盧 丹，張學成

(上海華龍測試儀器股份有限公司，上海 201202)

1 引 言

直驅式電液伺服系統(tǒng)[1]的基本特征是用可控轉速電動機直接驅動液壓泵，通過改變液壓泵的轉速達到控制液壓泵輸出流量的目的。通常，可控轉速電機由伺服電動機承擔，控制的執(zhí)行元件基本上是一對一的，即一個無閥伺服系統(tǒng)有一個(或一組)液泵單元，針對一個(或者同時運動的一組)液壓執(zhí)行元件實施驅動控制。直驅式電液伺服技術是伴隨著電子技術、電動機伺服驅動技術的進步而發(fā)展起來的一種新的電液伺服驅動控制應用技術，以該技術為核心構成的液壓伺服系統(tǒng)具有電機控制靈活和液壓大出力的雙重優(yōu)點。與傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)相比，直驅式電液伺服系統(tǒng)結構簡單、操作方便、價格經(jīng)濟，目前已經(jīng)在注塑機、試驗機、壓力機、航空液壓系統(tǒng)等許多領域得到應用。

對于許多工作設備(典型的如試驗機)來說，除了節(jié)能以外，系統(tǒng)的性能往往是更重要的考慮因素。本文討論直驅式電液伺服系統(tǒng)的調速范圍和在試驗機上的應用問題。

2 直驅式電液伺服系統(tǒng)的工作原理

圖1所示為直驅式電液伺服系統(tǒng)的工作原理框圖。伺服電動機驅動液壓泵所產(chǎn)生的液壓動力直接推動液壓缸(或液壓馬達)。執(zhí)行元件與液壓泵之間無需連接其它控制元件去調節(jié)系統(tǒng)的流量和壓力，因而既無溢流損失又無節(jié)流損失，其在理論上是沒有損耗的液壓系統(tǒng)。

圖1 伺服電動機驅動液壓泵的伺服系統(tǒng)工作原理

無閥電液伺服系統(tǒng)的輸出與負載的需要完全吻合，泵的輸出流量QP隨負載流量Q的需要而變化，即：

Qp=q·n=Q

(1)

式中，q為泵的排量，n為電機轉速。

工作系統(tǒng)由負載產(chǎn)生的壓力p直接決定了液壓泵的壓力pp，即：

pp=p

(2)

輸入功率：

P=p·Qp

(3)

略去容積損失和機械損失，輸出功率P0與輸入功率相等，即P=P0，效率為η=P0/P?？紤]泵、執(zhí)行元件以及電機等的容積損失ηv和機械損失ηm，系統(tǒng)的工作效率：

η=ηv·ηm

(4)

無閥伺服液壓系統(tǒng)的節(jié)能效果是顯而易見的，其完全消除了傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的節(jié)流損失、溢流損失及液壓閥的液阻損失。如果考慮液壓執(zhí)行元件和泵的損失，其效率達到η>0.9應該是不存在技術障礙的，系統(tǒng)工作效率遠比傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)高。當然，由于無需控制閥，系統(tǒng)的體積也大大減小，機械結構變得極為簡單，控制系統(tǒng)變成了僅需對伺服電動機運行進行控制。

3 直驅式電液伺服液壓控制回路與節(jié)能

運用直驅式電液伺服原理實現(xiàn)的控制回路，可以有多種回路形式，這里以其最小回路結構(液壓泵-油缸形式)為例，對其運行和節(jié)能問題進行簡要分析。圖2所示液壓系統(tǒng)由一個伺服液壓泵驅動兩腔面積相同的雙桿活塞缸，雙桿活塞缸的左右兩個油腔分別與液壓泵構成密閉容器。在沒有泄漏和變形的情況下，活塞缸的位移輸出：

S=Qp/A

(5)

克服的負載作用力：

T=p·A

(6)

式中，A為液壓缸的面積，運行時背腔油液壓力為0。電機和泵正反轉時位移和克服負載相同。

圖2 直驅式電液伺服系統(tǒng)的最小系統(tǒng)

假設位移為正弦規(guī)律：

S=S0·sinωt

(7)

負載與位移成正比：

T=k·S=k·S0sinωt

(8)

于是負載功率：

(9)

這是一個雙向能量系統(tǒng)，負功率意味著負載對驅動系統(tǒng)做功。如果驅動系統(tǒng)完全吸收這部分能量，反過來利用其克服正向負載，并且系統(tǒng)自身沒有損耗，那么這種雙向泵系統(tǒng)的能耗為0。即使與所有工作系統(tǒng)類似，損耗不可避免，輔助系統(tǒng)必須具備，運用直驅式液壓伺服驅動技術，也可以構成結構最簡單、最具節(jié)能效果的液壓驅動工作系統(tǒng)。

當然，需要指出的是，雖然節(jié)能是必要的，但是節(jié)能更適用于消耗能量較大的工作系統(tǒng)中。以動態(tài)壓剪試驗機為例，一臺20MN規(guī)格的動態(tài)壓剪試驗機，若以10%額定載荷施加剪切推力，振幅400mm，頻率0.5Hz，最大瞬時功率可達1.25MW之巨。

4 調速范圍

調速范圍，常定義為最高轉速與最低轉速之比。直驅式電液伺服的調速范圍取決于泵的性能。專門用于變頻調速的液壓泵產(chǎn)品還沒有見到報告。目前，所有的液壓泵產(chǎn)品均有一個發(fā)揮工作性能的合適區(qū)域[1]，例如圖3中的陰影所包圍部分。

圖3 泵的工作域

圖中，橫坐標是平均流量，縱坐標是壓力。AB線以外的Ⅰ區(qū)是泵的發(fā)熱區(qū)域，泵的輸出流量還不足以補償其漏損，不能建立工作壓力，且可能由于發(fā)熱會使運動副燒傷。所以，泵必須有隨負載壓力增大而增大的相當高的轉速來避開這一區(qū)域。最高許用壓力Pmax以上的Ⅱ區(qū)為超壓區(qū)，泵不允許在此區(qū)域工作。壓力流量曲線CD以外的區(qū)域Ⅲ，如果泵在最高轉速下處于該區(qū)域工作，由于泵內旋轉零件的離心力和慣性力過大，會造成零部件的移位或損壞。AD曲線以下是吸空區(qū)Ⅳ?？紤]到軸承的壽命還有個區(qū)域Ⅴ，泵也不能在此區(qū)域工作。

可見，一個液壓泵，因其機械結構固有原因，泵的轉速和壓力都受到限制，不能一味地往大或往小兩個方向延伸?？梢哉J為，泵的最高允許轉速和最低允許轉速的范圍決定了直驅式電液伺服系統(tǒng)的調速范圍，調速范圍：

(10)

式中，Qmax為泵的最大實際流量，Qmin為泵的最小實際流量。根據(jù)式(1)，泵的結構確定后，泵的轉速范圍就是泵的流量范圍。僅僅依靠泵的轉速實現(xiàn)的調速范圍可以做到多大，可能不會有一個準確的答案[1-3]，因為制作工藝和設計水平不是可以量化的。對于變頻泵來說，最大流量可以由最高許用轉速確定，但是最小流量沒有一個確定的值。

泵工作必然存在泄漏量，設為QL；同時，泵必須有循環(huán)流量以帶走由于機械損耗而產(chǎn)生的熱量，設這部分流量為QR。泵的最小流量可表示為：

Qmin≥QL+QR

(11)

設泵的容積效率為ηv，機械效率為ηm，則泄漏量可表示為：

QL=(1-ηv)·q·n

(12)

若設機械效率引起的損耗變成熱，并等效成同樣的液壓能，則：

(1-ηm)·P=p·QR
(1-ηm)·p·q·n=p·QR
QR=(1-ηm)·q·n

(13)

于是：

Qmin=(1-ηm)·q·n+(1-ηv)·q·n=(2-ηm-ηv)·q·n

(14)

式中，n為額定轉速，q為排量，P為額定功率。

假如泵的排量q=10mm，額定轉速為3000rpm，容積效率和機械效率均為0.98，則最小流量Qmin=1.2L，調速范圍D=25，最小流量時的轉速為120rpm?？梢姡瑥谋玫慕嵌?，可實現(xiàn)的調速范圍一般不會太大。

5 旁路節(jié)流

如上所述，液壓泵的最小流量，是為帶走機械損耗所產(chǎn)生的熱量而必須的。換言之，當工作流量不小于這個值時，液壓泵本身產(chǎn)生的熱量會被帶到工作系統(tǒng)中，通過合理的方法，可以達到熱平衡以滿足工作需要。但對于工作系統(tǒng)需要流量小于散熱所需要的最小流量時，這部分流量需要通過設置旁流支路，實現(xiàn)泵的工作介質輸出流量循環(huán)。圖4設置的旁流支路，工作介質一部分直接進入了油箱，工作流量：

Q=QP-QL

(15)

圖4 旁路節(jié)流

6 試驗與應用

試驗在液壓萬能試驗機和專用試驗裝置上進行，試驗裝置的液壓原理圖如圖5所示。其中，伺服電機為松下A4 MDMA502P1G，壓力傳感器采用中航電測YB15A(量程：35MPa，精度：G1)，液壓泵選用兩種，分別是斜盤式軸向柱塞泵(啟東宏達1.25MCY14-1B，公稱排量：2.5mL/r，額定壓力：31.5MPa，額定轉速：1500r/min)和齒輪泵(意大利馬祖奇GHP1A-D-3，公稱排量：2.1mL/r，流量@1500rpm：2.9L/min，最高壓力：290bar)?？刂撇呗詾镻ID調節(jié)。

圖5 試驗裝置液壓原理圖

6.1 最小連續(xù)流量與泵的轉速

圖6、圖7是采用單泵條件下，以壓力波動代替流量變化的試驗結果曲線。在空載和有載兩種情況下，泵的最小轉速不是一個確定的值。對于20rpm時的壓力波動曲線，壓力并不平穩(wěn)，波動數(shù)值達2.5%。若設此為最小流量，則調速范圍達75。對于29rpm時的壓力波動曲線，壓力也不平穩(wěn)，波動數(shù)值達2.3%。若設此為最小流量，則調速范圍達51。由此可見，液壓泵在理論上可以有數(shù)值高達幾十的調速范圍，對于這一點，如果以連續(xù)平均流量來評價是沒有問題的。

圖6 有載壓力波動曲線(n=20rpm)

圖7 微載荷壓力波動曲線(n=29rpm)

6.2 減小流量波動

流量的波動可以通過采取措施盡可能減小，試驗的措施是液壓泵并聯(lián)和伺服控制，可以達到1%以下的脈動效果，使得力的控制準確度也在這個范圍內。圖8是一組使用以上方案控制的液壓式萬能試驗機的試驗曲線，圖9是設定目標值的長時間保值試驗曲線。在這組試驗結果中，分別設定液壓式萬能試驗機輸出壓力目標值為50kN、100kN、150kN、200kN、250kN、300kN、350kN、400kN，設定加載速度為1kN/s。目標壓力值由低到高，到達指定目標壓力值后穩(wěn)定1min調高至下一目標壓力值，最終一次完成多個不同目標壓力值的穩(wěn)定性試驗。試驗機輸出力值到達不同目標壓力值時的波動情況如表1所示。

圖8 分級加載試驗

圖9 目標值保值試驗曲線

表1 液壓萬能試驗機試驗數(shù)據(jù)

由試驗數(shù)據(jù)可知，在所選取的目標壓力值上，達到穩(wěn)定后的壓力波動均可以控制在1%以內，最好的效果可以達到0.5%以下，滿足實際使用的要求。

6.3 能耗試驗

圖10為上海華龍測試儀器有限公司研制成功的鋼絞線疲勞試驗機，采用功率45kW伺服電動機，最大幅值可達1MN，最高頻率7Hz，振幅約3mm。位移分辨率5μm，力值波動指標<1%。圖11為加載波形(力值時間曲線)。該設備利用了直驅式液壓伺服控制系統(tǒng)的無溢流損失和節(jié)流損失小的優(yōu)點，節(jié)能效果實測值是電液伺服系統(tǒng)的25%。顯著的直觀效果體現(xiàn)為機械噪聲小(<60分貝)，無需外加冷卻系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)結構簡單。

圖10 鋼絞線疲勞試驗機

圖11 加載波形(力值時間曲線)

7 結 論

(1)直驅式電液伺服控制系統(tǒng)是一種在理論上甚至可能不消耗能量、節(jié)能效果顯著的工作系統(tǒng)。

(2)最小工作系統(tǒng)僅有一個伺服液壓泵和一個執(zhí)行裝置，但必須附加一個旁路節(jié)流回路。

(3)單獨直驅式電液伺服驅動系統(tǒng)的調速范圍遠比驅動伺服電動機的調速范圍小，只有數(shù)十量級。

(4)在試驗機上應用這種驅動技術，控制性能在采用了消除波動技術以后，其力值控制準確度可以達到1%以內，但工作范圍受調速范圍的影響。

(5)對于本身消耗功率不大的靜態(tài)試驗機，應用該系統(tǒng)的優(yōu)勢并不明顯。