新型液压机械复合驱动重载直线机构高能效运行理论与方法

Hydraulic transmission and control technologies are the key technologies supporting the mainframes of the national economy. And the use of closed pump controlled principle to improve energy efficiency is its cutting-edge research direction. However, due to the area difference of widely used single-rod cylinders, there is no ideal solution like pump-controlled symmetry cylinders so far, and it is a major international problem that restricts the promotion and application of this technique. Therefore, referring to "high-reliability drive and transmission system new principles, new structures" which is the priority funding direction of mechanical engineering of National Natural Science Foundation of China, a novel linear drive principle combined with closed hydraulic rotation and mechanical linear conversion is proposed. Based on the involved scientific issues such as the cause of transmission system performance, innovation design and control strategy, various aspects of researches are carried out, including hydro-mechanical composite drive system design, force transfer characteristics of key load bearing components, displacement and force control characteristics, energy conversion characteristics, etc. By the explosion of integrated method and control principle of high power density hydraulic transmission and energy-efficient mechanical transmission technology, the influence law to operation characteristics of the coupling action between the hydraulic link, the mechanical link and the load are mastered. And the theoretical analysis and design knowledge system of high-efficiency driving of linear motion mechanism is established. The achievement will provide new principles and methods for development of major equipment of national defense and economy.

流体传动与控制是支撑国民经济各领域主机的关键技术，采用闭式容积控制原理提高能效是该领域的前沿研究方向，但对于广泛应用的单出杆液压缸，受其面积差制约，至今没有像泵控对称缸一样的理想解决方案，是制约这一技术推广和应用的国际性难题。为此，参照国家基金委机械工程学科“高可靠驱动与传动系统新原理、新结构”这一优先资助方向，提出闭式液压回转与机械直线转换复合的全新直线驱动原理，围绕该方案涉及的传动系统性能成因、创新设计和控制策略等科学问题，在液压机械复合驱动系统设计、关键承载部件力传递特性、位移和力控制特性、能量转换特性等方面开展研究，探索高功率密度液压传动与高能效机械传动技术的集成方法和控制原理，掌握复合传动系统液压环节、机械环节及其与负载之间的耦合作用对系统运行特性的影响规律，建立直线运动机构高能效驱动理论分析与设计知识体系，为我国国防和国民经济重大装备创新发展提供新原理和新方法。

流体传动与控制是支撑国民经济各领域主机的关键技术，采用闭式容积控制原理提高能效是该领域的前沿研究方向，但对于广泛应用的单出杆液压缸，受其面积差制约，至今没有像泵控对称缸一样的理想解决方案。因此，本项目创新提出集成有液压马达的紧凑型重载直线执行器闭式驱动方案，实现重载直线运动机构的高动态、高能效对称驱动。.项目围绕研究目标和现有解决方案的不足，重点开展了液压-机械直驱重载直线执行器设计理论和闭式液压回路与机械直线传动机构耦合特性研究两方面的研究，研发出创新的液压-机械复合驱动重载执行器传动单元，提供重载直线执行器对称驱动解决方案、液压-机械复合传动设计方法和控制理论，为我国国防和国民经济重大装备创新发展提供新原理和新方法。研究中取得了如下重要结果：.（1）推导了闭式泵控和开式阀控两种典型回路的传递函数，获得了系统的阻尼比、固有频率与其各参数的关系。.（2）针对闭式泵控系统，闭式泵和马达容易受负载影响，提出了基于速度补偿的开环控制方法，并对速度进行补偿，可将速度变化从50 mm/s缩减为5 mm/s..（3）针对闭式泵控系统存在闭式泵和马达两个泄漏源导致系统存在速度死区问题，借鉴阀控缸总压力控制思想，提出了预压补偿，使泵控制信号避开死区位置，显著降低负载对定位精度的影响，从最大变化5 mm减小为 3.5 mm。.（4）提出了采用基于元件试验或真实物理结构的数字样机设计方法，构建了能够反映元件和系统能效、受力的多学科联合仿真模型，并对所提执行器的运行和能耗特性进行了分析。.（5）设计了阀控系统恒压动力源，压力动态响应从常规泵160 ms减少为50 ms，为新型阀控闭环系统提供了动力源。.（6）设计了基于转速闭环的速度控制方法，转速误差平均控制在8 r/min以内，速度控制误差2.4%以内。.（7）设计了基于PID的位置闭环策略、基于速度前馈闭环的位置控制策略，位置控制误差平均在0.3 mm以内。