基于直驅式電液伺服系統的液壓機補油性能分析

聶世明，張 敏，井智民

（河海大學常州校區 機電工程學院，江蘇 常州213022）

0 引言

近十幾年來，在容積控制系統和交流伺服電機得到廣泛應用的背景下，出現了永磁交流同步伺服電機直接驅動雙向定量泵容積控制的電液伺服系統，也稱DDVC[2]（Direct Drive Volume Control）系統或無閥電液伺服系統。該系統的液壓執行機構的換向、調速、調壓三大功能全由交流伺服電機直接控制，所以叫“直接驅動”，油泵的出油流量的改變也是由電機直接控制，具有高效節能、小型集成化、操作與控制簡單、成本低等優勢[3]，因此其發展非常迅速。

油壓機廣泛應用于汽車行業零配件加工，多種行業產品定型、沖邊、校正，制鞋、手袋、模具、軸套類零件的壓裝、壓印成型，板材零件的彎曲、壓印、套形拉伸等工藝。但是，由于其開式回路存在補油問題，所以一般采用加裝副油箱或動力補油，即用液壓泵單獨作為補油泵使用。從而增加了系統的體積與重量，并產生諸如發熱等問題[4]。為解決該問題，本文采用了一種無動力補油閥的結構方案，通過設計密閉壓力油罐的壓力較好地解決了非對稱液壓缸補油排油問題。

1 傳統油壓機液壓系統分析

現有油壓機液壓系統幾乎都是開式回路。液壓系統中通過控制閥控制和調節液壓介質的流向、壓力和流量，從而控制執行機構的運動方向、輸出的力或力矩、運動速度、動作順序，以及限制和調節液壓系統的工作壓力，防止過載等（如單向閥、換向閥、溢流閥、減壓閥、順序閥等），如圖1 所示。

本文主要對比開式與閉式系統補油、排油情況。開式回路：液壓泵3→順序閥8→上缸換向閥9（左位）→單向閥I3→液壓缸I2無桿腔。即油泵從油箱吸入油，當桿件快速下行時由副油箱13 的油流經液控單向閥I1流入到液壓缸無桿腔進行快速補油，當桿件接觸工件后無桿腔壓力升高，液控單向閥I1關閉，運行速度由液壓泵流量決定，同樣，當排油時I1打開，多余的油液流回副油箱。

圖1 開式回路油壓機液壓系統圖

油壓機液壓系統中采用開式油箱，在使用過程中常常發現爬行現象并伴有較大的噪聲，這均為系統中產生吸空或氣穴（即補油系統短暫失效）的緣故，通常情況下，當系統中某處油液的絕對壓力小于此時的空氣分離壓Pg[5]，油液中溶解的空氣就會分離出來，形成一些氣泡，從而造成液壓泵的吸油能力下降，導致系統產生爬行和噪聲。開式油箱或密閉油箱均易導致該問題的發生。

開式系統補油、排油存在的問題：

（1）系統補油、排油中系統組件復雜，各種控制閥的控制增加了系統壓力損失。

（2）開式油箱外加副油箱容積大，導致增加了系統體積、質量。

（3）在驅動上都是使用恒轉速感應式異步電動機（鼠籠機）。在工作時電動機始終處于高速恒轉速運行，耗能較大。

（4）采用開式油箱，系統在工作過程中勢必產生氣穴，造成系統爬行、噪聲增大。

（5）油液質量要求高，廢油多，處理困難。

另外，泵直接傳動系統中的液壓泵均按油壓機的最大工作速度和工作壓力選定，而油壓機在充液行程、回程、輔助工序和所需工作壓力較小時，液壓泵都得不到充分利用，尤其是大噸位的油壓機，其利用系數很低。

2 DDVC系統在油壓機上的應用

2.1 系統原理分析

如圖2 所示為油壓機直驅式容積控制伺服系統原理圖。系統采用閉式回路，主要組成部分為計算機控制系統、伺服系統、泵控動力機構和傳感器。計算機控制系統，利用給定輸入信號和反饋信號，通過適當的控制算法，給出系統控制信號，經信號轉換后輸入伺服電動機驅動器，生成控制指令。伺服電動機根據控制系統輸入指令，改變轉速、運動方向，直接驅動雙向液壓定量泵，產生一定流量和壓強的液壓動力，推動液壓缸，帶動負載。傳感器將需要控制的物理量反饋給計算機控制系統，實現系統的伺服控制。

圖2 油壓機直驅式容積控制系統原理圖

2.2 液壓系統采用無動力密閉壓力油罐補油

為了解決開式油箱補油存在的問題，設計了密閉壓力油罐，如圖3 所示。其中，油罐體為鋼結構。氣囊的采用，是為了將空氣與油液隔絕開來，同時它又是可壓縮的氣體彈性元件，可防止發生吸空或氣穴的可能性。該結構類似于傳統的蓄能器，但是，氣囊的尺寸應根據實際系統而設計，充氣壓力不能太高，從而保證系統的可靠性與安全性[1]。此類油罐需專門定制，結構復雜，成本增加。其工作原理與蓄能器相近，由于密閉壓力油罐（油箱），在油罐中有氣囊，在充氣后使油泵吸油口始終保持正壓，從而提高液壓泵的自吸能力[6]。氣囊式壓力容器避免了空氣與油液的直接接觸，減少了油液中的空氣含量。

圖3 密閉壓力油罐結構圖

2.3 密閉壓力油罐在DDVC系統的應用與補油分析

改進后的油壓機采用密閉壓力油罐補油、排油。由于油缸為單出桿缸，即油缸兩腔的容積是不等的，分別進行伸出與回縮時流量分析。如圖2 所示。

（1）活塞桿前進（伸出）時：活塞桿油腔（小腔）排出的油量小于活塞腔（大腔）所需的油量，此時油泵的入口處除接受油缸小腔排出的油量外，桿在未接觸工件前無桿腔壓力較低，此時系統中密閉壓力油罐5 通過單向閥3 向系統快速補油，滿足流量需求，在桿接觸工件后系統壓力升高，系統流量減小，通過正常吸排油就能滿足系統油量的需求。

（2）活塞桿后退（縮回）時：電機反轉，改變主回路中的高壓與低壓。油缸大腔排出的油量大于油缸小腔所需要的油量，電機換向電磁換向閥7 接（右位），接通液控單向閥9，此時在滿足油泵吸油口所需的油量后，多余的油液經液控單向閥流回密閉壓力油罐。在本系統中，由管道接無桿液壓腔將多余油液引回密閉壓力油罐，必須保證回油壓力大于密閉壓力油罐的壓力，由于密閉壓力油罐壓力不是很大，當無桿腔回油時回油腔壓力會大于罐的壓力，會將多余的油液排到油罐中。

2.4 改進后的油壓機——直驅式容積控制系統優缺點分析

其優點主要有：油箱容積小，控制精度高，控制閥減少，液壓回路短，減少了壓力損失，節約電能，噪聲小，油液質量要求不高，很少產生廢油，等。

直驅式控制系統存在著以下不足：①一般情況下，開式回路適用于具有多個執行器的系統，即多用戶系統。但這時系統中要使用方向控制閥。閉式回路的特點是適合單用戶系統，即只有一個執行件的系統，這是閉式回路的局限性[7]。②在系統動態特性的快速性，即響應特性方面不如傳統系統。③由于系統中控制精度的增加，使其制造價格要高出普通油壓機很多。

3 結論

綜上所述，油壓機直驅式控制系統中采用密閉壓力油罐進行無動力補油，由于油罐始終保持一定的壓力，從而補償了系統中的閥、管道等的壓力損失，消除了補油不足及其產生的噪聲及爬行問題。在間隙短時操作或液壓泵頻繁啟動的系統中，壓力油罐可以作為輔助能源使用，進而減少液壓泵的功率，節約動力，減少投資，提高電機和液壓泵的壽命。

[1]李閣強，王漢杰，許宏光，等.密閉壓力油罐補油性能的研究[J].機械設計與制造，2011，（9）：137-139.

[2]劉慶和.直接驅動容積控制液壓傳動原理（DDVC系統）[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2007：12-18.

[3]姜繼海，蘇文海，劉慶和.直驅式容積控制電液伺服系統[J].軍民兩用技術與產品，2009，（9）：43-48.

[4]許宏光，桂文浩，劉慶和.液壓閉式回路無動力補油的實驗研究[J].機床與液壓，2006，34（2）：121-124.

[5]雷天覺，等.新編液壓工程手冊[M].北京：北京理工大學出版社，1998.

[6]蘇文海，姜繼海，鄧 攀.直驅式電液伺服閉式回路的噪聲分析[J].機床與液壓，2010，38（10）.

[7]劉慶和.直驅式液壓傳動[J].液壓氣動與密封，2011，（7）：9-12.