伺服電機(jī)與定量泵組成的液壓動(dòng)力源具有良好的節(jié)能效果，該系統(tǒng)由于使用伺服電機(jī)，所以具有響應(yīng)速度快，壓力與流量控制精度高等特點(diǎn)。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速隨系統(tǒng)的流量需求而變化，無節(jié)流損失。在壓制保壓、冷卻時(shí)間長的產(chǎn)品時(shí)，該系統(tǒng)具有非常顯著的節(jié)能效果。

目前，大型高端液壓機(jī)對節(jié)能和精度的要求越來越高，但傳統(tǒng)的伺服電機(jī)泵控系統(tǒng)受電機(jī)容量和泵排量的限制，難以實(shí)現(xiàn)高壓大流量的設(shè)計(jì)要求。

本研究提出了利用高壓主泵和低壓副泵組合的方式，解決大型液壓機(jī)上應(yīng)用伺服電機(jī)控制時(shí)對高壓大流量輸出的設(shè)計(jì)要求。

1、伺服電機(jī)泵控系統(tǒng)節(jié)能分析

1.1伺服電機(jī)泵控系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，在傳統(tǒng)中低端壓機(jī)行業(yè)還在普遍使用閥控液壓系統(tǒng)，其動(dòng)力源為普通定頻電機(jī)和定量泵。其主要缺點(diǎn)為加工精度的可控性差，難以進(jìn)行準(zhǔn)確的變壓力變速壓制工作，對于有特殊工藝要求的加工難以勝任。此外，該系統(tǒng)在保壓與待機(jī)等工序中因卸荷或溢流將造成極大的能量消耗，能量效率低使得其使用成本大。

為解決上述問題，將伺服電機(jī)控制技術(shù)與液壓技術(shù)有機(jī)結(jié)合，利用伺服電機(jī)控制諸多優(yōu)點(diǎn)可大大優(yōu)化傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)。通過伺服電機(jī)泵控系統(tǒng)，可提高液壓系統(tǒng)控制精度，使液壓油路簡化，降低液壓系統(tǒng)的能耗，減小噪聲污染，提升系統(tǒng)效率等。

1.2大型液壓機(jī)應(yīng)用伺服泵控系統(tǒng)的節(jié)能分析

目前，伺服電機(jī)泵控技術(shù)已開始應(yīng)用于注塑機(jī)、制磚機(jī)等大功率液壓設(shè)備中，并取得了良好的節(jié)能效果。但在某些液壓設(shè)備上應(yīng)用時(shí)，由于液壓系統(tǒng)對動(dòng)力源有大流量、高壓力的要求，現(xiàn)行的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)單臺液壓泵的模式難以達(dá)到其技術(shù)要求。

如大型液壓機(jī)在快速下降行程中需要液壓動(dòng)力源提供大流量輸出，對流量的要求達(dá)到了300 L/min;同時(shí)，在液壓機(jī)工進(jìn)時(shí)又對動(dòng)力源的壓力輸出提出了要求，通常要達(dá)到25 MPa左右。

在高壓大流量液壓機(jī)上應(yīng)用伺服電機(jī)控制技術(shù)，將具有非常明顯的節(jié)能效果。因此，研發(fā)伺服電機(jī)控制的高壓大流量動(dòng)力源有非?，F(xiàn)實(shí)的需求。但高壓大流量泵的加工制造成本大，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推廣。為此，本研究提出了利用串聯(lián)雙泵組成高壓大流量液壓動(dòng)力系統(tǒng)的方案。

2、伺服電機(jī)控制的雙泵液壓動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1大型液壓機(jī)動(dòng)力源需求分析

從大型液壓機(jī)工作的實(shí)際情況來看，在快進(jìn)環(huán)節(jié)系統(tǒng)阻力不大，但由于大型液壓機(jī)主油缸直徑大，雖有補(bǔ)油箱輔助進(jìn)油，其對動(dòng)力源的流量需求仍很大，因此快進(jìn)時(shí)對液壓動(dòng)力源需求一般為大流量小壓力;而在工進(jìn)時(shí)，系統(tǒng)阻力很大但運(yùn)動(dòng)速度緩慢，此時(shí)對液壓動(dòng)力源的需求為小流量大壓力，同時(shí)為保證加工產(chǎn)品的品質(zhì)，高端液壓機(jī)對位置精度和壓力精度都有很高要求，因此要引入壓力和流量的反饋進(jìn)行閉環(huán)控制。

以某大型稀土永磁粉末成型液壓機(jī)的需求為例，其動(dòng)力源要求最高壓力25 MPa，最大流量300 L/min。

2.2伺服電機(jī)控制的雙泵液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，伺服電機(jī)控制的高壓大流量雙泵液壓動(dòng)力系統(tǒng)主要由控制器、伺服電機(jī)、主泵PH、副泵PL合流閥塊及其他電氣附件組成。

其中控制器主要接受主機(jī)的壓力P1流量指令Q1控制變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩T和轉(zhuǎn)速n，從而實(shí)現(xiàn)對泵出口壓力P0和流量Q0的控制。泵出口處的壓力傳感器將壓力信號反饋回控制器。

同時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過編碼器也反饋回控制器，通過泵的排量V與電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速n即可計(jì)算出實(shí)時(shí)流量Q（Q=Vn）。通過此系統(tǒng)，泵的出口壓力和流量可由主機(jī)根據(jù)系統(tǒng)需求實(shí)時(shí)設(shè)定，并能根據(jù)壓力流量反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)整。

主泵PH與副泵PL的合流/分流狀態(tài)也由主機(jī)給出信號，經(jīng)由控制器控制合流閥塊中的電磁閥進(jìn)行切換。系統(tǒng)電源為380 V/50 Hz三相交流電，需分別為控制器和伺服電機(jī)風(fēng)扇供電。制動(dòng)單元與制動(dòng)電阻為消耗伺服電機(jī)再生制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的逆向能量所設(shè)置。

2.3雙泵合流與分流實(shí)現(xiàn)高壓大流量控制的方法

為實(shí)現(xiàn)高壓、大流量的輸出要求，系統(tǒng)采用高壓主泵（PH）和低壓副泵（PL）組合的方式，使用由日本三星公司定制生產(chǎn)的雙聯(lián)齒輪泵。

高壓主泵額定壓力25 MPa，排量54 mL/r，低壓泵副泵額定壓力18 MPa，排量46 mL/r。在快進(jìn)等環(huán)節(jié)，將由主泵與副泵一起輸出液壓油，實(shí)現(xiàn)大流量輸出的目的。在工進(jìn)等環(huán)節(jié)，副泵將卸荷，只由主泵輸出。

如圖2所示，在主機(jī)工進(jìn)需要高壓輸出時(shí)，主泵PH單獨(dú)接入回路，電磁換向閥SOL 1中1YA通電，換向閥處于右位，主泵PH的高壓油通過P、A閥口與液控單向閥的控制油口連通，液控單向閥反向?qū)?，此時(shí)副泵PL通過液控單向閥卸荷，不參與到主機(jī)液壓系統(tǒng)中，即為分流狀態(tài)。

當(dāng)主機(jī)快進(jìn)需要大流量輸出時(shí)，控制器接收主機(jī)合流信號D1并控制1YA斷電，使合流閥塊中電磁換向閥SOL 1換向至中位，由于中位機(jī)能為O形，閥口P、A斷開，液控單向閥反向關(guān)閉，此時(shí)副泵PL通過普通單向閥與主泵PH合流，主泵PH與副泵PL都輸出到主機(jī)液壓系統(tǒng)，即為合流狀態(tài)。

3、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研證該液壓動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用于大流量高壓力液壓機(jī)的性能，在某大型稀土永磁粉末成型液壓機(jī)上裝載了此系統(tǒng)。液壓機(jī)主要油路的液壓回路如圖3所示。

主機(jī)液壓系統(tǒng)中電磁閥SOL3與插裝閥1配合，主要在加壓環(huán)節(jié)為主油缸送油；電磁閥SOL 4與插裝閥2配合，為主油缸卸荷；電磁閥控制兩個(gè)輔助油缸的上升與下降，此外電磁閥SOL 2左位接入即活塞桿上升時(shí)，補(bǔ)油箱的液控單向閥反向?qū)?，主油缸?nèi)液壓油回到補(bǔ)油箱中。

本研究的伺服電機(jī)泵控液壓動(dòng)力單元如圖4所示。圖4a為伺服電機(jī)泵與合流閥塊組成的液壓動(dòng)力單元；圖4b為信號采集單元，用于采集液壓系統(tǒng)的壓力流量及電控系統(tǒng)的電壓電流等信號；圖4c為伺服電機(jī)泵的電控單元。

實(shí)驗(yàn)以一典型的液壓機(jī)工作流程為基礎(chǔ)，主要包括合流下行（快進(jìn)）、單流下行（慢進(jìn)）、加壓、主油缸卸荷、合流上行（快退）幾個(gè)階段。各階段主機(jī)的壓力指令、流量指令，雙泵合流指令及液壓機(jī)主油缸行程圖如圖5所示。

在各工序階段，主機(jī)液壓回路中電磁閥動(dòng)作情況如表1所示。

該實(shí)驗(yàn)中，高速下行（A-B）高速上行（C-H）、慢速上行（H-I）過程中雙泵為合流狀態(tài)，液壓系統(tǒng)為流量控制，響應(yīng)主機(jī)的流量指令；中速下行（B-C）時(shí)，雙泵為單流狀態(tài)，但液壓系統(tǒng)仍為流量控制；其他工序中，雙泵為主泵單獨(dú)工作狀態(tài)，系統(tǒng)為壓力控制，響應(yīng)主機(jī)的壓力指令。

在上述大型液壓機(jī)中應(yīng)用本液壓動(dòng)力系統(tǒng)作為液壓源，對其一個(gè)工作循環(huán)中的壓力與流量響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測可知：

從測量結(jié)果來看，在高速下行（A-B）時(shí)，雙泵的合流輸出達(dá)到了300 L/min，符合最大流量的設(shè)計(jì)要求;在慢速下行（C-D）時(shí)，只有主泵PH有效工作，監(jiān)測顯示在小流量（5L/min）時(shí)流量平穩(wěn)，其小流量狀態(tài)工作穩(wěn)定。壓力控制方面，在材料成型的高壓加壓（E-F）階段，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的25 MPa高壓值，此外在高壓加壓時(shí)壓力超調(diào)量極小，能保證較高的壓制精度。

從伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的監(jiān)測結(jié)果來看，在中壓加壓（D-E）和高壓加壓（E-F）時(shí)電機(jī)速度反應(yīng)良好，結(jié)合實(shí)測壓力來看，達(dá)到了良好的控制效果。在主缸卸荷（F-G）階段，伺服電機(jī)快速反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)卸荷，此時(shí)電機(jī)發(fā)電產(chǎn)生的逆向電流將反向輸出到控制器中，與控制器相連的制動(dòng)電阻和制動(dòng)單元將吸收這部分能量。

綜上可知，

（1）利用高壓主泵和低壓副泵組合的形式，可以滿足系統(tǒng)對液壓動(dòng)力源在不同時(shí)刻大流量或高壓力的輸出要求；

（2）利用伺服電機(jī)控制雙泵，在滿足高壓大流量輸出的同時(shí)，其小流量特性穩(wěn)定、壓力控制精度高，能滿足高精度液壓機(jī)的要求；

（3）在保壓環(huán)節(jié)，副泵卸荷、主泵高壓低速運(yùn)轉(zhuǎn)，有顯著節(jié)能效果。