液压驱动小车定位的研究

李玉文，雷泽勇，邓 健，钟 林，汪 卢

(南华大学 机械工程学院，湖南 衡阳 421001)

0 引 言

随着人们对控制精度的要求越来越高，传统液压系统的精度不高这一缺点逐渐显现[6]。各类机械设备对液压驱动系统的要求越来越高，液压技术往大容量、大行程、高速、高压强方向发展；同时对液压缸行程的精度要求越来越高，而液压系统精度主要通过电液伺服系统进行控制。由于液压传动力大，所以为人们广泛使用的一种传动方式；缺点是传统液压系统行程运行精度低，因此提高液压缸行程精度作为液压系统研究的主要部分。传统液压系统通过节流阀减少液压油的流量实现运动小车减速，然而节流阀调控精度有限；行程末端经常发生机械碰撞损坏设备，影响运动小车的位置精度。结合液压控制、行程监测、弹性碰撞等多学科，必将实现液压缸行程精密控制得到长足进展。笔者研发一种电液伺服系统结合弹簧缓冲，在控制液压驱动系统行程精度具有良好效果。

1 液压阀与液压系统的组合图

工作原理：小车(载重后总重量2 t)动力源为液压驱动系统4，小车接近行程末端时液压系统节流阀启动，通过限制液压缸流量到达控制小车运行速度；小车靠近定位装置时，缓冲弹簧1吸收小车残余惯性力；小车移动至终端位置时，触碰电磁铁2的触点，电磁铁2启动并吸住小车，完成小车定位，如图1。

图1 小车运行及缓冲示意图1.缓冲弹簧 2.电磁铁 3.小车 4.液压驱动装置

2 移动小车位置精度的控制

液压缸行程的精度由液压缸活塞位置检测精度、伺服电机调控精度共同决定。

2.1 行程检测

电液伺服系统中液压缸作为执行元件，是小车移动的动力源；而电液伺服系统中，液压缸行程的精度在很大程度由检测设备的精度决定。位置检测元件有自整角机、旋转变压器、感应同步器和差动变压器等，检测装置的精度是系统控制精度的上限。

液压缸检测装置，按设备安装形式分为外置式和内置式两种[3]。外置式行程位置检测设备不受空间限制，可以使用任何检测范围和精度要求的位移传感器；缺点是空间占用量大、容易受到外界环境干扰。内置式行程位置检测设备正好相反，缺点是受到空间限制，安装维护均不方便；优点是空间占用量很小、有效避免外界环境干扰。结合本次装备运行的实际情况，液压缸行程检选择超声波外置式测装置，如图2。

图2 液压缸行程检测

2.2 伺服电机的选择

针对液压缸驱动小车定位技术的研究，核心技术是通过数字化控制液压泵的给油量，实现液压缸行程的精度控制；为了使液压泵的给油量能够按照液压缸的预期行程实现可控，供油部分的驱动电机采用交流伺服电机，因为交流伺服电机是数字化可控的。

根据伺服电机的特性，选取伺服电机作为自动控制系统中动力源，担负着自动控制系统电能与机械能转换。但是不同伺服电机的步距角和额定功率都不相同，所以需要根据系统工作情况选择合适功率的伺服电机。

活塞杆的推力：

F=pA

式中：F为液压缸的推力；p为液压油的压力；A为液压缸中活塞杆推行缸径的有效面积。

式中：v为液压缸推行的速度；q为液压缸中液压油的流量。

液压缸的输出功率为：

P=Fv=pq

总效率η为：η=ηm·ηv

式中：ηm为机械效率，一般ηm为0.9～0.95；ηv为容积效率，取ηv≈1。

电机功率为：p0=p/η

p0=2000×2.5÷0.93≈11 kW

所以，选择交流伺服电机SIEMENS/西门子1FK7，其额定功率大于上述功率。

3 移动小车行程末端缓冲过程

液压系统作为动力源时，移动小车的行程末端采用液压缓冲，其行程终端采用机械式再次缓冲。

3.1 液压缓冲

液压系统中，多数采用节流阀节流或间隙节流减速缓冲，这些装置在控制液压缸精度上均达到良好的作用。液压系统通过对液压油节流从而达到缓冲效果，其油路通道变窄形成节流间隙，实现背压缓冲效果。通过液压油的背压力来缓解运动小车的惯性力，减轻运动小车与定位装置的碰撞，维持系统工作的稳定性及防止运动小车损伤，保证液压系统精度。

液压缓解系统能量计算，设背压腔内液压油的能量为E1，运动部件的能量为E2。

E2=Ed+Em±Eg-Ef

通过计算可知，E2=13500-140l，在行程最后1 m(l≈1 m)需要实行液压缓冲。

实际工程中运动部件惯性较大，E1≤E2运动部件的能量没有被背压腔内液压油完成吸收，其中一部分能量驱动运动部件与定位装置碰撞。此次由于液压缓解系统的限制性等，采用非完全缓冲装置。液压回路设计，如图3所示。

图3 液压系统简图

3.2 机械缓冲

TB/T 1961-200上规定普通缓冲器的初压力<250 kN，机车专用缓冲器的初压力需要满足100～300 kN[2]。在实际工程中采用电液伺服系统与机械缓冲相结合，对行程末端小车实施再次缓冲，以便实现小车与定位装置软接触；小车到达预定位置时，触碰接近开关，电磁铁自动启动对小车实行限位，此装置在控制系统精度起到了良好的作用。

运动部件碰撞过程可分为接触-弹性变形-恢复变形-接触部件分离，若限定变形的接触区域，运动部件与定位装置碰撞过程的冲击就可以采用线性弹簧-阻尼力函数，函数表达式为：

由以上公式计算，可知：

F=4τ+1.2τ2

积分得，

E=2τ2+0.4τ3

极限工作应力为：

τlim=0.8σB(σB取值1500)

极限工作载荷为：

为满足小车行程末端缓冲要求，极限工作载荷大于等于碰撞力：

F≤Flim

由计算可知，小车残余惯性力远小于弹簧你够承受的极限碰撞力，满足实际需求。

3.3 缓冲过程模拟分析

通过模拟分析，由图4可知运动小车动能随位移线性递减，缓冲1 m动能为零；由图5可知弹簧缓冲位移越长，所受到的碰撞力越大；图6为碰撞前运动小车动能与碰撞力的拟合曲线，可知位移越小两者的拟合性越好；图7和图8为缓冲后小车受冲击力未发生明显变形，强度满足要求；可知液压系统缓冲选择1 m行程，弹簧缓冲选择5 cm行程，模拟实验与理论计算相符合，满足实际工程需求。

图4 小车动能 图5 小车碰撞力

图6 小车动能与碰撞力拟合曲线

图7 小车受碰撞等效应力

图8 小车受碰撞总变形

4 结 论

液压驱动小车定位过程的研究，小车行程末端通过启动节流阀节流控制液压系统的供油量，有效地降低小车的运行速度；接触处实施机械式缓冲，消除小车残余惯性力，实现小车与定位装置软接触。此研究成果提高小车行程终端的定位精度，避免接触处小车受到较大冲击载荷。该装置选择理论计算与模拟仿真相结合，及实际工程验证此研究方案的可行性。此研究成果开启了我国电液伺服系统精准控制的新篇章，加快了我国电液伺服系统的升级，具有重要的研究意义。同时，此研究成果还可以在相关航空工业、起重装备等行业推广使用。