直驱泵控式液压机液压系统的动态特性仿真及优化

　　由于传统液压机液压控制系统的元件多、结构复杂、能耗大、使用不便、维护成本高且不方便,同时又对工作液压油的要求较为严格,并受到寿命的限制,因此增加了工作成本.在进入20世纪90年代以后,随着世界各国在环境保护,如能耗、噪声、泄漏等控制方面日益严格的要求,节能已成为电液系统的主要研究方向和研究重点[1].

　　1　新型直驱泵控式液压机

　　由于电液伺服系统需要一套连续运转的泵站系统提供油源,因此增大了系统的体积,增加了系统的复杂程度,提高了系统的成本.同时,电液伺服阀对油液特别敏感,需要提高液压油的清洁度,也增加了电液伺服系统的成本[2].如图1所示,新型直驱泵控式液压机由调速电动机、双向定量泵、单向阀及液压缸组成,由开关磁阻电机(或交流伺服电动机)提供动力,驱动双向定量泵来实现液压缸的换向及速度、压力的改变.它的特点是通过开关磁阻电动机速度的改变来实现泵的输出流量变化,达到调节执行元件速度的目的.与传统液压机相比,其结构简单紧凑、可靠性好、机械效率高,由于采用可变速电机驱动定量油泵进行容积调速,因此没有节流和溢流损失.本文对系统进行了优化和改进,使其动态特性更趋于完善.

　　2　系统数学模型的建立及简化

　　如图1所示,系统中开关磁阻电动机作为动力源驱动定量泵,通过调节电机的转速来调节定量泵的转速,从而达到调节泵输出的流量.

　　2·1　开关磁阻电动机及液压泵模型的简化

　　假设忽略铁损,不计涡流和磁滞损耗,不考虑频率和温度变化对绕组的影响,开关磁阻电动机的功率开关器件为理想开关,则开关磁阻电动机的角速度为

　　式中:Te表示电磁转矩;Tl表示负载转矩;J表示转动惯量.在对液压机进行动态系统响应实验时,假设Te和Tl为常数,则开关磁阻电动机的速度Sω也为常数.如果忽略泵的固有流量脉动的影响,对于定量泵,其动态特性主要取决于泵的内外泄漏和液压泵压油腔油液的可压缩性.泵的输出流量为

　　式中:qlp为泵的泄漏量;Dp为泵的排量;np为泵的转速.则

　　式中:pp为泵的压力;μl为油液动力黏度;Clp为泄漏系数.因此种液压机的液压泵惯性较大,压油腔的容积也较大,所以液压泵的液容也需要考虑.泵的液容

　　式中:v0表示液体被压缩前的初始体积;K表示液体的体积弹性模量.

　　2·2　液压缸、单向阀和液控单向阀模型的简化

　　由图1可知,系统中的液压缸为单杆输出,在模型中只考虑液压缸液容及液压缸活塞与缸壁之间的摩擦力影响[3],而不考虑液压缸液感的影响.同时,由于液压缸工作时压力比较高,在高压腔和低压腔上都存在着泄漏损失,其中高压腔的液容为