伺服電機與定量泵組成的液壓動力源具有良好的節(jié)能效果，該系統(tǒng)由于使用伺服電機，所以具有響應(yīng)速度快，壓力與流量控制精度高等特點。伺服電機轉(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、冷卻時間長的產(chǎn)品時，該系統(tǒng)具有非常顯著的節(jié)能效果。

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

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

1、伺服電機泵控系統(tǒng)節(jié)能分析

1.1伺服電機泵控系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，在傳統(tǒng)中低端壓機行業(yè)還在普遍使用閥控液壓系統(tǒng)，其動力源為普通定頻電機和定量泵。其主要缺點為加工精度的可控性差，難以進行準(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，將伺服電機控制技術(shù)與液壓技術(shù)有機結(jié)合，利用伺服電機控制諸多優(yōu)點可大大優(yōu)化傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)。通過伺服電機泵控系統(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大型液壓機應(yīng)用伺服泵控系統(tǒng)的節(jié)能分析

目前，伺服電機泵控技術(shù)已開始應(yīng)用于注塑機、制磚機等大功率液壓設(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，由于液壓系統(tǒng)對動力源有大流量、高壓力的要求，現(xiàn)行的伺服電機驅(qū)動單臺液壓泵的模式難以達(dá)到其技術(shù)要求。

如大型液壓機在快速下降行程中需要液壓動力源提供大流量輸出，對流量的要求達(dá)到了300 L/min;同時，在液壓機工進時又對動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上應(yīng)用伺服電機控制技術(shù)，將具有非常明顯的節(jié)能效果。因此，研發(fā)伺服電機控制的高壓大流量動力源有非常現(xiàn)實的需求。但高壓大流量泵的加工制造成本大，難以實現(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力系統(tǒng)的方案。

2、伺服電機控制的雙泵液壓動力系統(tǒng)設(shè)計

2.1大型液壓機動力源需求分析

從大型液壓機工作的實際情況來看，在快進環(huán)節(jié)系統(tǒng)阻力不大，但由于大型液壓機主油缸直徑大，雖有補油箱輔助進油，其對動力源的流量需求仍很大，因此快進時對液壓動力源需求一般為大流量小壓力;而在工進時，系統(tǒng)阻力很大但運動速度緩慢，此時對液壓動力源的需求為小流量大壓力，同時為保證加工產(chǎn)品的品質(zhì)，高端液壓機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行閉環(huán)控制。

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

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

如圖1所示，伺服電機控制的高壓大流量雙泵液壓動力系統(tǒng)主要由控制器、伺服電機、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的壓力P1流量指令Q1控制變頻電機的轉(zhuǎn)矩T和轉(zhuǎn)速n，從而實現(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，電機的轉(zhuǎn)速通過編碼器也反饋回控制器，通過泵的排量V與電機實時轉(zhuǎn)速n即可計算出實時流量Q（Q=Vn）。通過此系統(tǒng)，泵的出口壓力和流量可由主機根據(jù)系統(tǒng)需求實時設(shè)定，并能根據(jù)壓力流量反饋自動調(diào)整。

主泵PH與副泵PL的合流/分流狀態(tài)也由主機給出信號，經(jīng)由控制器控制合流閥塊中的電磁閥進行切換。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風(fēng)扇供電。制動單元與制動電阻為消耗伺服電機再生制動時產(chǎn)生的逆向能量所設(shè)置。

2.3雙泵合流與分流實現(xiàn)高壓大流量控制的方法

為實現(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。在快進等環(huán)節(jié)，將由主泵與副泵一起輸出液壓油，實現(xiàn)大流量輸出的目的。在工進等環(huán)節(jié)，副泵將卸荷，只由主泵輸出。

如圖2所示，在主機工進需要高壓輸出時，主泵PH單獨接入回路，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)?，此時副泵PL通過液控單向閥卸荷，不參與到主機液壓系統(tǒng)中，即為分流狀態(tài)。

當(dāng)主機快進需要大流量輸出時，控制器接收主機合流信號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，由于中位機能為O形，閥口P、A斷開，液控單向閥反向關(guān)閉，此時副泵PL通過普通單向閥與主泵PH合流，主泵PH與副泵PL都輸出到主機液壓系統(tǒng)，即為合流狀態(tài)。

3、實驗設(shè)計

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

主機液壓系統(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，補油箱的液控單向閥反向?qū)?，主油缸?nèi)液壓油回到補油箱中。

本研究的伺服電機泵控液壓動力單元如圖4所示。圖4a為伺服電機泵與合流閥塊組成的液壓動力單元；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為伺服電機泵的電控單元。

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

在各工序階段，主機液壓回路中電磁閥動作情況如表1所示。

該實驗中，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)主機的流量指令；中速下行（B-C）時，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，雙泵為主泵單獨工作狀態(tài)，系統(tǒng)為壓力控制，響應(yīng)主機的壓力指令。

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

從測量結(jié)果來看，在高速下行（A-B）時，雙泵的合流輸出達(dá)到了300 L/min，符合最大流量的設(shè)計要求;在慢速下行（C-D）時，只有主泵PH有效工作，監(jiān)測顯示在小流量（5L/min）時流量平穩(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)計要求的25 MPa高壓值，此外在高壓加壓時壓力超調(diào)量極小，能保證較高的壓制精度。

從伺服電機轉(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）時電機速度反應(yīng)良好，結(jié)合實測壓力來看，達(dá)到了良好的控制效果。在主缸卸荷（F-G）階段，伺服電機快速反轉(zhuǎn)實現(xiàn)卸荷，此時電機發(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電阻和制動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)對液壓動力源在不同時刻大流量或高壓力的輸出要求；

（2）利用伺服電機控制雙泵，在滿足高壓大流量輸出的同時，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的要求；

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