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液压伺服系统在伺服控制中的特点分析

       在实际工程中,液压伺服系统得到了广泛的应用。其鲜明的特点,是其他伺服系统不能替代的。本文对液压伺服系统的特点,进行了比较详细的分析和概述。

关键词: 液压伺服系统 功率—重量比 力矩惯量比 液压马达

        液压伺服系统又名液压随动系统,也叫液压控制系统,它是液压技术领域中一个重要的分支。液压伺服系统以其优良的动态性能著称,尤其对于直线运动的控制对象,它的优势更加突出,因此被广泛的应用于航空、航天、武器控制、机械、冶金等部门。液压伺服系统同样由于存在一些缺点,在研制和使用过程中产生各种各样的问题,需要克服和解决。
       根据本公司多年在工作中对液压技术的应用和研究,现对液压伺服系统在设计和应用中体现的优缺点进行一下归纳和总结。 同机电伺服系统、气动伺服系统相比较,液压伺服系统具有以下的突出特点,以致成为采用液压系统而不采用其他控制系统的主要原因:

        功率——重量比大。在同样功率的控制系统中,液压系统体积小,重量轻。这是因为对机电元件,例如电动机来说,由于受到激磁性材料饱和作用的限制,单位重量的设备所能输出的功率比较小。液压系统可以通过提高系统的压力来提高输出功率,这时只受到机械强度和密封技术的限制。在典型的情况下,发电机和电动机的功率比仅为16.8W/N,而液压泵和液压马达的功率——重量比为168W/N,是机电元件的10倍。在航空、航天技术领域应用的液压马达是675W/N。直线运动的动力装置更加悬殊。 这个特点,在许多场合下,在采用液压伺服而不采用其他伺服系统的重要原因,也是直线运动系统控制系统中多用液压系统的重要原因。例如在航空、特别是导电、飞行器的控制中液压伺服系统得到了很广泛的应用。几乎所有的中远程导弹的控制系统都是采用液压控制系统。 力矩惯量比大。一般回转式液压马达的力矩惯量比是同容量电动机的10倍至20倍,一般液压马达为61x10Nm/Kgm2。力矩惯量比大,意味着液压系统能够产生大的加速度,也意味着时间常数小,响应速度快,具有优良的动态性能。因为液压马达或者电动机消耗的功率一部分来克服负载,另一部分消耗在加速液压马达或者电动机本身的转子。所以一个执行元件是否能够产生所希望的加速度,能否给负载以足够的实际功率,主要受到它的力矩惯量比的限制。这个特点也是许多场合下采用液压系统,而不是采用其他控制系统的重要原因。例如火箭炮武器的防真系统中,要求平台有极大的加速度,具有很高的响应频率,这个任务只有液压系统可以胜任。液压马达的调速范围宽。所谓调速范围宽是指马达的最大转速与最小平稳转速只比。液压伺服马达的调速范围一般在400左右,好的上千,通过良好的回路设计,闭环系统的调速范围更宽。这个指标也常常是采用液压伺服系统的主要原因。例如在跟踪导弹、卫星等飞行器的雷达、光学跟踪装置,在导弹起飞的的初始阶段,视场半径很小,要求很大的跟踪角速度,进入轨道后视场半径变小,要求跟踪的角速度很小,因此要求系统的整个跟踪范围很大。所以对于液压伺服系统有着良好的调速变化性能,也是其他控制系统无法比拟的优势。
       液压伺服系统很容易通过液压缸实现大功率的直线伺服驱动,而且结构简单。若采用以电动机为执行元件的机电系统,则需要通过齿轮齿条等装置,将旋转运动变换为直线运动,从而结构边的复杂,而且会因为传动链的间隙而带来很多问题;若采用直线式电机,体积重量将大大增加。从力——质量比来说,支流直线式电动机的力——质量比为130N/Kg,而直线式液压马达(油缸)的力——质量比是13000N/Kg,是电机元件的100倍。所以在负载要求做直线运动的伺服系统中,液压系统比机电系统有着明显的优势。
       液压伺服的刚度比较大。在大的后坐力或冲击震动下,如不采用液压系统,有可能导致整体机械结构的变形或损坏。特别是在导弹发射或火箭炮发射时候,由于瞬间冲击波比较大,为了保证整个系统的稳定以及安全性,必须采用液压伺服系统技术。由于液压缸可以装载溢流阀,所以在大的震动和冲击下可以有溢流作用,保证了整个系统的安全和稳定性。
       但是液压控制系统也存在许多严重的缺点,在研制、生产和使用过程中,引起许多的问题,影响液压系统的声誉,成为也其他控制系统竞争中丧失市场原因。概括起来有以下几个方面的特点:
       使用不方便,维护困难。在研制过程中,经常需要增添或者更换,甚至去掉一些元件,修改一些管路;在使用过程中,一旦出现故障,需要检测和排除故障,不可避免的要拆卸管路,更换元件,这时需要到钳子、扳手,大动干戈,甚至弄的满地是油污,令人讨厌。机电系统,可以方便的使用万用表和示波器等电子仪器来检查故障,需要修改线路、更换元件时,只需要一把电烙铁、一把镊子就可以解决问题,十分方便、十分干净。
       泄漏,液压系统常常难以保证没有泄漏,总是或多或少的有写油液漏出,严重的甚至满地都是。这是在电子设备、医疗机械、食品加工机械、工艺品加工机械中失去市场的主要原因。
       过载能力低。若液压系统的额定工作压力为140×105Pa,则允许的最大工作压力不超过210×105Pa;而电动机的过载能里要很强,例如无槽电动机瞬时过载功率是额定功率的7~8倍。这个缺点也是在某些场合下限制了液压伺服系统的使用,例如在高炮武器中,为了对付飞机等高速移动的目标,跟踪装置需要掉转180度,起加速度达到15rad/s2,需要消耗很大的功率,但是在正常跟踪状态下,负载消耗的功率是很小的,由于液压系统的瞬时过载能力差,不得不选用大容量的电子系统。
       噪声比较大,这是液压系统中又一个缺点,在许多场合也是防碍选用液压系统的重要原因。
不适宜做远距离的传输,因为一方面由于铺设管路带来了许多不便,另一方面,控制点远距离油源还会降低系统的动态性能。
       以上是液压控制系统的存在的缺点,但是随着科技的进一步发展,上述的一些缺点都会逐步的被克服。
       随着科技的进步液压伺服系统逐渐发展为以机电一体化为主流的伺服系统,以及随着计算机在液压系统中的广泛应用使液压伺服系统的应用前景更加广阔。