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    一种低噪声集成式伺服电机螺杆泵的试验研究

    放大字体  缩小字体 发布日期:2021-11-15 15:36:27    浏览次数:17    评论:0
    导读

    摘要研制出一种低噪声集成式交流伺服电机螺杆泵,伺服电机和液压螺杆泵同轴布局,通过内外花键连接。伺服电机螺杆泵具有流量脉动小、运行平稳性高、低噪声、能源利用率高等特点,对外只有2个液压接口和2个电气接口,密封少、密封可靠性高。运用ANSYS软件对电机螺杆泵底座进行强度分析,满足了设计要求。在不同转速、不同负载压力

    摘要 研制出一种低噪声集成式交流伺服电机螺杆泵,伺服电机和液压螺杆泵同轴布局,通过内外花键连接。伺服电机螺杆泵具有流量脉动小、运行平稳性高、低噪声、能源利用率高等特点,对外只有2个液压接口和2个电气接口,密封少、密封可靠性高。运用ANSYS软件对电机螺杆泵底座进行强度分析,满足了设计要求。在不同转速、不同负载压力情况下,对伺服电机螺杆泵的噪声等级、输出流量进行了试验研究,分析了影响噪声及泵容积效率的主要因素。通过在泵吸油口处设置增压装置和冷却装置,可有效降低气穴噪声并提高泵的容积效率。

    关键词 伺服电机螺杆泵;噪声;流量;仿真

    随着液压产品集成化、智能化的发展,机电静压功率电传已经成为液压传动与控制的主流[1],行业发展对电机泵的需求提出了更高的要求,国内外相关专家、学者和研究机构已经广泛开展电机泵的技术攻关,其中兰州理工大学研究的电机叶片泵[2]、北京航天大学研究的电机内啮合齿轮泵、台湾中山科学研究院研究的电液复合泵、Eaton-Vickers 公司研制的MP系列轴向柱塞电机泵、Voith Turbo H+L Hydraulic公司研制的EPAI内啮合齿轮电机泵代表了目前国内外电机泵研究发展的现状[3]

    传统液压系统存在着噪声大、机械振动、多处连接及配合的特点,因而降低了能量转化效率和可靠性,增加了液压系统单元的复杂性并且存在外泄漏的途径。因此,提高液压装置机电一体化程度、降低噪声、提高液压装置的利用率等就成为液压传动与控制领域迫切需要解决的问题[4]

    北京精密机电控制设备研究所依托自身在伺服驱动控制、高速伺服电机、高压高速柱塞泵等专业优势,利用航天伺服控制技术先后自主研发了3.5 kW 级、10 kW 级和20 kW 级轴向柱塞伺服电机泵,并在航天、舰船等领域成功获得工程化应用[5]

    研究是针对一种已获得工程化应用的交流伺服电机螺杆泵进行的试验研究。

    1 伺服电机螺杆泵结构及原理

    1.1 伺服电机螺杆泵机构

    图1为伺服电机螺杆泵的结构。伺服电机螺杆泵主要由伺服电机1、螺杆泵4、底座7以及其他连接元件组成。

    伺服电机1通电工作时,伺服电机产生电磁转矩,带动电机转子旋转,电机转子通过内花键的形式将力矩传递到螺杆泵4上;液压油通过接管嘴5和弯管6进入到底座7内。 底座用来支撑整个伺服电机螺杆泵机构,另外还起到了油路转接的功能,向对外的执行机构输送液压能源。通过底座的转接功能,可以实现紧凑化设计,且对外密封只有静密封,具有密封少、密封可靠性高的特点;整个机构只有2个液压接口和2个电气接口,便于安装。

    1.2 螺杆泵结构及工作原理

    伺服电机螺杆泵采用的是双螺杆泵结构,双螺杆泵主要是由一对主、从螺杆及滑动轴衬、前后端盖等组成。双螺杆泵是外啮合的螺杆泵,它利用螺杆相互啮合,啮合线把主动螺杆和从动螺杆的螺旋槽分割成相互隔离的密封腔[6]。随着螺杆的旋转,这些密封腔一个接一个从吸油腔往排油腔移动,从而实现了吸油和排油的工作过程。该伺服电机螺杆泵的排量为25.2 mL/r,连续工作压力可达到16 MPa。

    图1 伺服电机螺杆泵结构
    Fig.1 Structure of servo motor screw pump

    图2为螺杆泵结构。由螺旋传动原理可知,主动螺杆每旋转一周,由主、从螺杆啮合而形成的密封腔便向前推动一个导程,即螺杆泵内的油液就将被推进一个导程,则双螺杆泵的流量公式[7]

    其中:T为导程; A为过流面积;n为转速; dj为基圆直径。

    电机参数:电源电压为DC 350 V;输出功率为11.7 kW;最高转速为1 800 r/min;最大输出扭矩为62 Nm。

    图2 螺杆泵结构
    Fig.2 Structure of screw pump

    2 伺服电机螺杆泵试验系统

    图3为伺服电机螺杆泵试验系统原理。将伺服电机螺杆泵连接到液压系统中,通过驱动控制器对伺服电机的转向、转速进行驱动控制调节;通过调节比例溢流阀电流大小实现对模拟负载压力控制;通过流量计和压力传感器监测电机螺杆泵的输出流量及负载压力。为了适应安静环境下的使用要求,试验对伺服电机螺杆泵的噪声等级进行了测试,测试采用了声计级。

    图3 伺服电机螺杆泵试验系统原理
    Fig.3 System principle diagram of servo motor screw
    pump experiment

    3 电机螺杆泵机构设计

    为了使得整个结构更加紧凑,电机和螺杆泵同轴布局,电机和螺杆泵通过内外花键连接,电机螺杆泵底座起到油路转接和支撑整个机构的作用。伺服电机螺杆泵采取了整机浸油工作方式,既解决了电机散热问题,又解决了对外密封问题。

    图4为底座三维剖面图。该底座的材料选用2A14铝合金,整个外形轮廓呈筒状,便于轴向安装定位。底座的上端面通过螺钉与伺服电机相连,起到支撑作用,下端面与阀块接通,通过高、低压出油口向系统供油。

    为了分析整个结构设计的可靠性,采用ANSYS仿真软件对底座进行静力学仿真,等效应力云图及形变云图结果如图5、图6所示。

    由图5、图6可以看出,底座最大应力位置位于高压管接嘴处,最大应力为46.743 MPa;最大变形量位于底座圆盘中心处,因为此处存在高压油液流动方向急转的现象,故液压冲击力较大,最大变形量为0.003 637 9 mm,是满足设计要求的。

    图4 底座三维剖面
    Fig.4 3D profile map of foundation

    图5 底座等效应力云图
    Fig.5 Equivalent stressnephogram of foundation

    图6 底座形变云图
    Fig.6 Deformationnephogram of foundation

    4 电机螺杆泵试验结果分析

    按照图2所示的伺服电机螺杆泵试验原理图搭建实验台,通过驱动控制器调节电机的转速,系统的负载压力由溢流阀调定。

    在转速为分别为360 r/min、840 r/min、1 320 r/min、1 560 r/min、1 800 r/min时进行负载压力0、8 MPa、16 MPa的试验(忽略实验台0.5 MPa的背压),并对伺服电机螺杆泵的噪声、流量等进行数据采集。

    4.1 试验数据分析

    图7和图8分别为伺服电机螺杆泵在不同转速及不同压力情况下的噪声曲线和流量曲线,其中试验现场环境噪声50 dB。

    图7 不同转速、不同压力情况下的噪声曲线
    Fig.7 Noise curve under different speed,pressure

    图8 不同转速、不同压力情况下的流量曲线
    Fig.8 Flow curve under different speed,pressure

    从图7可以看出,随着伺服电机螺杆泵转速的升高,噪声呈现上升趋势,近似与转速高低成正比,这是由于电机转子的旋转偏心与不平衡、轴承的振动以及电机气隙中的磁场脉动和螺杆泵固有流量脉动而引起各种噪声的复合。同样,随着负载压力的升高,噪声也呈现上升趋势,这主要是由于溢流阀在调压过程中,随着压力的升高,油液携带许多细小的气泡在高压区溃灭,从而加剧溢流阀和螺杆泵所产生的气穴噪声(在正常工作下,溢流阀只做安全阀,其噪声几乎可以忽略)。尤其在压力为16 MPa的情况下更为明显,当电机转速为1 800 r/min时,最大噪声为71.8 dB,比空载时的64.7 dB高出7.1 dB。

    从图8可以看出,随着伺服电机螺杆泵转速的升高,泵的流量呈现上升趋势,因为伺服电机螺杆泵的流量主要取决于其转速,在不同负载压力及相同转速条件下,低转速工况流量的输出基本相同;高转速高压力工况下,油液经溢流阀的调压作用,温度升高。而油液粘度会随温度的变化而变化,其所呈现的特性被称为油液的粘温特性[8 ]。在试验中,所采用的工作介质为L-HM46液压油,油液的密度为860 kg/m3,而粘度(运动粘度和动力粘度)不是定值,它随着油液温度的升高呈现下降趋势[9 ],造成了介质和泵转子之间的粘附力减小,间隙泄漏量增大,从而出现随着压力的升高,负载压力流量与空载压力流量相差逐渐增大的趋势。

    4.2 试验结果分析

    在电机转速为1 800 r/min时,16 MPa压力工况下,泵的输出流量为38 L/min,而此时的理论流量为45.36 L/min,因此容积效率为83.77%;在电机转速为1 800 r/min时,在空载工况下,泵的输出流量为44.6 L/min,而容积效率为98.32%。因此,随着伺服电机螺杆泵的负载压力升高,泵内泄漏量增加,容积效率随之降低,进而引发局部吸空造成气穴噪声的产生。因此,在系统应用中,应在泵吸油口处设置增压装置。同时,试验系统采用比例溢流阀作为模拟负载,阀口气穴噪声会对系统实际噪声造成一定的影响[10]

    5 结论

    通过对伺服电机螺杆泵不同压力、不同转速情况下泵的噪声及流量特性进行分析,并运用ANSYS仿真软件对电机螺杆泵底座进行结构分析,获得以下结论:

    (1) 伺服电机螺杆泵的噪声随着电机转速的增加,噪声等级呈上升趋势;随着负载压力的升高,噪声也呈现上升趋势。

    (2) 在低转速、不同负载压力工况下,电机螺杆泵的输出流量相差不大;在高转速高压力工况下,电机螺杆泵的输出流量由于泵的容积效率降低而呈现下降趋势。

    (3) 在高压力工况下,为了减少泵容积效率损失,应考虑在泵的吸油口设置增压装置和冷却装置。


     
    (文/小编)
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