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1、(10)申请公布号 CN 103174692 A(43)申请公布日 2013.06.26CN103174692A*CN103174692A*(21)申请号 201110441986.2(22)申请日 2011.12.24F15B 11/04(2006.01)F15B 1/02(2006.01)F15B 21/08(2006.01)(71)申请人中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所地址 110000 辽宁省沈阳市皇姑区塔湾街40号(72)发明人田慧超 刘建民 郑伟 千光魏炜(74)专利代理机构沈阳晨创科技专利代理有限责任公司 21001代理人樊南星(54) 发明名称一种用于大功率、宽调速范围负。
2、载的液压马达拖动系统(57) 摘要一种用于大功率、宽调速范围负载的液压马达拖动系统，安装在液压泵上；其特征在于：所述液压马达拖动系统具体由下述两大部分构成：液压系统、电气系统；其中：液压系统有下述几部分构成：高压球阀（1.1）、低压球阀（1.2）、带报警高压压油油滤（2.1）、带报警低压回油油滤（2.2）、温度传感器（3）、压力传感器、压力表、蓄能器（6）、伺服阀（7）、液压马达（8）、速度传感器（9）、旁通阀（10）。本发明技术效果说明：自动化程度高、维护性好、可靠性高、优化布局，方便了试验人员的操作，而且保证了试验过程的安全可靠性。(51)Int.Cl.权利要求书2页 说明书15页 附图4。
3、页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书15页 附图4页(10)申请公布号 CN 103174692 ACN 103174692 A1/2页21.一种用于大功率、宽调速范围负载的液压马达拖动系统，安装在液压泵上；其特征在于：所述液压马达拖动系统具体由下述两大部分构成：液压系统、电气系统；其中：液压系统有下述几部分构成：高压球阀(1.1)、低压球阀(1.2)、带报警高压压油油滤(2.1)、带报警低压回油油滤(2.2)、温度传感器(3)、压力传感器A(4.1)、压力传感器B(4.2)、压力传感器C(4.3)、压力传感器D(4.4)、高压压力表(5.1)、低压。
4、压力表(5.2)、蓄能器(6)、伺服阀(7)、液压马达(8)、速度传感器(9)、旁通阀(10)；其中：压球阀(1.1)、低压球阀(1.2)分别连接着油源的压力油口和回油口，带报警高压压油油滤(2.1)连接着压球阀(1.1)，下述几部分顺序依次串联连接：蓄能器(6)、压力传感器A(4.1)、高压压力表(5.1)、伺服阀(7)、压力传感器C(4.3)、液压马达(8)、速度传感器(9)；带报警低压回油油滤(2.2)连接着低压球阀(1.2)，下述几部分顺序依次串联连接：温度传感器(3)、压力传感器B(4.2)、低压压力表(5.2)、伺服阀(7)、压力传感器D(4.4)、液压马达(8)；旁通阀(10)的。
5、一端连接在压力传感器D(4.4)与液压马达(8)之间的液压管路上，旁通阀(10)的另一端连接在压力传感器C(4.3)与液压马达(8)之间的液压管路上；带报警高压压油油滤(2.1)连接着蓄能器(6)与压力传感器A(4.1)之间的液压管路，带报警低压回油油滤(2.2)连接着温度传感器(3)与压力传感器B(4.2)之间的液压管路；被试验泵与液压马达(8)之间通过速度传感器(9)连接；所述电气系统构成如下：温度传感器(3)、压力传感器A(4.1)、压力传感器B(4.2)、压力传感器C(4.3)、压力传感器D(4.4)、高压压力表(5.1)、低压压力表(5.2)、PLC模拟量模块A(1101)、PLC模。
6、拟量模块B(1102)、PLC模拟量模块C(1103)、PLC模拟量模块D(1104)、PLC模拟量模块E(1105)、速度传感器(9)、控制器(12)；其中：PLC模拟量模块A(1101)、PLC模拟量模块B(1102)、PLC模拟量模块C(1103)、PLC模拟量模块D(1104)、PLC模拟量模块E(1105)分别连接着控制器(12)；速度传感器(9)连接着PLC模拟量模块A(1101)，PLC模拟量模块B(1102)连接着液压系统中的伺服阀(7)；PLC模拟量模块C(1103)连接着下述几部分：压力传感器A(4.1)、压力传感器B(4.2)、压力传感器C(4.3)、压力传感器D(4.4。
7、)、温度传感器(3)、被试泵；PLC模拟量模块D(1104)连接着下述三者：带报警高压压油油滤(2.1)、带报警低压回油油滤(2.2)和液压泵；PLC模拟量模块E(1105)还连接着报警装置。2.按照权利要求1所述用于大功率、宽调速范围负载的液压马达拖动系统，其特征在于：所述电气系统中，控制器(12)具体设置有自动控制和手动控制两种控制模式，其中：手动控制借助于伺服阀手动调节旋钮工作，自动控制中转速控制具体使用PID闭环控制。3.按照权利要求2所述用于大功率、宽调速范围负载的液压马达拖动系统，其特征在于：所述速度传感器(9)具体为脉冲式速度传感器，其基本参数指标如下：转速范围：010000rp。
8、m；输出信号：输出信号为脉冲式信号，大小为每转10个脉冲；供电电压：24VDC；输出频率：2kHz；感应距离：2.5mm。4.按照权利要求3所述用于大功率、宽调速范围负载的液压马达拖动系统，其特征在于：所述PLC模拟量模块A(1101)、PLC模拟量模块B(1102)、PLC模拟量模块C(1103)、PLC模拟量模块D(1104)、PLC模拟量模块E(1105)的输出电流信号为4-20mA；权 利 要 求 书CN 103174692 A2/2页3系统油源为4台轴向柱塞泵，其中有2台柱塞泵为调速子系统供油，最大流量：Qmax320L/min。5.按照权利要求4所述用于大功率、宽调速范围负载的液压。
9、马达拖动系统，其特征在于：所述系统油源为4台轴向柱塞泵：公称排量160mL/r，额定压力32MPa，额定转速1000rpm；其中有2台柱塞泵为调速子系统供油；系统油源压力Ps32MPa，最大流量：Qmax320L/min；系统被试加油泵的基本参数为：Q2000L/min，p2.2MPa0.11MPa，n5600rpm，则通过计算可得负载扭矩：考虑到管路损失和伺服阀的节流损失，液压马达的工作压力：pf30MPa，则液压马达排量：液压马达选用轴向柱塞马达，基本参数为：马达的额定排量为V32mL/rev；最大流量为Qmax201L/min；额定转速为n5600rpm；最高转速为nmax6200rpm。
10、；额定扭矩为T178Nm(p35MPa)。权 利 要 求 书CN 103174692 A1/15页4一种用于大功率、 宽调速范围负载的液压马达拖动系统技术领域 ：0001 本发明涉及液压和电气控制系统结构设计和应用技术领域，特别提供了一种用于大功率、宽调速范围负载的液压马达拖动系统。背景技术 ：0002 现有技术中，液压马达拖动系统结构较为复杂，而且技术效果较为有限。因此，人们期望获得一种技术效果较好的用于大功率、宽调速范围负载的液压马达拖动系统。发明内容 ：0003 本发明的目的是提供一种技术效果较好的用于大功率、宽调速范围负载的液压马达拖动系统。0004 本发明提供了一种用于大功率、宽调速。
11、范围负载的液压马达拖动系统，安装在液压泵上；其特征在于：所述液压马达拖动系统具体由下述两大部分构成：液压系统、电气系统；其中：液压系统有下述几部分构成：高压球阀1.1、低压球阀1.2、带报警高压压油油滤2.1、带报警低压回油油滤2.2、温度传感器3、压力传感器A4.1、压力传感器B4.2、压力传感器C4.3、压力传感器D4.4、高压压力表5.1、低压压力表5.2、蓄能器6、伺服阀7、液压马达8、速度传感器9、旁通阀10；其中：0005 压球阀1.1、低压球阀1.2分别连接着油源的压力油口和回油口，带报警高压压油油滤2.1连接着压球阀1.1，下述几部分顺序依次串联连接：蓄能器6、压力传感器A4.。
12、1、高压压力表5.1、伺服阀7、压力传感器C4.3、液压马达8、速度传感器9；0006 带报警低压回油油滤2.2连接着低压球阀1.2，下述几部分顺序依次串联连接：温度传感器3、压力传感器B4.2、低压压力表5.2、伺服阀7、压力传感器D4.4、液压马达8；0007 旁通阀10的一端连接在压力传感器D4.4与液压马达8之间的液压管路上，旁通阀10的另一端连接在压力传感器C4.3与液压马达8之间的液压管路上；0008 带报警高压压油油滤2.1连接着蓄能器6与压力传感器A4.1之间的液压管路，带报警低压回油油滤2.2连接着温度传感器3与压力传感器B4.2之间的液压管路；0009 被试验泵与液压马达8。
13、之间通过速度传感器9连接；0010 所述电气系统构成如下：温度传感器3、压力传感器A4.1、压力传感器B4.2、压力传感器C4.3、压力传感器D4.4、高压压力表5.1、低压压力表5.2、PLC模拟量模块A1101、PLC模拟量模块B1102、PLC模拟量模块C1103、PLC模拟量模块D1104、PLC模拟量模块E1105、速度传感器9、控制器12；其中：0011 PLC模拟量模块A1101、PLC模拟量模块B1102、PLC模拟量模块C1103、PLC模拟量模块D1104、PLC模拟量模块E1105分别连接着控制器12；速度传感器9连接着PLC模拟量模块A1101，PLC模拟量模块B110。
14、2连接着液压系统中的伺服阀7；PLC模拟量模块C1103连接着下述几部分：压力传感器A4.1、压力传感器B4.2、压力传感器C4.3、压力传感器D4.4、温度传感器3、被试泵；说 明 书CN 103174692 A2/15页50012 PLC模拟量模块D1104连接着下述三者：带报警高压压油油滤2.1、带报警低压回油油滤2.2和液压泵；PLC模拟量模块E1105还连接着报警装置。0013 本发明所述用于大功率、宽调速范围负载的液压马达拖动系统，还要求保护下述优选内容：0014 所述电气系统中，控制器12具体设置有自动控制和手动控制两种控制模式，其中：手动控制借助于伺服阀手动调节旋钮工作，自动控。
15、制中转速控制具体使用PID闭环控制。0015 所述速度传感器9具体为脉冲式速度传感器，其基本参数指标如下：转速范围：010000rpm；输出信号：输出信号为脉冲式信号，大小为每转10个脉冲(由联轴器上的凸台决定)；供电电压：24VDC；输出频率：2kHz；感应距离：2.5mm。0016 所述PLC模拟量模块A1101、PLC模拟量模块B1102、PLC模拟量模块C1103、PLC模拟量模块D1104、PLC模拟量模块E1105的输出电流信号为4-20mA；系统油源为4台轴向柱塞泵，其中有2台柱塞泵为调速子系统供油，最大流量：Qmax320L/min。0017 进一步优选要求：所述系统油源为4台。
16、轴向柱塞泵：型号160SCY14-1B；公称排量160mL/r，额定压力32MPa，额定转速1000rpm；其中有2台柱塞泵为调速子系统供油；系统油源压力Ps32MPa，最大流量：Qmax320L/min；0018 系统被试加油泵的基本参数为：Q2000L/min，p2.2MPa0.11MPa，n5600rpm，则通过计算可得负载扭矩：0019 0020 考虑到管路损失和伺服阀的节流损失，液压马达的工作压力：pf30MPa，则液压马达排量：(考虑负载)；0021 液压马达选用德国力士乐的轴向柱塞马达，型号为：A2FM32/61W-VZPB；基本参数为：马达的额定排量为V32mL/rev；最大流。
17、量为Qmax201L/min；额定转速为n5600rpm；最高转速为nmax6200rpm；0022 额定扭矩为T178Nm(P35MPa)。0023 本发明中，液压马达拖动系统是一套无级变速式液压调速系统，系统调速范围宽、频响快、精度高。0024 液压马达的设计计算及造型满足下述要求：0025 系统油源为4台轴向柱塞泵，型号：160SCY14-1B。公称排量160mL/r，额定压力32MPa，额定转速1000rpm。其中有2台柱塞泵为调速子系统供油。因此，系统油源压力：Ps32MPa，最大流量：Qmax320L/min。0026 液压系统被试加油泵的基本参数为：0027 Q2000L/min。
18、，P2.2MPa0.11MPa，n5600rpm0028 则通过计算可得负载扭矩：0029 0030 考虑到管路损失和伺服阀的节流损失，驱动马达的工作压力：说 明 书CN 103174692 A3/15页60031 pf30MPa0032 则马达的排量：(考虑负载)0033 因此，基于以上计算，选用德国力士乐的轴向柱塞马达，型号为：A2FM32/61W-VZPB。基本参数为：马达的额定排量为：V32mL/rev；最大流量为：Qmax201L/min；额定转速为：n5600rpm；最高转速为：nmax6200rpm；额定扭矩为：T178Nm(p35MPa)0034 蓄能器6的设计计算及造型：该调。
19、速系统中，蓄能器6的主要作用是消除压力脉动，保证系统运行的平稳性和速度刚性：0035 0036 考虑到系统最高压力为Ps32MPa，因此选用贺德克公司的蓄能器6，其型号为：SB330A-4A1/112A9-330A。根据类比设计，选择蓄能器6的容量为4L。0037 伺服阀的设计计算及造型：伺服阀7的额定压力应大于或者等于使用压力，同时应保证伺服阀7的额定流量大于或等于实际需要的负载流量。由于油源压力Ps32MPa，系统的最大流量为Qmax320L/min，因此选用ATOS公司的DPZ型伺服阀，具体型号为：DPZ0-LE-371-S5。伺服阀7的额定压力为31.5MPa，额定流量为350L，伺服。
20、放大器的供电电压为24VDC，控制信号为420mA电流信号。0038 滤油器的设计计算及造型：系统油源的压力为Ps32MPa，流量为Qmax320L/min，由于系统选用的为电液控制的伺服阀7，其抗污染能力较差，对液压油的清洁度要求较高。液压油滤选择带发讯器报警的结构形式，其基本参数为：公称压力：32MPa；公称流量：400L/min；过滤精度：3um。回油滤的基本参数为：公称压力：1.6MPa；公称流量：630L/min：过滤精度：3um。0039 液压管路的设计计算及造型：0040 (1)高压管路计算：系统流量流量为Qmax320L/min，系统压力Ps32MPa0041 V为流速，004。
21、2 取管路内径D35mm，则流速V5.5m/s0043 压力管壁厚0044 取7.5mm，因此，压力管路外径为50mm，壁厚为7.5mm。0045 (2)低压回油管路计算：系统流量为Qmax320L/min，系统压力Ps1MPa0046 V为流速，0047 取管路内径D70mm，则流速V1.39m/s0048 压力管壁厚0049 取5mm，因此，压力管路外径为80mm，壁厚为5mm。说 明 书CN 103174692 A4/15页70050 液压马达拖动系统的元部件清单：系统主要元部件清单如表1所示。0051 表1 涡轮泵拖动系统主要部件清单表0052 0053 0054 液压马达拖动系统的安。
22、装布局：在原理设计的基础上，经过设计计算及选型，结合试验室布局和机械、液压接口等具体情况，进行安装布局和工程设计，力求最大程度的满足所提出的技术指标和实际使用要求。0055 液压系统的主要技术要求如下：(1)PC机控制，远程、本地两种操作方式，对液压马达转速进行调节；(2)系统调速范围：20006000rpm；(3)系统调速精度：0.5(调速范围内)；(4)系统应设有两档工作状态转速，分别为：2300rpm和5600rpm；(5)对负载加油说 明 书CN 103174692 A5/15页8泵(即液压马达)进出口压力测试，测试精度：0.5；(6)系统还具有无压、无油、超压、超温报警等功能。005。
23、6 本发明所述液压马达拖动系统实质上为一个阀控马达的液压系统，通过伺服阀的控制，给液压马达提供合适的流量，以保证马达在系统要求的转速条件下工作，从而带动被试泵工作。0057 其中，液压系统部分的设计原则说明如下：根据阀控液压马达闭环控制系统的特点，并结合涡轮泵拖动系统的技术要求，液压系统原理设计中需要考虑以下准则：(1)设计过程依据GB/T3766-2001(液压系统通用技术条件)执行；(2)介质的特点(低粘度、易燃、密封和管路等的相容性)；(3)液压系统的可靠性；(4)液压系统的节能和高效率；(5)液压系统的频宽和控制精度。0058 如图1所示液压系统原理图，其特点就是响应速度快、控制精确性。
24、高。0059 系统的恒压油源由甲方提供，为拖动系统提供稳定可靠的压力油。0060 系统由作为控制器12的上位计算机(工控机)给定信号，通过作为下位机的PLC模拟量模块的输出信号至伺服阀7的比例放大器，经电液伺服阀转换并输出液压能，从而带动液压马达旋转，驱动被试泵旋转。0061 被试泵与液压马达通过联轴器刚性连接，速度传感器9用来测量被试泵的实际转速并将信号反馈至控制器12，形成速度闭环控制。由于系统采用伺服阀7驱动，伺服阀7的特点是响应快，频带宽，控制精度高，但是其抗污染能力较差，所以必须保证液压油干净无杂质，因此该液压系统设有带报警高压压油油滤2.1、带报警低压回油油滤2.2。0062 蓄能。
25、器6用来吸收液压冲击，并消除系统的压力脉动和噪声。0063 旁通阀10为二位二通的电磁通断阀，其功能有二：一是当遇到紧急情况时，通过旁通阀10将液压马达两腔导通，使马达的速度快速降至零；二是当关闭系统液压泵站时，通过旁通阀10将管路内的余压卸掉，保证系统安全。0064 本发明中，电气系统的主要设计原则为：(1)设计过程依据GB7251.1-2005执行；(2)由于该系统的控制柜在中控室，距离液压系统较远，因此要充分考虑模拟信号的衰减；(3)由于该系统周围有大功率的变频器和电机，因此要充分考虑模拟信号的干扰；(4)系统调速范围宽、控制精度高，因此要充分考虑控制系统的实时性；(5)实现系统的全状态。
26、监控和故障报警，为操作者提供友好的人机交互界面。0065 基于电气系统设计原则的考虑，设计了如图2所示电气系统原理图，系统采集的信号主要包括伺服阀7的进/出口压力、液压马达进/出口压力、被试泵的进/出口压力和出口流量、液压油温度和被试泵转速等。伺服阀7的信号为电流信号，由PLC模拟量输出模块提供，通过比例放大器放大，经伺服阀7转换并输出液压能，带动液压马达旋转，从而驱动被试泵旋转。电气系统的硬件构成示意图如图3所示。0066 电气系统应用的控制系统软件具体包括PLC控制程序、OPC服务器/客户端、WinCC人机界面三部分。0067 a、PLC负责系统的各种开关控制、信号采集和伺服阀开度控制。0。
27、068 (1)开关控制：主要包括系统的上电、启停控制，报警指示等；0069 (2)信号采集：主要包括系统的供油压力、回油压力、液压马达8进/出口压力、被试泵进/出口压力、液压油温度和被试泵转速、被试加油泵的压力和流量等；说 明 书CN 103174692 A6/15页90070 (3)伺服阀7的开度控制：主要是指PLC的模拟量输出信号，它给伺服阀放大器提供420mA电流信号，从而控制伺服阀7的开度，达到控制液压马达8转速的目的。0071 b、OPC服务器/客户端程序是HMI和PLC交换信息的“桥梁”，其主要功能是完成数据的交换。0072 C、WinCC人机界面使操作人员能直观控制和监视系统，是。
28、操作员日常应用的唯一操作界面，其主要功能是数据处理、系统状态显示、报表打印、参数设置等。0073 液压马达拖动系统的电气系统的控制系统的原理实质上为一个由控制器、伺服阀及放大器、速度传感器等组成的速度闭环控制。其转速控制分为手动控制和自动控制两种形式。0074 a.手动控制：转速的手动控制主要是通过操作台上的“伺服阀手动调节”旋钮进行调节，该旋钮实质上为一个滑动变阻器，其输出电压为0V10V，调节旋钮时输出的电压模拟量信号直接进入PLC的模拟量输入模块，经过运算后，通过PLC的模拟量输出模块输出420mA的电流信号给伺服阀放大器，从而驱动伺服阀7工作，手动控制为开环控制，主要用于系统的调试和维。
29、修。0075 b.自动控制：液压马达的转速自动控制为PID闭环控制系统，目标转速可以在WinCC的界面上设置，并通过OPC服务器将数据传递给下位机PLC，同时，速度传感器9将采集到的泵转速信号输送给PLC的模拟量输入模块，经过比较运算后，通过PLC的模拟量输出模块输出420mA的电流信号给伺服阀7的放大器，从而驱动伺服阀7工作，自动控制为闭环控制。其控制系统方框图如图4所示。输入的速度指令由PLC计算后给定电流Ir信号，速度传感器9测得的液压马达8的转速信号为脉冲信号，需要通过一个脉冲电流转换器将其转化为420mA标准电流信号，然后反馈至PLC的模拟量输入通道。给定的电流信号Ir与转速反馈的电。
30、流信号Io之间的速度偏差Ie通过伺服放大器放大，经伺服阀7转换并输出液压能，带动液压马达旋转，从而驱动被试泵旋转。当速度传感器9的速度信号与输入指令一致时，始终按给定电流指令的规律变化。0076 在涡轮泵拖动系统中，为了保证信号的一致性和抗干扰能力，所有的模拟量信号基本全部采用420mA电流信号。系统电源选用朝阳24V直流电源，主要用于给伺服阀7的放大器、各个压力传感器、速度传感器9等供电，并且为操作台上的按钮、指示灯等低压电器供电。0077 速度传感器9为脉冲式传感器，其基本参数为：转速范围：010000rpm；输出信号：输出信号为脉冲式信号，大小为每转10个脉冲(由联轴器上的凸台决定)；供。
31、电电压：24VDC；输出频率：2kHz；感应距离：2.5mm0078 控制系统的控制信号如下表2所示。0079 表2 涡轮泵拖动系统控制信号参数表说 明 书CN 103174692 A7/15页100080 0081 本发明所述液压马达拖动系统的机械、液压系统布局设计是根据601所提供的空间安装尺寸设计。在设计过程中，主要考虑了以下因素：(1)现场操作的安全性；(2)被测元件拆装的方便性和可靠性；(3)测试元件的精度保证；(4)简化系统管路的复杂性。基于以上原则和考虑，初步进行了三维实体造型设计，系统的二维平面示意图如图5所示。0082 本发明所述液压马达拖动系统的机械、液压系统设计和布局具有以下特点：(1)机械系统使用集成化设计，将所有元件如液压阀快、液压马达、油滤和传感器等全部固定在安装架上，这样便于系统的安装和维护；0083 (2)液压系统使用集成块设计，将管路功能集中于集成阀块中，大大简化管路连接，提高系统的可靠性和维护的方便性；0084 (3)考虑到整个实验室系统的布局和试验特点，通过软硬管合理的搭配使用，优化了管路布局，最大程度的降低系统的压力损失；说 明 书CN 103174692 A10。