刘瑞胜开题报告Word文档格式.docx

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（1）系统对油液污染特别敏感。

研究表明，大于动态间隙微粒的进入是电磁换向阀磨损的根本原因，也是导致电磁换向阀发生故障的最主要原因，这将导致系统工作可靠性和稳定性的降低。

因此必须强化和完善过滤技术，提高液压油的清洁度，相应地也提高了系统的成本，增大了系统的体积和复杂程度；

（2）电液传动系统需要一套泵站系统提供恒压油源。

因此增大了系统的体积、复杂程度和成本，限制了其在安装空间小的特殊应用部门的更广泛应用；

（3）电液传动系统的换向阀提供的负载压力最大只有油源压力的2/3，系统能量浪费严重；

（4）由于电液传动系统效率低，使系统液压油温度升高，从而系统需配备冷却装置，导致系统体积增大和复杂化，成本增高[2]。

直驱式容积控制（DirectDriveVolumeControl，DDVC）电液传动系统正是针对传统有阀电液伺服系统的这些缺点而提出的。

直驱式容积控制电液传动系统也叫无阀系统，即用调速电动机直接驱动液压泵。

这种系统靠改变泵的转速来改变其输出的流量达到调节执行元件速度的目的，从而实现对液压系统的控制。

直驱式容积控制电液传动系统具有电机控制的灵活性和液压出力大的双重优点，而且与传统电液传动系统相比，节能高效、小型集成化、环保、操作方便、价格经济，目前已经在多个领域的装置上得到应用并取得了很大的经济效益。

但系统动态特性不高的问题使其应用场合受到限制[3]。

发改委能源研究所副所长戴彦德在第六届石油和化工节能论坛上表示，对于十二五规划许多专家提出20%的节能目标，目前尚未达成一致，但肯定不会低于15%，因此对直驱式容积控制电液传动系统的静动态特性及控制进行深入的理论分析和实验研究，研制出性能优良的直驱式电液传动系统，并将该系统应用到斗轮机等工程机械中，对促进经济发展、节能减排具有重大的理论意义和实用价值。

2.国内外的研究现状及分析

2.1斗轮机的研究现状

斗轮机是在小型斗轮挖掘机的基础上发展起来的堆、取合一的轨道式装卸设备，主要应用于火电厂、矿山、港口、钢铁、水泥等行业以及大型水利工地的散料的堆取、输送和均料。

与间歇式的起重机和装载机比较，具有生产效率高、堆取料能力大、料场占地面积小、运行速度稳定、功率变化小、容易实现自动控制等优点。

斗轮机按结构不同，分为悬臂式、门式和桥式三类；

按功能不同可以分为取料机、堆料机、混匀取料机、混匀堆料机等。

其中，悬臂式斗轮机以工作机构动作灵活、作业范围广和对场地要求相对较低成为最为常用的结构形式[1][4][5]。

俯仰形式采用油缸变幅、整体俯仰，外形结构如图1所示。

世界上研究和开发斗轮挖掘机最早的国家是德国，始于19世纪30年代，其次是前苏联和前捷克斯洛伐克等。

目前国外的主要厂商有德国的克虏伯、日本的三菱重工、美国的斯维达拉、英国的亨肖、奥地利的奥钢联、法国的凯亚等公司。

德国在斗轮机的研究方面一直处于领先地位。

1916年世界上第一台轨道式斗轮挖掘机在德国比特费尔德附近的贝格威茨露天煤矿投入使用，随后的1919年又产生了第一台履带行走式斗轮挖掘机，这可以说是斗轮挖掘机发展过程中的一个里程碑，标志着斗轮挖掘机进入了实际应用阶段。

20世纪70年代，由于液压技术和电控技术的发展，斗轮机的各组成结构逐渐趋向成熟，使得斗轮机的操作更加简单、功能更加完善。

目前世界上最大的斗轮堆取料机由奥地利的奥钢联制造，2002年使用在澳大利亚沃勒塔港，此设备的回转半径为59m，生产能力为9600t/h。

斗轮堆取料机的应用在我国起步较晚，最早的斗轮堆取料机设计可以追溯到1966年。

当时国内部分钢厂、码头急需使用此类设备，为满足当时的社会需要我国开发了第一代斗轮堆取料机。

这标志着我国己具有制造大型散料输送机械的能力。

20世纪80年代，由于电力和钢铁工业的发展，斗轮堆取料机发展迅猛，在电力部门、港口使用量剧增。

20世纪90年代，国内斗轮堆取料机已经向更广的方向发展。

在钢铁企业、电厂、各大港口到处都可以看到斗轮堆取料机。

国内生产的第一台用于高寒地区的斗轮堆取料机是DQL1600/1600.35，目前正运行于内蒙古的霍林河矿区。

国内现在已开始了关于斗轮堆取料机自动控制方面的研究，控制水平已经达到20世纪70年代国际水平。

另外，为了使斗轮堆取料机工作时更加稳定、安全、可靠，在设计过程中引入计算机仿真技术，图象处理技术，故障检测技术等各种信息技术。

这些技术的引用将使我国在斗轮堆取料机的设计和研发尽快赶上世界先进水平[1][6]。

2.2直驱式容积控制电液伺服系统研究现状

直驱式容积控制电液伺服系统是近些年研究发展起来的一种新型电液伺服系统。

它具有高效节能、小型集成化、操作与控制简单、成本低等优势，因此其发展相当迅速，尤其在一些能源短缺国家更是得到了极大的重视[7]。

美国、德国、俄罗斯、瑞士等国家对直驱式电液伺服系统的研究主要集中在电动静液作动器（EHA）和液压电梯上[8-9]，如美国Moog公司研制的新型电动静液作动器1997年在F-18上作了飞行试验，1997年瑞士BERINGER公司在德国奥斯布格的97'

INTERLIFT国际电梯展览会上展出了其最新研制的变频驱动液压电梯控制系统，引起了轰动[10-11]。

日本对直驱式容积控制电液伺服系统已有十几年的研究，并取得了很大的成果。

日本第一电气株式会社对此类系统已有近十年的研究，达到了实际应用阶段。

其研制的无阀伺服系统已经在精密锻压机、船用舵机、连铸设备、印刷机、六自由度平台、2500吨液压以下高压成形机上得到了应用。

日本钢管株式会社（NKK）福山制铁所连铸设备采用第一电气株式会社设计的无阀电液伺服系统，节能效果十分明显，每年电费从500万日元锐减为9万日元，只占改造前的1.8%。

而且，因无阀系统所用的液压油相对较少，改造后的连铸设备解决了废油处理和环保等方面的难题。

东京工科大学的一柳研究室对本机构也有研究。

日本第一电气株式会社研制的无阀伺服系统已经在精密锻压机、船用舵机、连铸设备、印刷机、六自由度平台、2500吨液压以下高压成形机上得到了应用。

东京海洋大学的练习船“汐路丸”号舵机于1998年改造时也采用了日本第一电气株式会社设计生产的无阀电液伺服驱动的舵机装置，所需电力只为改造前的10%。

该系统投入使用5年来，运行状况大大超过改造前，还可进行舵减摇的试验研究。

该船改造前后传统型和无阀系统对比如表1-1所示[12-16]。

表1-1直驱式电液伺服系统和传统电液伺服系统对比如下表所示

Table1-1Contrastbetweentwoelectro-hydraulicservosystem

类型

项目

传统电液伺服系统

直驱式电液伺服系统

系统组成

普通交流电动机、变量泵或定量泵、电液伺服阀、溢流阀、油缸或液压马达

交流伺服电动机、定量泵、单向阀、油缸或液压马达

回路

开式回路

闭式回路

效率

20~30%

80~95%

响应

高

一般

耗能比

1

1/10

功率

1/2~1/10

质量

1/2~1/5

空间占用

1/8~1/15

介质容积

<

1/20

操作与维修

复杂

简单

环保

噪音大、废油处理困难

噪音小、废油少易处理

成本

1/2~1/3

日本的NAMBU公司和OPTON公司已经开发出自己的直接驱动容积控制电液伺服系统（DDVC）的成型产品。

这两年，日本对直驱式电液伺服系统的研究更加广泛，据最新消息，在今年年初日本的相关杂志大幅的介绍了最新设计的直驱式电液伺服系统，它的频率响应达到了5Hz，这就大大提高了直驱式系统的动态性能。

从国外的直驱式电液伺服系统的研制情况可以看出，目前国外在直驱式电液伺服系统的研制方面已具备相对成熟的技术。

国内对直驱式容积控制电液伺服系统的研究起步稍晚，主要研究单位有北京航空航天大学、浙江大学、太原理工大学、广东工业大学、哈尔滨工业大学等。

北京航空航天大学主要研究功率电作动系统，采用高性能BLDCM（BrushlessDCMotor，永磁无刷直流电动机）驱动，研究新型EHA（Electro-HydrostaticActuator）原理样机的方案。

在液压传动中采取蓄能、蓄压等措施，在系统内环采用仿人智能PID控制、外环采用基于预测变增益PD控制的方式，进行建模仿真，指出新型EHA具有良好的动态特性，即具有高响应、高精度、无超调的控制能力。

浙江大学流体传动及控制国家重点实验室提出了几种典型的VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）液压系统，对变频回转液压装置进行建模仿真。

在试验上模拟直线水平运动、直线垂直运动和回转运动的负载，并应用于注塑机、液压电梯与驱动大型机床的主轴或回转工作台上。

在应用于液压电梯调速方面，深入研究了回路内泄漏的补偿、低频力矩、电磁屏蔽及下行能量回收等问题。

在系统动态特性方面，通过改变伺服电动机的控制方法和改变液压机构参数进行仿真分析，得出结论有：

减小转动惯量有利于启动；

弹性模量减小则使启动平缓但使动态响应变慢；

阻尼变化对转速没有影响，但对系统压力有影响[17]。

太原理工大学的权龙教授主要比较了由电动机和液压泵的多种组合形成的电液动力源，采用PID控制并进行仿真试验，最后指出由高响应的交流伺服电动机驱动转速可调泵组成的液压动力源不仅节能高效，而且动静态性能可以达到高性能电液伺服变量泵的水平。

说明了流量控制中的高动态响应原因是伺服电动机的惯性远大于液压泵的惯性，所以输出流量的动特性就取决于伺服电动机；

压力控制中压力下降过程的高响应原因是压缩的液体在泄压时释放的能量加速电动机的反转，使液压泵在短时间内作为液压马达将多余的液体排回油箱，试验表明响应时间要500ms。

为此还申请了国家自然科学基金资助项目。

广东工业大学主要研究采用变频调速方式的异步电动机驱动定量泵组成的DDVC系统，指出其与传统容积调速具有完全相同的输出特性。

在调速范围、调速精度（速度刚度）和效率方面，均高于传统的容积调速。

他们还分析了系统存在的主要问题，如：

低速性能差、响应频率低、不适合响应速度较高的场合等[18-21]。

哈尔滨工业大学流体传动及控制教研室主要研究采用交流永磁同步电动机驱动的DDVC电液伺服系统，并搭建了试验台进行理论和试验研究，取得了实质性的进展。

3.本课题的研究内容

1.根据给定的参数，结合实际工况，设计直驱式容积控制的电液传动系统的主体结构，其中包括交流伺服电机、液压泵及液压缸的选型，联轴箱、联轴节、油源装置以及补油系统的设计。

2.对油缸的特性研究，建立系统数学模型并进行计算机仿真，观察系统参数变化对系统性能的影响。

分析系统稳定性条件及影响其精度和响应速度的主要因素，为实验调试做好理论基础。

3.研制控制系统及控制装置，编写试验台控制程序，进行试验调试并改进控制系统。

4.对系统进行性能试验，分析试验结果，得出结论。

4.课题的进度安排

2010.6—2010.8了解课题，熟悉材料，了解实验，开始设计。

2010.9—2010.10选购实验所需设备，设计制造吸排阀、联轴箱、联轴节、

铰轴等系统部件。

对油路进行改进设计。

装配实验台。

2010.11—2011.4对油缸的特性进行研究，并对系统进行建模与仿真，通过改变系统主要参数观察其对系统性能的影响。

设计控制系统及装置，编写系统控制程序，进行试验调试。

2011.4—2011.6分析实验结果，写论文，准备答辩。

5.给定的技术参数及前期工作

缸内径（活塞直径）

ø

250mm

杆径

140mm

活塞最大速度

0.5m/min

活塞最大推力

700KN（70t）

活塞最大行程

2000mm

其中执行件为双液压缸并联驱动。

5.1液压源参数的初步拟定

5.1.1执行件（液压缸

2）技术参数

双缸并联同步工作,单缸数据如下:

1.若不考虑液压缸自重，则液压缸的最高工作压强：

式中

——液压缸最大工作压强（MPa）；

液压缸有杆腔面积（m2）。

2.液压缸的最大工作流量：

=24.528L/min

3.液压缸最大输出功率为：

式中

——液压泵输出功率，即所需的原动机功率（Kw）；

——活塞最大推力（KN）；

——活塞最大速度（m/min）；

——液压泵的机械效率，一般取常取m=0.90～0.97。

5.1.2定量液压泵（双旋向）技术参数

单缸情况下

1.液压泵最高工作压强

式中：

——液压缸的最高工作压强；

Δp1——从液压泵出口到执行元件入口之间总的压力损失。

如果取进油路总的压力损失是Δp1=0.5MPa，则液压泵最高工作压强

=

2.液压泵的最大供油量为

qp——液压泵的最大供油量（

）；

k——系统的泄漏修正系数，一般取k=（1.1～1.3），大流量取小值，小流量取大值；

——液压缸的最大工作流量（

）。

取k=1.2，则qp=1.2

24.528=29.4L/min

为避免造成过大的功率损失泵的额定流量宜与工作流量相当，故液压泵的最大工作流量选择qp=30L/min。

3.液压泵的排量

1500rpm时，泵的每转排量为

Drev=

=20ml/rev

4.液压泵最大输出功率

双缸数据为：

1.液压泵的最大供油量为

qp=60L/min

2.额定压强为20MPa;

3.最大压强为30MPa;

4.液压泵功率

=30kW

5.液压泵的排量为

=40ml/rev

5.1.3交流伺服感应电动机技术参数

1．额定功率：

P=30kW

2．转速：

n=1500rpm

5.2改进前后液压系统原理图

图2传统斗轮机主机俯仰机构液压传动系统

图3改进后斗轮机主机俯仰机构液压传动系统

6.预计研究过程中可能遇到的困难和问题以及解决措施

1.对系统建模和仿真可能会因考虑不周产生误差。

针对这个问题，必须经过仔细分析系统结构，动力学特性，找出建模误差的因素，在模型尽量简化原则下，提高精度，进行反复分析仿真，分析，使建模仿真结果与实际试验误差在控制的范围内。

2.MR位移传感器应用磁阻原理，而交流伺服电机会在其周围空间产生磁场，因此传感器会受到伺服电机产生电磁场的干扰，严重影响测试信号，针对此问题要对伺服电机电磁隔离并采用软件滤波算法。

3.针对油缸低速特性可能较差，一方面在满足油源需求的前提下选择排量小泄漏少的油泵，另一方面对管路进行优化。

4.液压系统是时变非线性系统，建模准确性难以保证，针对这一问题，在误差允许的范围内选择适合的控制策略，

5.试验台控制程序是实验能顺利进行的基础，因此要熟练应用编程软件，并结合实验台的硬件设备编写相应的控制程序。

6.由于控制线路接线复杂，接线柱繁多，接线困难。

针对此，随时做好线路安装记录，并在线路做好标签。

若出现故障，易于排查。

7.为完成课题所需的条件和经费

设备

数量

经费

1、计算机

一台

已有

2、PMSM及其驱动器

一套

待购

3、双向定量泵

4、非对称液压缸

5、锁阀和补油阀

6、密闭压力油罐

一个

待加工

7、铰轴

两个

PMSM及其驱动器、双向定量泵、非对称液压缸、锁阀和补油阀、密闭压力油罐、铰轴非对称缸和铰轴均需要经费支持。

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