一種新型的直驅(qū)式電液伺服作動(dòng)器的設(shè)計(jì)

一種新型的直驅(qū)式電液伺服作動(dòng)器的設(shè)計(jì)

0電液伺服技術(shù)的發(fā)展獨(dú)立懸掛技術(shù)在軌交通線上越來越成熟。從采用主動(dòng)傾擺的擺式列車問世以來,傾擺系統(tǒng)分別采用了氣動(dòng)、液壓式和機(jī)電式傾擺作動(dòng)器。隨著近代液壓技術(shù)與微電子技術(shù)密切結(jié)合,電液伺服技術(shù)得到迅速發(fā)展。在液壓領(lǐng)域興起了一種新型的電液伺服系統(tǒng)——直驅(qū)式電液伺服系統(tǒng)(也稱無閥系統(tǒng))。這類系統(tǒng)具有伺服電機(jī)控制靈活性和液壓大出力的雙重優(yōu)點(diǎn)。其最主要特點(diǎn)是在伺服系統(tǒng)中使用伺服電動(dòng)機(jī)而不用電液伺服閥,目前已經(jīng)成功應(yīng)用于航天和船舶等領(lǐng)域。本文就采用直驅(qū)式電液伺服系統(tǒng)的作動(dòng)器在擺式列車上的應(yīng)用進(jìn)行了研究。1蓄能器的應(yīng)用直驅(qū)式電液伺服系統(tǒng)組成見圖1。通過交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速,直接驅(qū)動(dòng)雙向定量液壓泵產(chǎn)生液壓動(dòng)力直接推動(dòng)液壓缸?？刂贫勘玫霓D(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向,進(jìn)而控制泵輸出流量、壓力,最終控制液壓缸位移輸出。當(dāng)活塞桿伸出時(shí),油缸上腔進(jìn)壓力油,下腔的油直接進(jìn)入油泵。反之,當(dāng)活塞桿縮入時(shí),油泵反轉(zhuǎn),下腔進(jìn)壓力油,上腔的油直接返回油泵。蓄能器通過單向閥連接到系統(tǒng)中,使系統(tǒng)的壓力始終不低于蓄能器的壓力和定量泵的吸油壓力,防止油液中氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生。為防止液壓泵和油缸兩腔出現(xiàn)過高壓力,系統(tǒng)中設(shè)置了2個(gè)保證系統(tǒng)安全的安全閥。直驅(qū)式電液伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)是:液壓油泵可以選用價(jià)格低廉、可靠性高的定量泵,而且由于伺服電機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速以下而使其壽命長;伺服電機(jī)與控制執(zhí)行元件的液壓缸可以做到較為理想的功率匹配,節(jié)能效果顯著;同時(shí)還具有大范圍調(diào)速、小型集成化、操作與控制簡單、價(jià)格便宜等特點(diǎn),因此發(fā)展極為迅速。2液壓伺服系統(tǒng)參數(shù)的確定擺式列車通過作動(dòng)器和傾擺機(jī)構(gòu)完成車體的傾擺功能。圖2是擺式列車所采用的四連桿傾擺機(jī)構(gòu)。擺枕通過呈“八”字形的四連桿機(jī)構(gòu)吊在轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架上,車體通過空氣彈簧坐落在擺枕上。作動(dòng)器安裝在構(gòu)架與擺枕之間,通過作動(dòng)器提供動(dòng)力來完成車體的傾擺動(dòng)作。目前運(yùn)用在擺式列車上的作動(dòng)器有氣動(dòng)式、液壓式、機(jī)電式3種。氣動(dòng)作動(dòng)器由于氣體的可壓縮性,致使傾擺系統(tǒng)響應(yīng)有一點(diǎn)滯后。同時(shí)因?yàn)閴嚎s空氣壓力低,所以要求作動(dòng)器的直徑和體積都較大,在擺式列車中應(yīng)用較少。液壓式作動(dòng)器是擺式列車應(yīng)用最廣泛的一種作動(dòng)器,但是系統(tǒng)中采用電液伺服閥,它對油液污染特別敏感,效率低、加工精度要求高;同時(shí)它需要液壓油源系統(tǒng),因此系統(tǒng)的體積、重量較大,成本高。機(jī)電式作動(dòng)器通過伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)安裝在電機(jī)軸上的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),通過齒輪減速,傳遞到滾珠絲桿副的螺母,通過滾珠絲桿的螺母旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)化為絲桿的伸縮運(yùn)動(dòng)。機(jī)電式作動(dòng)器體積、重量較小,但由于采用純機(jī)械傳動(dòng),傳動(dòng)件之間為剛性連接,當(dāng)安裝在振動(dòng)激烈的轉(zhuǎn)向架上時(shí),作動(dòng)器受到的沖擊較大。在實(shí)際應(yīng)用中,已有機(jī)電式作動(dòng)器出現(xiàn)“卡死”的現(xiàn)象。隨著微電子技術(shù)及功率電子器件的發(fā)展,交流變頻傳動(dòng)技術(shù)在液壓伺服控制領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用,直驅(qū)式電液伺服作動(dòng)器是其應(yīng)用成果。該作動(dòng)器系統(tǒng)采用了閉式液壓回路并去掉了傳統(tǒng)的電液伺服閥,故系統(tǒng)不需要龐大的泵站;系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小。同時(shí)由于系統(tǒng)使用的液壓油具有一定的可壓縮性,因此該作動(dòng)器很適合安裝在具有強(qiáng)烈振動(dòng)的轉(zhuǎn)向架上。本文以國產(chǎn)擺式動(dòng)車組為對象,參考其所使用的機(jī)電作動(dòng)器,通過擺式列車四連桿機(jī)構(gòu),編制程序計(jì)算出作動(dòng)器的實(shí)際參數(shù):最大輸出力F=130kN;最大行程S=±160mm;最大速度v=105mm/s。由作動(dòng)器實(shí)際參數(shù)可以計(jì)算出液壓系統(tǒng)各部分參數(shù),參數(shù)如下:液壓缸直徑110mm活塞桿的直徑56mm系統(tǒng)最大功率7.2kW蓄能器容積1.4L定量泵排量25ml/r由系統(tǒng)的最大功率確定電機(jī)的功率,系統(tǒng)最大功率為7.2kW,故選擇7.5kW的伺服電機(jī)來滿足系統(tǒng)要求。根據(jù)系統(tǒng)的各部分實(shí)際參數(shù),完成了直驅(qū)式電液伺服作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其外形尺寸(長×寬×高)為:1168mm×236mm×417mm,如圖3所示。在外形尺寸及機(jī)械連接接口方面與機(jī)電式作動(dòng)器相同,兩者可以互換。3基于amesim的求解軟件AMESim(AdvancedModelingandSimulationEnvironmentforSystemsEngineering)全稱為系統(tǒng)工程高級建模和仿真平臺(tái),是當(dāng)今領(lǐng)先的傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓/機(jī)械系統(tǒng)建模、仿真及動(dòng)力學(xué)分析軟件,它為用戶提供了一個(gè)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的完整平臺(tái),可以建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算和深入的分析。AMESim友好的圖形化界面使得用戶可以通過在完整的應(yīng)用庫中選擇需要的模塊來構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)的模型并能方便地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),非常適用于機(jī)械與液壓領(lǐng)域的設(shè)計(jì)。AMESim軟件從方案到仿真需4個(gè)步驟:(1)Sketch:從不同的應(yīng)用庫中選取現(xiàn)存的圖形模塊來建立系統(tǒng)的模型;(2)Submodels:為在不同的應(yīng)用層次上的元件選擇數(shù)學(xué)模型(給定合適的模型假設(shè));(3)Parameters:為元件設(shè)置模型參數(shù);(4)Simulation:運(yùn)行仿真分析并繪出仿真結(jié)果。4電機(jī)的慣力性根據(jù)擺式列車作動(dòng)系統(tǒng)的要求在AMESim中建立直驅(qū)式電液伺服系統(tǒng)的仿真模型。系統(tǒng)模型中,采用了PID控制,伺服電機(jī)與泵之間通過插入一力矩轉(zhuǎn)換單元仿真電機(jī)的慣性力矩。模型中的其余部分均采用AMESim標(biāo)準(zhǔn)庫元件組成,最終建立的AMESim仿真模型如圖4所示。由圖可見,用AMESim建立的系統(tǒng)仿真模型圖與直驅(qū)式電液伺服系統(tǒng)原理圖非常相似。建立好模型后,在Parameter模式下對仿真模型中的每個(gè)圖形模塊設(shè)置參數(shù),圖4系統(tǒng)中各模塊參數(shù)見表1。最后在Run模式下運(yùn)行仿真模型即可對作動(dòng)器進(jìn)行仿真分析。5觀察系統(tǒng)控制方式采用AMESim仿真軟件分析直驅(qū)式電液伺服作動(dòng)器的性能。圖5為系統(tǒng)閉環(huán)伯德圖,可以看出,系統(tǒng)頻帶寬度f-3dB=15rad/s,即f-3dB=15/(2π)=2.39Hz,系統(tǒng)相位裕度約為50°,系統(tǒng)穩(wěn)定。在擺式列車傾擺控制系統(tǒng)中,檢測系統(tǒng)采集到的未平衡加速度信號需要經(jīng)過1Hz以下的低通濾波處理以消除干擾,故對系統(tǒng)分別使用了一個(gè)階躍信號和一個(gè)0.5Hz的正弦信號觀察系統(tǒng)位移傳感器的輸出值?？刂撇呗圆捎肞ID控制器進(jìn)行控制,取P=20,I=4,D=4。擺式列車在實(shí)際運(yùn)行過程中,其通過一段曲線時(shí)所承受的橫向未平衡加速度的形狀可近似看做一個(gè)梯形波形式,假設(shè)列車通過緩和曲線、圓曲線、夾直線的時(shí)間為2s,車體傾擺8°,最大傾擺角速度為5°/s,此情況是列車在曲線運(yùn)行時(shí)傾擺系統(tǒng)作動(dòng)器最不利的工況。因此,設(shè)計(jì)了一段梯形波信號作為系統(tǒng)輸入,觀察作動(dòng)器的跟隨響應(yīng)。仿真結(jié)果如圖6～圖8所示。從仿真曲線可以看出直驅(qū)式電液伺服作動(dòng)器具有良好的動(dòng)態(tài)特性,在列車通過曲線時(shí)最惡劣的工況下能夠跟隨輸入信號。給定的信號和液壓缸實(shí)際輸出位移變化趨勢一致,跟隨誤差小,符合擺式列車傾擺作動(dòng)系統(tǒng)的要求。6系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真本文以擺式列車傾擺作動(dòng)系統(tǒng)性