数字配流与调速式低速大扭矩液压马达及其特性研究

摘要

低速大扭矩液压马达作为一种液压执行元件，由于其自身的特点，在工程机械中应用很广。对低速大扭矩液压马达而言，配流机构是决定其性能的关键部件之一，目前均采用径向轴配流机构或端面配流机构。这两种传统的配流机构，不仅机械结构复杂和加工成本高，而且效率低。此外，传统的配流机构功能单一，仅能实现配流功能。在需要调速的场合，另要增加额外的调速元件，比如电液伺服阀或者电液比例阀，因而增大了系统的复杂度和成本。鉴于此，本论文提出了一种采用高速电磁开关阀组来实现数字式配流与调速的液压马达方案，以装有高速电磁开关阀组的阀块来取代轴配流机构或者端面配流机构，借助于计算机控制技术，这种配流与调速方式在克服传统机械式轴配流机构和端面配流机构结构复杂、加工难度大、存在机械磨损和效率低等缺点的同时，不仅能完成配流功能，还可以实现低速大扭矩液压马达的双向速度调节功能。为了区别起见，本论文将这种带有数字式配流与调速机构的液压马达称为新型液压马达。
　　 围绕所提出的新型液压马达，本论文在剖析传统液压马达端面配流机构的基础上分析了数字式配流与调速的机理；在分析液压马达本体柱塞运动学以及单个柱塞扭矩之后，建立了新型液压马达的静态与动态数学模型，并且开展了配流特性、静态与动态调速特性、低速特性的仿真与分析；此外，开发了新型液压马达样机及其计算机测控系统，重点进行了配流特性、调速特性和低速特性等实验研究。所完成的具体研究工作有：
　　 1)研究了新型液压马达数字式配流与调速机理
　　 对国产JMDG1型曲轴连杆径向柱塞式低速大扭矩液压马达的端面配流机构进行分解，剖析柱塞腔油孔与配流盘油槽之间的尺寸约束，从而得出了端面配流机构的配流规律。在此基础上，对比分析了两种新型液压马达的实施方案，指出了各自的优缺点以及目前采用的方案，并以该方案为例建立了液压马达逆时针方向旋转和顺时针方向旋转的配流状态表以及液压马达本体各个柱塞腔的工作区间表。基于PWM(PulseWidth Modulation)的概念，提出了数字式调速的实现方式，为新型液压马达模型的研究以及样机的开发打下基础。
　　 2)建立了新型液压马达的静态与动态数学模型
　　 采用RBF(Radical Basis Function)人工神经网络对所使用的高速电磁开关阀进行了模型辨识，建立了以PWM控制信号频率、占空比为输入，高速电磁开关阀流量为输出的模型。结合液压马达本体柱塞腔的运动学与排量分析，得出了新型液压马达的静态数学模型。在液压马达各个柱塞腔受力分析的基础上，分角度区间研究了高压油从通过高速电磁开关阀到最终形成合扭矩推动液压马达曲轴旋转的动态过程，并使用Laplace极限定理法对模型中与液压马达相关的参数进行了辨识，最终建立了新型液压马达的动态数学模型，为新型液压马达特性的仿真与分析提供理论依据。
　　 3)进行了新型液压马达配流特性及其影响因素的仿真分析
　　 基于所建立的新型液压马达动态数学模型，以逆时针方向旋转为例，详细分析了新型液压马达配流特性的影响因素，主要包括柱塞腔初始控制体积，绝对值角度编码器以及高速电磁开关阀三个方面。柱塞腔初始控制体积主要影响配流过程中各个切换区间内转速波动的范围；绝对值角度编码器的分辨率对配流过程中角度切换点有着明显的影响；绝对值角度编码器初始安装角度的偏差主要影响了配流过程中的总驱动扭矩，从而带来新型液压马达带载能力的变化；在高速电磁开关阀方面，研究了不同开启与关闭延迟时间以及流量特性差异对配流特性的影响。最后对比了逆时针和顺时针配流过程，并分析了配流状态切换过程。配流特性的仿真分析结论为新型液压马达的样机设计提供了依据。
　　 4)开展了新型液压马达调速特性与低速特性的仿真分析
　　 基于所建立的新型液压马达静态数学模型，初步研究了新型液压马达的调速特性，给出了不同控制信号占空比下液压马达的输出转速随液压马达曲轴转角的关系曲线。针对由于柱塞腔数目变化导致的转速突变问题，提出了一种匹配高速电磁开关阀控制信号占空比的补偿方案。在新型液压马达动态数学模型的基础上，以逆时针方向旋转为例，仿真分析了高速电磁开关阀占空比与开关频率，粘性阻尼系数与负载惯量以及外负载扭矩等因素对调速特性的影响。此外，还结合低速域液压马达摩擦扭矩非线性特性研究了新型液压马达的低速特性。从而从理论上验证了新型液压马达具有更为方便的调速方式以及更小的最低转速。对调速特性与低速特性的仿真分析进一步展示了新型液压马达区别于传统液压马达的优良特性，为后续新型液压马达样机的开发与实验提供指导。
　　 5)研制了新型液压马达样机及其测控系统
　　 在考虑额定流量与压力以及开启与关闭延迟时间等因素后，选择了合适的高速电磁开关阀；在综合比较分辨率以及安装尺寸下选用了适当的绝对值角度编码器。在此基础上，结合JMDG1型传统低速大扭矩液压马达端面配流机构的特点，设计了数字式配流与调速机构本体，并设计与加工了一些重要辅助元件如配流连接轴，最后开发出新型液压马达实验样机。针对实验样机，研制了相应的计算机测控系统硬件与软件。硬件系统主要由编码器信号采集与转换模块以及数字量输出驱动模块构成；软件系统包含角度检测与配流模块、PWM模块以及一些辅助物理量的采集模块组成。所完成的新型液压马达样机及其测控系统为之后的实验验证工作提供了平台。
　　 6)完成了新型液压马达实验验证并开展了恒转速控制应用研究
　　 在实验样机上，开展了配流特性、调速特性和低速特性等各类实验。配流特性实验中包括了初始安装角度偏差影响以及配流切换的过程；调速特性实验中主要分析高速电磁开关阀占空比与开关频率以及外负载扭矩的影响；低速特性实验用于对比新型液压马达与传统型液压马达在低速运行时的转速特性，特别是最低转速。此外，对比新型与传统型液压马达效率上的区别。实验结果表明，所提出的数字配流与调速式液压马达的机理是正确的，其基本特性是优于传统液压马达的；另外，与仿真结果的对比表明，所建立的新型液压马达数学模型是合理的，从而为开发其它类型的数字配流与调速式液压马达提供理论分析工具。
　　 最后，开展了新型液压马达的恒转速控制实验，从实验结果看出，新型液压马达不再需要额外的调速元件就能完成转速的控制，从而验证了所开发的新型液压马达具有配流与调速集一体的功能。
　　 本论文所完成的研究工作以及取得的一些结论，将为后续数字配流与调速式液压马达的进一步研究与推广提供依据，数字式配流与调速技术将伴随着高速电磁开关阀的发展而获得更加广泛地应用。