伺服直驱泵控液压机发展现状及趋势

作者:未知

郭廷善

（科力光电产业有限责任公司山东济宁 272000）

摘要：本文以差伺服直驱泵控液压机是近年来发展起来的精密高效的节能型液压机，由于其综合应用液压和伺服驱动控制技术，提高液压系统控制精度和响应速度，简化了液压系统，可大幅降低能耗，是未来液压机的发展趋势。

关键词：伺服液压机；伺服直驱泵控；节能

Servo direct drive pump control present situation and trend of development of the hydraulic press

GUO Ting-shan

(Keli Photoelectric Industry Co Ltd ., SHANDONG JININGI)

Servo direct drive pump control hydraulic press is developed in recent years to precise and efficient energy-saving hydraulic press, due to the integrated application of hydraulic and servo control technology, improve the hydraulic system control precision and response speed, simplify the hydraulic system, can greatly reduce energy consumption, is the future development trend of the hydraulic press.

Key Words: Servo hydraulic; servo direct drive pump control; energy conservation

0引言

液压机是一种重要的成型加工机床，它以液体作为工作介质传递能量来实现各种压力加工工艺，广泛应用于航空航天、竣工、造船、核电和汽车等制造领域。液压机在一定程度上能反映出一个国家机械制造的水平，在国民经济中起着重要作用。

液压机通常由主机本体、控制系统及动力系统组成。按结构形式可分为：四柱式、单柱式（C型）、卧式和立式框架，其中三梁四柱液压机最为常见[1]，主要用于金属成型、折弯、拉伸、冲裁、挤压、粉末（金属，非金属）成型、非金属材料模压成型和压装等。

伺服液压机是典型的高性能液压装备，在产品成形过程中能按工艺需要精确实现快速接近制品、压制、保压、泄压、开模和快回等复杂的工艺过程。传统伺服液压机的液压系统主要可分为伺服泵配普通阀的泵控系统和变量泵配伺服阀的阀控系统两大类。泵控系统：采用异步电动机以一定的转速驱动变量泵，利用变量泵的伺服机构改变泵排量的原理，控制流向液压缸的压力或流量；阀控系统：采用伺服阀按节流调速原理控制流向液压缸的压力或流量，然而泵所输出的剩余流量则通过溢流阀流回到油箱。采用的伺服阀频响一般可达80Hz以上，因此系统的频带宽，响应速度快，增益较高，动态特性好。与阀控系统相比，泵控系统的效率较高，功率因素小，可以节能，常用于大功率场合。

但无论是先前的哪种液压系统，其共同的特征都是，系统一旦启动，液压泵始终处于工作状态，通过对各类阀的控制实现系统控制，液压系统复杂，效率低，能耗高，通常溢流和节流造成液压系统发热，能量损失高达40%-75%。

直驱式容积控制电液伺服技术简称伺服直驱泵控液压技术是近十几年发展起来的新技术，该系统通过伺服控制是来改变交流永磁同步电动机转速的大小和时间，使定量泵的输出流量发生变化的原理，从而改变流向液压缸的压力和速度，实现系统的速度控制、位置控制。由于其综合应用液压和伺服驱动控制技术，提高液压系统控制精度和响应速度，简化了液压系统，大幅降低能耗。

随着国内外对节能环保要求的提高，伺服直驱泵控液压技术倍受关注，与传统液压机相比，伺服直驱泵控液压机具有精密、节能、噪音低、效率高、柔性好等优点，可以取代现有的大多数传统液压机，具有广泛的市场前景。

1伺服直驱泵控液压机国内外研究现状

伺服直驱泵控液压机是近十年来在日、欧等工业发达国家发展起来的，采用交流伺服电动机直接驱动液压泵实现对液压机的高精度伺服控制，减少控制阀回路，根据压力机的工作需要启动或关闭液压泵，而无需像传统液压机一样一直保持液压系统始终处于工作状态，在保证压力机滑块运动柔性和压制产品工艺要求的基础上大幅简化了液压系统结构，大幅降噪节能，被誉为第三代液压机[2]。

伺服直驱泵控伺服液压机的主要特点为：

①节省能耗。在同等条件下，伺服驱动泵控制系统比普通液压机节能50%以上。

②频率响应特性。伺服电机从零到额定转数的阶跃频响为过去高压柱塞泵斜盘频响的1/2，约0.1s。

③低流量和低压区域的控制性。伺服电机直接控制液压泵可实现低速平稳运行。

④低噪声。电机驱动泵转速低，卸荷时电机停止旋转，其噪声较低。

⑤油温上升小。卸荷和保压时系统几乎不工作，无节流和溢流损失，发热量小，工作用油减少50%，可以不用冷却器或减小冷却器规格。

在国外，日本与德国在伺服液压机的开发研究较多。在日本由于资源短缺，在能源利用率上进行了大量的探索，其中对于直驱容积控制（DDVC）电液伺服系统进行了大量的研究，并取得了很大的成果，它成功的将变频技术和交流伺服电机技术应用于液压系统中，由于其液压系统没有电液伺服阀，故又称之为无阀电液伺服系统。日本第一电气株式会社研究这种技术处于世界领先地位，研究时间已有十多年，在众多领域现已达到应用阶段，如锻压机、船用舵机，印刷机和六自由度平台等[6]。日本将这种直驱容积控制方法用于液压机，形成泵控伺服液压机，目前日本网野公司根据各种加工生产的需要，已经生产出了机械连杆伺服液压机、曲柄多连杆伺服液压机和液压式伺服液压机等多种类型的液压机，液压机规格从40kN到25000kN。在欧美的舒勒、通快等，日本的小松、天田等已经开始应用推广，主要应用于钣金行业高端冲压成形线，且大型液压机多采用多缸同步驱动技术。

在国内，针对于伺服液压机的控制系统哈尔滨工业大学的秦二卫通过研究直驱式位置控制系统存在起步及转向阶段的大时滞、运行过程中的正反向部队称等特点，在对比分析传统PID控制与模糊控制的基础上，设计出了模糊PID控制器，并进行了仿真分析，在分析不同排量液压泵对系统性能影响的基础上结合直驱式系统运行时液压泵的转速情况，提出了直驱式系统设计时液压泵的选用原则[7]。合肥工业大学的黄迪淼通过研究分析认为，由于液压机受信号时滞、液压系统非线性变化以及工况负载变换的影响，常规PID控制无法保证活动横梁的位置精度，同样采用了模糊PID控制，并利用MATLAB软件对其进行了仿真[1]。合肥工业大学的韩江从泵控液压缸建立起液压伺服系统的数学模型，推导出系统的传递函数，并用MATLAB进行系统的动态特性仿真为某新型伺服液压机的研制提供了指导和借鉴意义[8]。

不同于其他院校采用交流伺服电机拖动定量泵的方案，广东工业大学所采用的是一种新型的电机融合新型螺杆泵取代异步电机与泵的组合，从结构上更加紧凑。广东工业大学的冼灿标根据螺杆泵、液压系统执行机构参数建立数学模型，并结合融入永磁同步电动机数学模型，从而建立整个液压系统的动态特性与能耗仿真数学模型，并搭建直驱泵控伺服液压试验台，进行实验研究，将实验研究与理论分析结合，全面、系统地分析系统动态特性[9]。西安交通大学研究了开关磁阻电机直接驱动的容积控制伺服系统在液压机上的应用，论述了直驱泵控液压机的工作原理与特点，之处该液压机具有节能性好、体积小、噪声低、结构简单、对油液过滤精度要求低，且易于实现计算机控制等优点[10]。国内伺服直驱泵控液压技术在伺服液压机中的应用尚处于起步阶段，无锡市蓝力机床有限公司、合肥合锻机床股份有限公司与2012年先后在国内推出了各自研发的2000kN伺服直驱泵控液压机，由于其精密、高效节能等独特的优势，很快得到推广应用，但与先进国家相比差距都很大。

2伺服直驱泵控伺服液压机的发展趋势

伺服直驱泵控伺服液压机应用与发展关键技术涉及以下几个方面：1）大功率多伺服电机直接驱动液压系统技术；多缸伺服液压机同步驱动；高效的专用伺服控制技术与系统；基于伺服液压机的成形工艺技术等。

目前国内多采用单向伺服电机直接驱动液压系统，依然需要采用方向阀来实现双向移动的方向控制，没有完全摆脱阀控。双向伺服直驱泵控液压系统是液压伺服直驱泵控技术（图1）的发展方向，目前仅有德国VOITH等少数公司掌握了该技术。

3结论

伺服直驱泵控伺服液压机较传统的伺服液压机具有控制精度、响应速度、能耗低等众多优势，是未来伺服液压机发展的方向。

作者简介：郭廷善（1965-），男，山东汶上，研究员，从事光电研究及非标部件的设计、研发、品质检测工作。

参考文献

[1]黄迪淼.新型伺服液压机控制系统研究开发[D].合肥工业大学.2012

[2]李贵闪,严建文,翟华.伺服液压机研究现状及关键技术[J].液压与气动.2011(5):39-41

[3]K.Osakada,K.Mori,T.Altan,P.Groche.Mechanical servo press technology for metal forming [J].CIRO Annuals-Manufacturing Technology.2011(2):651-672

[4]宋爱民,倪建成.伺服压力机的特点及前景远瞻[J].科技视界.2014:98-113

[5]周洋.伺服压力机仿真与工艺规划[D].华中科技大学. 2012