液压式力标准机控制系统的改造研究

　　笔者通过对力标准机伺服控制系统、电气控制系统及控制软件进行研究，研制出一套全新的伺服液压系统及自动控制的操作系统，保证了力值计量的高精度、高稳定度，提高了工作效率。

　　一、改造面临的主要问题

　　1.油缸的密封性

　　在实际应用中的油缸都存在不同程度的渗漏，而且这种渗漏是不确定的，渗漏大小随着系统压力、温度高低会产生很大的变化，而且是非线性的。

　　2.油泵的稳定性

　　任何油泵都有一个工作区域，低于此工作区域的油泵的输出量非线性加大，且油泵的脉动会变得很大，这将导致液压系统的不稳定。

　　3.伺服电机平稳性

　　目前，国内外生产的伺服电机在很低转速运行时的平稳性存在一定局限，在较高转速时则表现得非常平稳。

　　以上是改造过程中面临的突出问题，只有解决才能保证力标准机液压动力系统的控制准确度和速度。

　　二、研究方案

　　1.伺服控制系统的研制

　　在理想状态下伺服电机直接驱动油泵，伺服电机的转速、转矩与执行机构所需的压力、流量，通过推导符合以下关系:

　　由式(1)、(2)可得:

　　由于

　　将式(3)代入式(4)，得

　　式中:P——系统功率，W;p——系统压力，Pa;Q——流量，m3/s;Tw——转矩，N·m;n——电机转速，r/s;q——油泵排量，m3/r。

　　根据式(5)，在理想的一套系统中q/2π为常数，所以伺服电机的转矩与系统所需的压力成正比。根据Q=n×q，可知伺服电机的转速与系统所需的流量成正比。这表明只要动态地调整伺服电机的转矩、转速，就能提供执行机构所需的压力、流量。

　　通常来说，任何油泵都有一个工作区域，低于此工作区域的油泵的输出量非线性加大，且油泵的脉动会变得很大，这将导致液压系统的不稳定。根据上述理论和分析，采用差值法使两个伺服电机分别控制两个油泵，两个油泵分别控制油缸的进回油，通过两个油泵的转速差决定油缸压力的增减，从而可以实现:根据控制要求将液压动力源的流量细分，提高分辨力;使伺服电机、油泵都在理想的工作区域内运行;将油缸不确定的渗漏控制成相对恒定的渗漏，提供力源控制准确度。

　　根据试验:在500kN液压动力单元，采用外啮合齿轮泵，排量为1.0mL/r，齿轮泵内齿数为100个，在理想状态下，一个齿轮泵的最小出油分度值为1.0mL/100=0.01mL。在20kN测力点，平均转速为3.1r/min，也就是油缸对油泵的供油要求为1.0mL/r×3.1r/min=3.1mL/min，采用的控制速度为100Hz(每秒钟调整100次)，即60×100=6000次/min，这就要求流量的最小分度为3.1/6000=0.00052mL，显然用一个油泵很难满足这种高精度的控制要求。而采用两个伺服电机分别控制两个油泵，两个油泵分别控制油缸的进回油，两个油泵的转速差乘以油泵的排量等于油泵对油缸的供油量，在控制上将回油的油泵转速定为300r/min，这样在20kN测力点进油油泵的转速理论上为303.1r/min，这时虽然两个油泵对油缸的供油量还是3.1mL/min，但在这种状态下油泵的转速为300r/min，两个油泵流量迭加后的最小分度为3.1/100/300=0.00001mL，这样就完全能满足流量的最小分度为0.00052mL要求。