电拖动闭式液压系统实验台设计与研究

摘要：针对电拖动闭式液压传动系统功率匹配方法、控制技术及状态监测与故障诊断方法的研究需求，基于系统的机电液耦合特性，确定选用电、机械、液压信号传感器以及液压加载方式实验台设计方案，并进行了相应的参数设计和元件选型。在此基础上进行了实验台液压系统的仿真研究，结果表明，所设计的实验台能满足相应的设计要求。

关键词：电拖动；闭式液压系统；实验台；仿真

中图分类号：U415.5文献标志码：B

Design and Research of Test Rig for Electric Drive Closedloop Hydraulic System

ZHANG Ping1， CHEN Siru2， LING Han1， ZHAO Ni1

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering， Xian University of Architecture and Technology， Xian

710055， Shaanxi， China； 2. Shaanxi College of Communication Technology， Xian 710018， Shaanxi， China）

Abstract： In order to research the power matching， control technique， condition monitoring and fault diagnosis of electric drive closedloop hydraulic system， the test rig was designed by adopting mechanicalelectricalhydraulic sensors and hydraulic loading system based on the mechanicalelectricalhydraulic coupling characteristics. Meanwhile， the parameters of components were designed， based on which the simulation of hydraulic system was carried out. The results of simulation show that the test rig meets the design requirements.

Key words： electric drive； closedloop hydraulic system； test rig； simulation

0引言

闭式液压系统调速范围大，传动效率高，因此被广泛地应用于大功率工程机械中，如盾构机的刀盘驱动系统、全液压推土机的行走系统、摊铺机的行走系统等[13]。

这些系统所驱动的负载工况比较复杂，如摊铺机行走系统负载比较平稳，但需要恒速；推土机的负载变化剧烈，速度变化剧烈。目前，这些工程机械设备的原动机大都是内燃机，内燃机扭矩的储备系数一般在1.2左右，因此，当负载变化比较剧烈时，即使经过一定的匹配优化，发动机的平均输出功率仍然低于发动机的额定功率，从而不能发挥发动机的最大能效，造成发动机油耗的增加。同时，负载的变化引起发动机转速的变化，也会造成设备速度的变化，使得系统的速度、刚度降低，由此造成施工质量的下降。此外，系统匹配不合理时或在特殊工况下，泵和马达总效率显著降低，系统的低速稳定性较差[47]。

相较于内燃机拖动，电拖动则表现出动力源污染少、速度稳定、低转速下可大扭矩输出等优良特性，更适合于隧道、井下等特殊施工环境。同时，基于机电液耦合特性，电拖动液压传动系统的状态监测更易于实现。因此，建立电拖动液压闭式系统实验台，对于研究此类系统的功率匹配方法、控制技术、状态监测及故障诊断方法都具有重要的意义。

1实验台功能分析

根据闭式系统在工程设备上的典型应用，所设计的实验台应具有以下功能。

（1） 通过分析泵、马达的工作效率以及电机的驱动特性，进行动态载荷下的液压驱动系统的性能测试，并进行工程设备动力最佳匹配方法研究及相应的验证。

（2） 根据典型设备闭式系统所驱动的负载特性，进行机电液集成系统设计与控制方法研究，特别是动态载荷下的最佳控制方法研究。

（3） 通过采集电、机、液的信号，研究机电液系统多信息耦合特性，并将其应用于机电液设备的状态监测与故障诊断。

2实验台设计方案

根据前述设计功能，整个系统的功率流如图1所示，原动机将电能（电压u、电流i）转换为机械能（扭矩TEMO、转速nEMO），液压泵将输入的机械能转换为液压能（压力p、流量q），液压马达再将液压能转换为机械能（扭矩TMO、转速nMO）进行输出并驱动负载。因此，在进行系统设计时除了设计传动系统外，还需选择对应的机电液传感器。此外，由于实验室无法施加实际负载，因此需设计相应的加载系统，用于对传动系统的输出端进行加载。

图1电拖动液压传动系统功率流

根据前述分析，确定如图2所示的实验台设计方案。

图2实验台设计方案

实验台组成包括动力系统、传动系统、加载系统、传感器系统、控制系统五部分。动力系统由调速器和三相永磁同步电机组成，由电机提供动力；传动系统由闭式变量泵和闭式变量马达组成，其中包含必要的补油油箱、风扇冷却器等；考虑到加载功率及加载扭矩较大，加载系统采用液压加载方式，加载泵输出油口接比例溢流阀，并由比例溢流阀模拟负载变化，同时在拖动马达和加载泵之间增加惯性盘，以模拟惯性负载；传感器系统负责电信号、机械信号及液压信号的检测，主要包括电流互感器、电压互感器、动态扭矩转速仪、压力传感器、流量传感器以及对应的信号调理电路、数据采集卡等；控制系统主要完成对变量泵、变量马达、比例溢流阀的控制。

3实验台设计内容

根据前述实验台功能分析和实验台设计方案，确定实验台驱动系统原理，如图3所示，加载系统原理如图4所示。

在电机的三相输入电路上安装相应的电流互感器、电压互感器，用以检测输入整个系统的电功率。在电机输出轴和泵输入轴之间安装扭矩转速仪，用以检测电机的输出机械能，即液压泵的输入机械能。

选择林德的闭式电比例变量泵和电比例变量马达为驱动系统，同时在液压传动系统回路上设计了比例溢流阀，用以调节传动系统的最高压力。对于液压参数的检测，选用压力传感器分别检测泵输出压力和马达回油背压，选用流量传感器分别检测泵的实际输出流量和马达的排出流量。同时，利用温度传感器检测系统的温度。

加载系统的加载泵选用斜轴式柱塞泵，加载阀选用ATOS比例溢流阀，与比例溢流阀并联连接一个电磁溢流阀进行压力保护。为了对比例溢流阀进行保护，在定量泵的出口处设置过滤精度为3 μm的压力过滤器。在加载泵的输入轴和拖动马达的输出轴之间安装扭矩转速仪，用以检测拖动系统的输出机械能，同时也可为加载系统和驱动系统提供反馈信号。此外，在输出轴之间设置相应的惯性盘，用以模拟实际负载的惯性负载。

拖动马达、加载泵、扭矩转速仪及联轴器的惯量之和小于003 kg·m这与实际设备的惯性相差很大，因此在拖动马达与加载泵轴之间增加最大惯量为04 kg·m2的惯性盘，且其惯量可调。

4仿真分析

为进一步验证实验台系统设计的可行性，利用Amesim软件对系统进行了仿真分析，模型见图5。模型中电机、变量泵、溢流阀、变量马达、惯性负载、加载泵按前述实验台设计参数给定，补油泵及补油溢流阀按主泵样本中的参数给定。

加载溢流阀输入信号为正弦信号，则加载泵的出口压力如图6所示，对应的加载扭矩如图7所示。驱动系统输出转速如图8所示，变量泵出口压力如图9所示。

由图7可知，加载扭矩随着加载压力变化，为正弦信号，表明加载系统可进行低频率动态加载；由图8可知，驱动系统的压力在启动阶段的振荡后，也随着加载系统的扭矩变化。同时，拖动马达输出转速在设定值下可稳定运转。仿真结果表明，所设计的系统能满足实验台功能的需求，可进行功率匹配方法、控制技术及机电液耦合特性研究。

5结语

（1） 确定了采用变量泵变量马达液压驱动系统，并选用电、机械、液压信号传感器以及液压加载方式的实验台设计方案。

（2） 所设计的实验台参数合理，能实现拖动马达转速和扭矩、加载泵转速和扭矩的合理匹配。

（3） 仿真结果表明，所设计的实验台能满足拖动闭式液压传动系统功率匹配方法、控制技术及状态监测与故障诊断方法的研究需求。

参考文献：

[1]张魏友.EPB盾构刀盘结构及其液压驱动系统的研究[D].南京：南京理工大学，2013.

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[5]李芳芳，张宗涛，任雪梅.TY140履带推土机外负荷特性研究[J].筑路机械与施工机械化，2008，25（8）：5052.

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[责任编辑：王玉玲]

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