变频调速液压系统调速范围研究

　　引 言

　　液压系统的流量脉动影响因素很多, 对于通常采用节流或变量泵方式实现调速的系统, 其流量脉动问题并不是特别突出, 但对于通过改变液压泵转速实现调速的变频液压调速系统, 流量的脉动问题就不容忽略了。

　　液压系统调速方式分为节流调速和容积调速两类。节流调速又称为阀控调速, 是通过改变节流阀、电磁比例阀或调速阀开度的办法改变执行机构速度, 是液压系统常用的一种调速方式, 适合于小功率或速度变化不大的场合, 具有成本低、操作简便、安装及维护方便等优点。但由于节流能量损失转化为系统油液的温升, 高温将使系统油液老化、密封硬化、泄漏量增加, 同时带来能源浪费, 噪声污染等不足。目前在液压系统中, 泵绝大多数由异步电机拖动, 电机在供电工频条件下按额定转速运行, 执行元件所需的流量, 靠改变变量泵的排量来实现, 即常用的容积调速方式。这种方式尽管避免了溢流损耗, 但由于常采用阀控伺服机构来实现排量的变化, 故存在着液压系统对油液抗污染要求高, 小流量时电机与泵仍需高速运转, 机件易磨损和效率低, 对液压元件特别是伺服变量泵的制造精度要求高、制造成本高等问题; 同时系统相对故障率也较高。

　　随着微电子技术和功率电子器件的发展, 异步电机变频调速技术以其结构简单、坚固耐用、动态响应好等优点愈加受到人们的重视。将变频调速技术引入液压系统中, 通过改变异步电机的电源频率和电压来调节电机的转速, 从而满足执行元件速度的要求。由变频器、电动机、定量泵及液压缸(或定量液压马达)所构成的调速系统, 具有结构简单 ,对工作环境及介质过滤精度要求不高, 调速范围宽, 系统动态响应快, 低频转矩大等特点。变频器不仅能实现宽调速, 还可进行伺服控制, 交流变频调速应用越来越广泛。但由于变频调速液压系统是通过改变泵的转速来调节系统流量, 因此在低转速时, 系统的流量脉动影响系统的调速范围。

　　1 泵输出的流量脉动

　　式中: (q_sh)_max— 泵瞬时流量最大值;

　　(q_sh)_min— 泵瞬时流量最小值;

　　q_t— 泵的理论流量。

　　在变频调速液压系统中, 由于系统的调速范围宽, 泵转速变化大, 需要考虑定量泵的容积效率变化, 为此提出实际流量脉动的概念, 实际流量脉动系数 δ_qR定义为

　　式中 : q_l— 泵的泄漏流量;

　　ηv— 泵的容积效率。

　　液压泵的瞬时流量呈周期性变化, 即在泵的平均流量上叠加高频率的脉动流量, 其频率和幅度取决于泵的转速和有效工作腔室数( 齿数、叶片数或柱塞数)等。引起流量脉动的主要原因有两个方面:[4]其一是由于泵的结构所决定的排油非连续性以及有效工作腔室数的周期性变化而引起的几何流量脉动; 其二是由于油液的可压缩性, 在有效工作腔室中油液与高压腔相接通时, 高压油向工作腔回流, 引起液压冲击, 这种液压冲击比液压泵的几何流量脉动大得多。两者叠加形成的流量脉动对系统性能产生不利影响。