集中在VVVF技术(Variable Voltage Variable Frequency)在液压调速系统的应用。VVVF技术是通过改变伺服电机的频率和电压来调节电动机的转速，从而实现对执行元件的调速。浙江大学流体传动及控制国家重点实验室成功搭建了变频液压系统试验平台，研究提出了诸多变频液压系统，包括由变频器、异步伺服电机驱动双向定量泵的闭式液压回路，该回路可用于驱动大型机床回转工作台。同时研究提出的驱动垂直运动负载的开式系统回路已经成功应用到液压电梯的研究中。哈尔滨工业大学经过多年的努力攻关在伺服直驱泵控液压系统的理论分析、实验等方面取得了实质性的进展。哈工大根据船舶舵机的应用背景，成功研制出了针对船舶舵机应用的伺服直驱泵控液压系统样机，并对其进行了相关的理论分析与实验研究，指出造成DDVC系统动态特性差的主要原因事容积调速的特点影响了泵控动力机构的动态特性，论述了一系列可以提高其动态特性的措施。北京航空航天大学提出了采用高性能永磁无刷直流电动机（BLDCM）驱动，研究新型电动静液作动器EHA原理样机的方案，同时研究结果表明该新型电动静液作动器EHA具有高精度、高响应、无超调的动态特性。太原理工大学权龙教授通过对多种可满足不同功能要求的液压泵和伺服电机组合回路的实验研究，指出伺服直驱泵控液压系统与变排量泵控液压系统相比具有更加高效的效率，可在工程实践中实现节能的目的。西安交通大学围绕着伺服直驱泵控液压系统智能控制理论与应用方面开展了深入研究，在交流变频容积调速回路特性及速度控制的方面，成功采用模糊控制的方法将外负载变化对速度的影响予以基本消除，从而实现了对速度稳定和回路刚度的提高。2、 选题的依据和意义随着我国经济社会的持续健康增长，人民生活方式的转变和生活水平的不断提高，建设“节约型社会”的问题日益突出。众所周知，机械行业是高能耗、高浪费、低效率的行业，机械装置的节能问题一直是科技工作者的研究方向，液压系统的节能研究也是众多液压人关注的重大课题。正是基于节约能耗提高效率的目的，本文以实验压机为样本展开对新型液压系统的研究与设计。对实际生产应用的实验压机而言，尤为重要的是对其执行元件的速度控制。因此，调速回路是其液压系统的核心。液压系统的调速回路可以分为节流调速回路和容积调速回路两类。新型的节流调速回路虽然采用了先进的伺服阀，但仍旧无法避免由于节流损失和溢流损失所导致的温升高、效率低、散热困难等问题。此外，伺服阀的价格昂贵，对传动介质要求较高，性能易受影响而降低。传统的容积调速回路是通过改变变量泵的排量进而控制输出的流量与压力，虽较于节流调速回路效率高、节能，但存在着系统固有频率较低、调速范围较小等缺点，而且变量泵结构复杂，价格高效率却不尽如人意。本课题研究的新型伺服实验压机以交流伺服电机作为驱动泵的动力源，结合了交流调速技术和液压技术，通过改变定量泵的转速来对执行元件进行调速。不同于利用伺服阀通过节流调速控制执行元件和利用变量泵通过改变输出的排量来控制执行元件的两种液压机。与普通的液压机相比，新型伺服实验压机具有如下优点:噪音低，平均降低噪音20分贝，能够大大改善工作环境;节能环保，较普通液压机节约电能20-60%，可以减少50%的液压油用量及消耗;工作方式高度柔性，采用人机界面控制，压力、速度、位置、时间等参数全数字控制;维修保养方便，通过检测传感器与交流伺服电机形成闭环控制回路，简化了液压系统，取消了压力控制、速度控制等液压回路;高精度控制，采用伺服控制技术、传感检测技术、人机界面控制，大大提高了实验压机的工作精度，具有广阔的研究前景与实践应用的重大意义。二、研究的基本内容，拟解决的主要问题1、研究内容1) 查阅相关资料与文献，对伺服直驱泵控液压系统进行深入了解2) 伺服电机双向泵控实验压机液压系统的设计与计算3) 液压元件的设计计算与选型4) 系统泵站的设计5) 系统阀块图的设计2、 解决的主要问题：目前国内尚无十分成熟的利用伺服直驱泵控液压系统控制的压机产品（注塑机行业有少量定型化产品），所以本文需要解决的第一个问题便是：如何利用伺服直驱泵控液压系统实现压机的快进、减速接近工件及加压、保压延时、泄压、快速回程及保持活塞停留在行程的任意位置等基本动作。除此之外，伺服直驱泵控液压系统也存在着低速稳定性差、响应快速性慢、调速精度不易等问题，故如何解决这些问题也将是本文的研究内容。3、 研究步骤、方法及措施 1、研究步骤：第一步：搜集相关文献与资料：利用学校提供的图书馆平台，先搜集与伺服直驱泵控液压系统相关的文献资料，包括论文、学术期刊、书籍等，初步了解伺服直驱泵控系统的优缺点及工作过程。第二步：初步计算：根据毕业设计任务书中确定的输出压力、工作速度、频次要求、行程区间等要求，结合对相关资料的理解，初步计算压机液压系统所需的流量、压力。第三步：设计系统原理图及相关元件选型：初步拟定系统使用同一泵站，初步设计系统的原理草图。根据初步计算系统所需的流量、压力等选择电机、定量泵的型号。最后完善液压系统的原理图。第四步：泵站设计：油箱等零件的设计及三维泵站的设计、布局。第五步：完善工作：审图、改图，整理说明书，检查各个环节，做相关的一些修改，准备答辩。2、研究方法：（1）认真理解与学习搜集到的相关文献资料，在了解课题研究前沿的基础上，利用大学四年的知识积累思考解决课题难点。（2）“凡事预则立，不预则废”，制定工作进度表是十分必要的，有计划的完成自己的工作才能事半功倍。四、研究工作进度 任务安排：时间安排任务计划1-2周查阅资料熟悉设计要求3周撰写开题报告，设计液压系统原理草图4周初步计算，制定设计进度计划表，开题答辩5周对开题中所发现的问题进行修改，并进行液压元件选型，外文翻译6周液压系统原理图的完善与绘制，外文翻译7周阀块的设计与计算8周阀块二维图绘制10-11周油箱的设计与二维图纸的绘制12周对中期问题进行修改，对泵站进行三维设计13周泵站的三维转为二维图纸14周对所有图纸进行查错修改15周整理说明书16-17周设计说明书撰写5、 伺服电机双向泵控实验压机液压系统设计 1、实验压机液压系统方案1.1、开式回路液压系统方案开式回路液压系统液压原理简图如上图所示。系统通过伺服电机带动定量泵供油，经过三位四通O型机能的电磁换向阀进入液压缸实现规定动作。其具有的特点是：（1）继承了传统的电磁换向机构，电机无需正反转，容易控制。（2）油液直接回油箱，节约能量。 1.2、闭式回路液压系统方案闭式回路液压系统液压原理简图如上图所示。系统通过伺服电机带动双向定量泵供油，利用小功率的普通电机带动单向定量泵补油。其具有的特点是：（1）可以将回油直接供给油泵，多余油经卸荷阀回油箱，缺油时利用补油泵补油。（2）可以正反两方向供油，不需要电磁换向阀，避免节流损失。1.3、两种回路特点比较及选择通过对以上两种方案的优缺点分析发现：开式回路为阀控系统无法避免节流损失和溢流损失所造成的系统温升高、散热难、效率较低等问题，而且由于阀对传动介质要求较高，污染的油液会使元件和机构磨损甚至堵塞而降低其性能，系统易出现故障。闭式回路功率损失小，热量产生少，节能高效、可靠性高、寿命长的特点。综上所述，伺服电机双向泵控实验压机液压系统设计选择闭式回路的方案。2、 实验压机液压系统原理简图六、六、液压系统设计计算 1.设计依据 （1）全面了解主机的结构和总体布局 这是合理确定液压执行元件的类型、工作范围、安装位置及空间尺寸所必须的。由于1.5MN实验压机的设计目的是实现直线运动，故此项目液压系统中的执行元件选用液压缸。通过对不同液压缸的分析结合项目要求，最终确定液压缸为适用于往返不对称的直线运动的单活塞杆液压缸。 （2）机器对性能的要求 1.5MN实验压机的运动方式是直线运动，对定位精度与同步精度有一定的要求。本项目中对实验压机的操作方式采用半自动方式，冲击负载，信号处理方式采用触点继电器控制电路。还要明确实验压机原动机的类型、功率、转速和转矩特性以及系统中各执行元件的动作顺序、动作时间、相互关系。（3）明确液压系统的使用条件和环境情况，查明实验压机在安全可靠性和经济性方面的要求，搜集同类型实验压机的有关技术资料等。2.负载分析负载分析就是研究机器在工作过程中，它的执行机构的受力情况。对该液压系统来说就是研究液压缸的负载随时间的变化情况。工作机构作直线往复运动时，液压缸必须克服的外负载 式中 工作负载； 摩擦负载； 惯性负载。1）工作负载 工作负载与机器的工作性质有关，有恒值负载与变值负载。此外又可分为阻力负载和超越负载，阻止液压缸运动的负载为阻力负载，又称正值负载；助长液压缸运动的负载称为超越负载，也称为负值负载。2）摩擦负载 摩擦负载即液压缸驱动工作机构工作时所要克服的机械摩擦阻力。启动时为静摩擦阻力，可按下式计算：；启动后变为动摩擦阻力，可按下式计算：式中 G运动部件所受重力； 垂直于导轨的作用力； 、静、动摩擦阻力； 、静、动摩擦因数。3） 惯性负载 惯性负载即运动部件在启动和制动过程中的惯性力，其平均惯性力可按下式进行计算 式中 惯性力； 运动部件所受重力； 重力加速度； 时间内的速度变化值； 启动或制动时间。 3、部分液压元件的选择 （1）液压缸的主要尺寸计算本文研究的实验压机选取三个单活塞单液压缸，分为一个上油缸，两个下油缸，其中上油缸为主要工作缸。液压系统液体最大工作压力为25MPa，设工进是的系统工作压力为25MPa,出力为1.5MN,取液压缸的机械效率为0.95，由 无杆腔为工作腔时 有杆腔为工作腔时 式中 液压缸的工作腔压力； 液压缸的回油腔压力； 液压缸无杆腔的有效面积， 液压缸有杆腔的有效面积， 液压缸的最大外负载； 液压缸的机械效率，一般取0.90.97。 表1 背压经验数据回路特点背压（Mpa）回路特点背压（Mpa）回油路上设有节流阀0.20.5采用补油泵的闭式回路11.5回油路上有背压阀或调速阀0.51.5背压取1.5Mpa 表2液压缸常用往返速比i1.11.21.331.461.612d/D0.30.40.50.550.620.7由本文研究的实验压机的设计指标选取液压缸往返速比： 由表2可知d/D=0.5综上所述，当无杆腔为工作腔时工作压力为25MPa，出力为1.5MN，液压缸的机械效率为0.95，背压取1.5MPa，d/D取0.5，带入公式计算得：解得，故该缸可选用力士乐CDH1 MP5型单活塞杆液压缸，其中无杆腔D=280mm，杆径d=180mm，其相关参数见下图： （2）液压泵的选择确定液压泵的工作压力 液压泵的最大工作压力： 式中 执行元件的最大工作压力； 液压泵出口到执行元件入口之间的压力损失。 经验选取：管路简单、流速不大的取=0.20.5Mpa；管路复杂、流速较大的取0.51.5Mpa。这里取=0.5Mpa 由所选的液压缸型号可得到液压缸的无杆腔面积，有杆腔面积，工进时液压系统所需的最大的流量为。对于主油路，根据流量和出口压力要求，液压原理图中的三个主油路上的主油泵选取力士乐公司内啮合齿轮定量泵，型号为PGH5-2X/080RE11VU2。其供油流量为143.8L/min，连续出口压力为25MPa，间歇出口压力为31.5MPa。对于补油路而言，由于设计方案采取利用补油泵的补油进而实现液压缸的快进动作，故必须考虑到快进时液压缸所需的流量来选取补油泵的规格。快进时液压系统所需的最大的流量为。根据流量和出口压力要求，补油路上的补油泵选取力士乐公司内啮合齿轮定量泵，型号为PGH4-2X100RE11VU2，其供油量为145.6L/min，结合主油路上的主油泵供油满足快进时的流量需求。七、参考文献 1 何寄平.泵控伺服液压机液压系统研究D.广州:广东工业大学，2010.2 郑洪波.伺服直驱泵控液压系统及其节能机理研究D.广州:广东工业大学， 2012.3 郑洪波，孙友松，李绍培，等.节能型直驱泵控伺服液压机及其能耗实验研究J. 锻压技术，2014,39（1）:79-85.4 冼灿标，齐水冰，孙友松，等.直驱泵控伺服液压机节能分析及试验研究J.机 床与液压，2014,42（5）:45-49.5 黄迪淼.新型伺服液压机控制系统研究与开发D.合肥:合肥工业大学，2012.6 宋豫，孔祥东，姚静，等.开式变量泵控油压机系统控制特性研究J.中国机械 工程，2016，27(8):1031一1038.7 宋豫.锻造油压机开式泵控液压系统研究D.秦皇岛：燕山大学,2016.8 郭晓波.大型两板注塑机多泵伺服液压系统设计与仿真D.杭州：浙江大学， 2013.9 陈超，赵升吨，范淑琴，等.伺服液压机的研究现状及发展趋势J.锻压技术, 2015,40 （12）:01-06.10黄方平.变频闭式液压动力系统的设计及应用研究D.杭州:浙江大学,2005.11Quan Zhongyi ,Quan Long ,Zhang Jinman ,at al. 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