非对称柱塞泵直驱挖掘机液压缸系统特性研究

摘要

电液控制系统可以分为阀控和泵控两种类型。阀控液压系统响应快、精度高，同一动力源可控制多个执行器，但节流损失大、能量效率低，因而在许多应用场合都遇到了电-机械控制的挑战。与阀控系统相比，闭式泵控系统几乎没有节流损失，具有驱动与动势能回收一体化，能够极大降低系统发热和装机功率等多方面的优势，是目前电液控制技术的研究热点和发展方向。经过20多年的发展，虽然泵控单出杆液压缸技术取得了许多进展，但对于单出杆液压缸面积差造成的流量不对称问题，依然没有好的解决方案，尤其在用于挖掘机液压缸等负载力大小和方向频繁变化的系统时，对称泵控回路存在液压缸速度和压力突变、系统稳定性差等问题，影响实际的应用。因此研究一种稳定可靠、能够匹配单出杆液压缸流量差的泵直驱单出杆液压缸回路具有重要的应用意义。
　　本文从泵直驱单出杆液压缸控制原理和控制策略两个角度，分析了国内外关于泵直驱单出杆液压缸系统的研究现状，明确了各种控制回路的优点与不足，进一步提出了非对称柱塞泵直驱单出杆液压缸控制系统，具体研究内容包括以下几个方面。
　　首先，根据非对称柱塞泵的结构和工作原理建立了泵的仿真模型，对非对称轴向柱塞泵的压力流量特性进行了仿真分析及样机试验测试，验证了泵的工作特性，进一步提出一种可直接实现动势能回收的非对称柱塞泵直驱单出杆液压缸系统回路，实现负载力方向变化时液压缸速度的无突变控制，同时系统无节流损失和溢流损失，具有较高的能量利用效率。其次，基于非对称柱塞泵直驱单出杆液压缸回路工作原理，建立了系统数学模型，并在多学科联合仿真软件SimulationX中建立了系统仿真模型，对新系统用于控制恒负载单出杆液压缸的特性进行了理论分析、仿真研究和试验测试，综合评价了系统的运行控制特性，表明非对称柱塞泵直驱控制系统在恒负载条件下具有良好的控制特性。最后，根据对挖掘机结构参数及斗杆运动规律的分析，利用三维建模软件Pro/E构建了挖掘机虚拟样机，将其导入软件SimulationX中构成了非对称柱塞泵直驱挖掘机液压缸系统模型，同时提出了采用蓄能器进行能量回收的节能方式，并通过仿真分析和试验测试对变负载条件下的系统特性进行了研究。
　　研究结果表明：与对称泵控单出杆液压缸相比，所提出的非对称柱塞泵控单出杆液压缸回路在恒负载与变负载工况下均可获得良好的控制特性，在负载力大小和方向发生变化时，液压缸速度无突变。通过改变伺服电机旋转方向，即可使单出杆液压缸获得对称的伸出和收回速度，极大简化了系统控制策略，同时系统节能效果也非常显著。

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第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2电液控制系统研究概况

1.3课题的提出及研究内容

第二章 非对称轴向柱塞泵理论研究、建模仿真及试验分析

2.1非对称柱塞泵理论分析

2.2非对称柱塞泵仿真建模

2.3结果分析

2.4本章小结

第三章 非对称泵直驱恒负载单出杆液压缸系统研究

3.1非对称柱塞泵控单出杆液压缸系统理论分析

3.2非对称柱塞泵控单出杆液压缸系统建模

3.3非对称泵控恒负载单出杆液压缸特性分析

3.4本章小结

第四章 非对称泵控挖掘机液压缸控制特性研究

4.1 液压挖掘机三维建模

4.2挖掘机斗杆液压缸受力分析

4.3斗杆运行控制策略

4.4速度控制回路特性仿真分析

4.5位置控制回路特性仿真分析

4.6本章小结

第五章 非对称柱塞泵控斗杆液压缸能耗特性研究

5.1系统压力特性

5.2系统能耗特性

5.3非对称泵控挖掘机液压缸回路试验验证

5.4本章小结

第六章 展望与总结

6.1论文总结

6.2工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文