液压马达柔性驱动技术分析与研究

林园园 徐彤 常莹莹

摘  要：通过对液压马达在塑机械、船舶、起扬机、建筑机械、工程机械、冶金机械、矿山机械、石油化工、船舶机械和港口机械等领域应用的研究，报告了因液压马达频繁的启停对与其相关的减速机、轴承、轴、传动齿轮等部件造成损坏的现状。针对如何尽量减少因马达频繁启停带来的冲击造成的这种损坏的问题，文章对液压马达柔性驱动技术进行了分析与研究。

关键词：液压马达;冲击;柔性驱动

中图分类号：TP39;TH137             文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）03-0113-03

Analysis and Research on flexible drive technology of hydraulic motor

LIN Yuanyuan， XU Tong， CHANG Yingying

（Kewen College， Jiangsu Normal University，  Xuzhou  221132， China）

Abstract： Through the research on the application of hydraulic motor in plastic machinery， ships， hoists， construction machinery， engineering machinery， metallurgical machinery， mining machinery， petrochemical industry， marine machinery and port machinery and other fields， this paper reports the current situation of damage caused by frequent start and stop of hydraulic motor to its related speed reducer， bearing， shaft， transmission gear and other components. Aiming at the problem of how to minimize the damage caused by the attack caused by the frequent start and stop of the motor， this paper analyzes and studies the flexible drive technology of hydraulic motor.

Keywords： hydraulic motor; attack; flexible drive

0  引  言

液压马达有：齿轮马达、叶片马达和柱塞马达。齿轮马达是一种高、中速的扭矩液压马达，其输出转矩和转速的脉动性较大，径向力不衡，在低速旋转及负荷改变时运转的稳定性较差。多用于工程机械、农业机械和林业机械的回转机械。叶片马达属高转速、低扭矩液压马达，其具有转速高、惯性小的特点。适用于磨床、自动线及随动系统中。柱塞马达根据其结构不同分为轴向柱塞马达和径向柱塞马达。轴向柱塞马达根据其结构可以达到很高的转速。它可以具有多种变量控制形式，可以和变量泵组成闭式系统，也可以用于开式系统，广泛用于工程机械和农业机械。径向柱塞马达属于低速大扭矩马达，它具有转速低、输出扭矩大的特点。可以用于各类机械的行走、牵引、驱动以及提升等，因此在冶金、矿山、起重、运输、船舶等机械的液压系统中经常使用。

1  液压马达的优点

液压马达是液压系统的一种执行元件，它将液压泵提供的液体压力能转变为其输出轴的机械能（转速和转矩）。液体是传递力和运动的介质。相对于其他的动力驱动装置，液压马达有以下优点：

（1）传动平稳，在液压传动装置中，因为油液的压缩量非常小，在一般压力下可认为不能压缩，依靠油液的连续流动进行传动。油液还有吸振能力，在油路中可设置液压缓冲装置，使传动非常平稳，便于实现频繁换向;因此在要求传动平稳的机械上得到了广泛的应用。

（2）承载能力大，液压传动容易获得很大的力和转矩，故在万吨轮船操舵机和隧道掘进机等设备中广泛使用。

（3）质量轻体积小，液压传动与電力或机械等传动方式相比，在输出相同功率的条件下，质量和体积可以减小很多，故惯性小、动作灵敏;这对液压自动控制和要求降重的机器来说尤为重要。

（4）容易实现过载保护，液压系统中通常包含大量的安全保护措施，可以自动防止过载，避免事故的发生。

（5）容易实现无级调速，在液压传动中，调节液体的流量即可实现无级调速，且调速范围非常广，最大可到2 000：1，易于得到极低的速度。

（6）易于实现复杂动作，采用液压传动能获得各种复杂的机械动作，如数控铣床的液压工作台，可加工出不规则形状的零件。

（7）液压元件能够自动润滑，因为采用液压油作为工作介质，故可自动润滑液压传动装置，保证元件有较长的使用寿命。

（8）便于实现自动化，在液压系统中，液体的方向、流量和压力非常容易控制，再匹配好相应的电气装置，各种复杂的自动工作循环就非常容易实现。

（9）机构简化，采用液压传动能简化大量的机械结构，进而可以减少机械零部件的数目。

（10）便于实现“三化”，液压元件易于实现标准化、系列化和通用化。也容易实现大批量生产，从而提高产品的质量、提高生产效率，降低产品成本。

2  液压马达柔性启停技术研究

基于液压马达的以上优点，其应用也越来越广泛。但是随着应用的推广，液压马达在频繁启停过程中因冲击对与其相关的减速机、轴承、轴、传动齿轮等部件会经常造成损坏，如何减少这种冲击，减少对与其相关件的损耗，提高设备使用寿命是本方研究的重点。

由于液压马达应用情景非常多，本文只取一种具有代表性的应用情景来进行研究。该应用情景为：发动机带动液压泵，液压泵为液压马达提供动力，液压马达带动一个惯性比较大的部件。如图1所示。液压马达通过控制器进行控制，控制器控制液压马达的端口为带电流反馈的PWM端口。下面简单介绍一下该应用环境下的PWM：PWM全称为脉冲宽度调制，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（包括幅值和形状）。可以保持脉冲的幅度相等，通过改变脉冲的占空比来获得所需要的输出电压，或保持脉冲的宽度相等，根据所需要的输出电压与输入电压比值来调节脉冲的占空比;本文中的控制方式为通过调节PWM的占空比来实现控制液压泵的比例阀电流的目的，进而控制液压马达的流量。

本例中選用的液压泵比例阀的开启电流为200 mA，最大开度时的电流为600 mA，通过改变比例阀的电流来改变液压泵斜盘的开度，进而改变流过液压马达液压油的流量。比例阀通过电流从200 mA到600 mA的时间长短决定了启动过程对设备相关部件冲击的大小，比例阀通过电流从600 mA到200 mA的时间长短决定了停止过程对设备相关部件冲击的大小。下面分别对启动时间和停止时间赋予不同值来研究启动过程和停止过程对设备冲击的情况，得到一个最佳的启动时间和停止时间。具体内容有：

（1）启动时间和停止时间为零的时候，通过采集液压系统压力来反应冲击情况。如图2所示。由曲线可以得知，在设备启动过程中，对设备的冲击非常大，A口的液压压力几乎在瞬间就超过了460 Bar，达到了液压马达的溢流压力，并且这个高压持续时间超过2 s，待运动部件转速有所上升后，压力才有大幅下降，在这个启动过程中，过大的液压压力，对液压马达和其驱动的运动部件都会造成较大的冲击，对设备造成损坏，影响设备的使用寿命。为了避免这种冲击，需要延长启动时间，但这个时间定为多少，是我们后续将要研究的内容。

如图3所示。由曲线可以得知，设备在停机过程中，液压泵B口的压力超过200 Bar，并且持续时间超过6 s，检测到停止时的压力没有启动时的压力大，主要是因为检测点的压力为经过液压马达溢流后分流得到的压力，其此时转动部件超大的惯性带给液压马达的冲击压力要远大于200 Bar，其带来的冲击也会大于启动时的冲击，大大影响设备的使用寿命，因此停机时需要延长停机时间，来减少这种冲击，这个时间定为多少，也是后续将要研究的内容。

如图4所示。由曲线可以得知，运动部件在液压马达的驱动下转速上升很快，在7.7 s内就达到了最大转速，这么短的启动过程中，发动机一直冒黑烟，处于过载状态，液压马达因为压力超限出现异响;停机的时间也很短，仅用6.74 s运动部件就从最高转速下降到零，在此过程中，能够明显听到设备运动部件发出刺耳的异响。过快的启动和停止使设备工作在超限的状态，对设备造成了较大的不利影响，甚至会损坏设备。

（2）将启动时间和停止时间定为40 s的时候，通过采集液压系统压力来反应冲击情况。为了更好地达到减缓启动冲击，确保液压马达平稳、柔性的启动，将40 s的启动时间分为三个部分。第一部分为液压泵的启动死区，在这个区间内，快速增加通过液压泵的启动电流，使之快速通过死区，使液压泵斜盘开度到达马达可以启动的位置，液压泵的电流从0～200 mA的时间定为1 s;第二部分为缓慢增加液压泵的启动电流，因为在这个阶段，液压马达启动惯性最大，如果此时快速增加液压泵的斜盘开度，又会造成非常大的冲击，为了减少冲击，缓慢增加液压泵的电流，液压泵电流从200～350 mA的时间定为25 s;第三部分为相对较快的增加液压泵电流阶段，在马达驱动的部件克服了启动惯性后，推动部件转速上升需要克服的惯性会大大减少，此时可以相对较快的增加启动电流，液压泵电流从350～600 mA的时间定为14 s。为了更好地达到减缓停机冲击，确保设备平稳、柔性停机，将停机策略和启动策略做一倒置，即停机时液压泵电流从600～350 mA的时间定为14 s，从350～200 mA的时间定为25 s，从200 mA到0的时间定为1 s。此种柔性启动技术采集到的液压系统压力情况如图5所示。

由图5中曲线可以得知，在设备启动过程中，液压泵A口的最大压力为128 Bar，相较于启动时间为零时超过压力的460 Bar的压力相比，已经有了大幅的降低，并且启动曲线相对平稳，可以有效地减少冲击，减少对设备的损坏，延长设备使用寿命;另外从启动开始到启动完成用时40 s，这个时间是最优时间，如果减少这个启动时间，A口检测到的启动压力会有非常大的提升，如果增加这个时间，启动压力没有太大的变化，反而还会延长启动时间，造成启动时间过长，进而影响设备效率。综合来看，针对此种工况40 s的启动时间是最优的启动方案。

如图6所示。由曲线可以得知，设备在停机过程中，液压泵B口的压力不超过67 Bar，相较于停机时间为零时超过200 Bar的压力相比，已经有了大幅的降低，这个压力带来的冲击完全在设备设计的可承受的冲击范围内。设备在从开始停机到完全停下来用时为40 s，这个时间是最优时间，如果增加这个时间，停机时检测的压力会有所降低，但没有必要，反而会增加停机时间，造成停机时间过长，影响设备效率;如果减少停机时间，会使得停机时某一阶段内的压力快速上升，达不到预期的目标。

如图7所示。由曲线可以得知，设备在启动、停止过程中，运动部件转速上升下降过程都比较平稳，有很好的效果。

3  结  论

文章虽然是根据特定工况下的特定研究，但仍然具有一定的代表性，其他工况可以参考文章所采取的控制策略来实现液压马达的柔性启停。文章列举了液压马达的优点，但在实际应用过程中其也有不少缺点，比如：液压元件制造精度要求高、实现定比传动困难、油液受温度的影响比较大、不宜远距离输送动力、油液中混入空气容易影响工作性能、油液易被污染、一旦油液被污染会降低系统的可靠性、出现故障不易排查等。当然，随着科技的发展以上缺点将会逐渐得到解决，液压马达的应用也将会更加广泛和普遍，柔性启动技术就显得更加重要。

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作者简介：林园园（1985—），女，汉族，河南台前人，助教，硕士研究生，研究方向：电力电子与电力传动。