低能耗电液动力源动静态特性分析及其试验研究

发布时间：2018-02-09 01:38

本文关键词： 脉动电液比例泵配流结构变频控制节能　出处：《太原理工大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：电液动力源由电动机和液压泵组成,是为液压系统提供动力的装置。液压泵是电液动力源的核心部件,主要有柱塞泵、齿轮泵和叶片泵等。轴向柱塞泵与其它液压泵相比较,具有压力高、效率高、寿命长、变量方便易于控制等优点。电动机作为电液动力源的驱动动力源,变转速驱动可以进一步降低系统能耗。随着人们环保意识的增强和工业的高速发展,对电液动力源节能要求越来越高。电液动力源通过优化轴向柱塞泵结构实现降低脉动、噪声和提高容积效率,通过变转速降低电液动力源能耗。另外,在工程应用中液压系统需要两个独立液压动力源时,根据需求改变柱塞泵结构,进行重新设计加工,研制两个独立输出流量的轴向柱塞泵,将驱动源变成一个,大大降低了驱动源能耗。本学位论文通过优化轴向柱塞泵配流结构提高容积效率、变转速驱动比例恒压泵降低动力源能耗、设计研制双排量输轴向柱塞泵减少驱动源,降低电液动力源能耗几部分内容展开研究,目的使电液动力源能耗能够进一步降低,同时该学位论文得到国家自然基金项目课题(51575374和50775156)的资助。为了降低电液动力源能耗,从建模分析、仿真运算、试验测试三个步骤进行研究。以轴向柱塞泵理论分析为起点,利用MATLAB软件对配流面积进行程序设计,在AMESim软件平台建立柱塞泵仿真模型,通过试验方法验证模型的准确性,并对变转速变排量组合下电液动力源能耗进行研究。在此基础上构造变转速驱动比例恒压泵电液动力源,以理论研究和仿真模型结论为指导,构建试验台。由变频异步电机和伺服电机分别为驱动源驱动比例恒压泵实现压力、流量复合控制,在保压状态、非工作周期压力卸荷状态、恒压状态,通过降低电机转速能耗大大降低。进一步设计独立双排油柱塞泵模型,对其仿真、试制、试验,成功研制双排油柱塞泵,性能可以代替双联泵,减少驱动源,使驱动源能耗降低,液压回路结构简化。本学位论文主要分以下几部分:第一章介绍了论文立项背景,综述变排量、变转速、变结构三种情况下电液动力源节能的研究现状,在此基础上进一步分析了配流结构对轴向柱塞泵脉动的影响,通过改变配流结构使电液动力源能耗进一步降低。第二章以单柱塞模型、变量机构动力学模型、运动副泄漏模型为基础,建立了轴向柱塞泵仿真模型,进行了压力脉动测试,研究表明:输出流量变化一致时,变转速压力脉动变化率小于变排量;变转速和变排量组合控制,高转速小排量泵输出压力脉动小。第三章以变频器、三相交流电机和比例恒压泵构造新的电液动力源,进行仿真和试验,能耗试验表明,在保压状态,电机转速由1500 r/min下降到300 r/min,系统能耗降低3 k W;在非工作周期处于压力卸荷状态,转速由1500 r/min下降到300 r/min系统能耗仅为原来的31%;在恒压模式,变转速和变排量组合下,电机转速由1500 r/min下降到450 r/min,能耗降低3k W。针对变速异步电机驱动动态响应慢的问题,提出在主回路增设蓄能器的方法,并将其高压油液分别引入液压泵吸油口和排油口,辅助驱动液压泵加速起动和制动的解决方案。扭矩助力提升,使变速异步电机起动时间由原来的1 s缩短到0.2 s,停止时间由原来的1.2 s缩短到0.7 s。经过仿真和试验研究,该动力源实现压力-流量复合控制、功率控制、响应快、能效高。闭环控制使系统流量在压力负载扰动下,流量精度误差不超过0.5%。第四章以伺服电机和比例恒压泵构造电液动力源,该动力源主要应用在控制精度高、小功率的液压系统中。由于伺服电机转速输出动态响应快、精度高的特点,使系统流量控制精度高、动态响应快。对系统压力进行比例-微分闭环控制,动态响应快,超调小,抗干扰能力强。通过转速补偿流量控制精度误差不超0.2%,利用比例恒压泵和变转速的组合,降低转速能耗较恒定转速电机驱动的动力源下降30%。第五章双泵液压动力源系统复杂,两排油口流量输出实现同步连续变化存在问题,提出在原轴向柱塞泵模型基础上,更改配流结构,将其配流盘腰形槽排油环为内、外环并联腰形槽,吸油环为单腰形槽组成的双排油输出配流盘结构。以仿真模型为基础,优化配流结构,分析了双排油柱塞泵结构的可行性。进一步以A10VSO-45轴向柱塞泵结构为参考,对配流结构、吸排油口结构、端盖等相应部分进行设计,样机试制进行试验,在压力脉动、容积效率、噪声等级几方面优于原参考轴向柱塞泵的性能,作为驱动源,可作为双联泵使用,体积变小,简化了液压系统结构,实现了高效节能的目标。第六章总结全文,指出文中创新点,展望后续研究内容。
[Abstract]:An electro - hydraulic power source is composed of electric motor and hydraulic pump . It is the core component of electro - hydraulic power source , which is composed of plunger pump , gear pump and vane pump . In chapter 1 , the paper introduces the research status of the energy saving of electro - hydraulic power source under three conditions of variable displacement , variable rotation speed and variable structure . In this paper , the characteristics of high precision and high precision are applied in the hydraulic system with high control precision and low power . The system has high control precision and high dynamic response due to the fast output dynamic response of the servo motor .

【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH137.51

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