張曉剛 王翔宇 張紅娟 權(quán) 龍

(太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 太原 030024)

0 引言

裝載機(jī)作為一種保有量較高的工程機(jī)械，在其工作過程中動(dòng)臂裝置存在頻繁的裝載和卸載動(dòng)作?，F(xiàn)有裝載機(jī)普遍采用的閥控液壓舉升裝置，存在功耗大、能量損耗多、電氣化應(yīng)用程度低等問題[1]，該閥控舉升裝置液壓系統(tǒng)在裝載和卸載作業(yè)中產(chǎn)生較多的溢流和節(jié)流能量損失[2]，且存在大量的可被回收利用的重力勢(shì)能。因此，降低液壓舉升裝置的能量損耗，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂重力勢(shì)能的高效回收利用是裝載機(jī)節(jié)能減排的重點(diǎn)研究方向。

文獻(xiàn)[3-4]為提高裝載機(jī)舉升裝置定量泵供油液壓系統(tǒng)的能量效率提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。文獻(xiàn)[5-6]通過優(yōu)化裝載機(jī)的運(yùn)行軌跡，可提高裝載機(jī)的柴油利用率15%。文獻(xiàn)[7]采用負(fù)載敏感系統(tǒng)控制裝載機(jī)動(dòng)臂，相較于傳統(tǒng)定量泵供油系統(tǒng)，可降低油耗7%～15%。為進(jìn)一步降低動(dòng)臂舉升裝置液壓系統(tǒng)的能量損耗，文獻(xiàn)[8-9]提出了一種進(jìn)出口獨(dú)立控制系統(tǒng)，采用分段速度和連續(xù)排量控制的匹配方法控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，顯著提高了系統(tǒng)的響應(yīng)特性，并且在部分負(fù)載工況下可節(jié)約能耗33%。文獻(xiàn)[10-12]采用無節(jié)流損失的閉式泵控技術(shù)，通過改變泵轉(zhuǎn)速或泵排量，使泵輸出流量與需求流量相匹配，系統(tǒng)具有能量效率高、結(jié)構(gòu)緊湊和成本低等優(yōu)勢(shì)。

混合動(dòng)力技術(shù)具有油耗低、排放小等優(yōu)點(diǎn)，文獻(xiàn)[13-15]采用油電液混合驅(qū)動(dòng)方式減小裝載機(jī)液壓系統(tǒng)的能量損耗，并分析了串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)3種混合驅(qū)動(dòng)策略，為裝載機(jī)等工程車輛的節(jié)能減排提供了有效途徑。基于串聯(lián)式混合驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)，文獻(xiàn)[16]采用液壓蓄能器作為輔助動(dòng)力源，設(shè)計(jì)了分層式節(jié)能控制策略，協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)主液壓泵與蓄能器，減小系統(tǒng)節(jié)流損失，裝載機(jī)舉升裝置液壓系統(tǒng)效率由12.1%提高至23.4%。文獻(xiàn)[17]基于并聯(lián)式混合驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)，對(duì)裝載機(jī)的制動(dòng)動(dòng)能進(jìn)行了回收利用，并優(yōu)化了混合動(dòng)力液壓系統(tǒng)的匹配關(guān)系，顯著提高了裝載機(jī)的能量效率。文獻(xiàn)[18-19]對(duì)串聯(lián)和并聯(lián)油電混合驅(qū)動(dòng)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了研究，與傳統(tǒng)裝載機(jī)液壓系統(tǒng)相比，并聯(lián)式系統(tǒng)節(jié)油約16.6%，串聯(lián)式系統(tǒng)節(jié)油約7.8%，顯著改善了裝載機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

回收利用舉升裝置和負(fù)載的重力勢(shì)能也可提高裝載機(jī)舉升裝置液壓系統(tǒng)的能量效率。文獻(xiàn)[20]采用永磁發(fā)電機(jī)-液壓泵/電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)臂，以電能的形式回收動(dòng)臂勢(shì)能。文獻(xiàn)[21-23]設(shè)計(jì)了一種三腔液壓缸，采用與液壓缸第三腔相連的液壓蓄能器，直接回收利用舉升裝置和負(fù)載的動(dòng)力勢(shì)能，重力勢(shì)能回收利用率達(dá)68%。文獻(xiàn)[24]對(duì)采用三腔液壓缸的泵控挖掘機(jī)方案進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，三腔缸系統(tǒng)可將發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出功率減小44%。文獻(xiàn)[25-26]基于閉式液壓系統(tǒng)提出了一種液壓挖掘機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配方法，對(duì)系統(tǒng)中液壓蓄能器等主要元件參數(shù)進(jìn)行了匹配優(yōu)化，使蓄能器壓力波動(dòng)滿足各種工況需求，在實(shí)現(xiàn)無節(jié)流損失的同時(shí)，回收利用重力勢(shì)能，可節(jié)能55%。在提高能效的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[27]采用速度-位置復(fù)合閉環(huán)控制方法，提高了液壓閉環(huán)控制系統(tǒng)速度、位置控制精度及跟蹤特性，并改善了系統(tǒng)的運(yùn)行平穩(wěn)性。

為降低裝載機(jī)動(dòng)臂舉升裝置液壓系統(tǒng)能量損耗，現(xiàn)有方案大多采用進(jìn)出油口獨(dú)立控制、混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、閉式泵控等節(jié)能型液壓系統(tǒng)，而對(duì)回收利用裝載機(jī)動(dòng)臂重力勢(shì)能的研究較少。本文提出一種閉式泵控三腔液壓缸的裝載機(jī)舉升裝置，以1.6 t液壓裝載機(jī)為研究對(duì)象，構(gòu)建該裝置的機(jī)電液聯(lián)合仿真模型與試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，驗(yàn)證其可行性。

1 閉式泵控三腔液壓缸工作原理

閉式泵控三腔液壓缸驅(qū)動(dòng)的裝載機(jī)舉升裝置的工作原理如圖1所示，裝置主要由動(dòng)臂、動(dòng)臂三腔液壓缸、定量泵、蓄能器、伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器和硬件在環(huán)系統(tǒng)dSPACE等構(gòu)成。

圖1 閉式泵控三腔液壓缸舉升裝置原理圖Fig.1 Principle diagram of closed pump-controlled three-chamber hydraulic cylinder lifting device1.三腔液壓缸 2.蓄能器 3.補(bǔ)油蓄能器 4.定排量液壓泵 5.伺服電機(jī) 6.伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 7.壓力傳感器 8.位移傳感器 9.裝載機(jī) 10.動(dòng)臂

在舉升裝置中，伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)定排量液壓泵，液壓泵直接為液壓缸供油。通過控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制液壓泵的輸出流量，實(shí)時(shí)匹配裝載機(jī)動(dòng)臂液壓缸需求流量與液壓泵供給流量，消除了閥控液壓系統(tǒng)中的節(jié)流和溢流損失。

由于裝載機(jī)動(dòng)臂、鏟斗和連桿等舉升裝置在工作過程中存在頻繁的舉升和下降，且多為負(fù)載較大的裝載和卸載過程，在下降過程中，工作裝置具有大量的重力勢(shì)能。故增添液壓蓄能器與重力勢(shì)能回收腔連接，與原有有桿腔和柱塞腔構(gòu)成具有3個(gè)容腔的液壓缸，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。柱塞腔與有桿腔面積比為1∶1，與傳統(tǒng)閉式泵控非對(duì)稱缸系統(tǒng)相比，可顯著降低補(bǔ)油系統(tǒng)功率，大幅降低補(bǔ)油系統(tǒng)造成的能量損失，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的能量效率。舉升裝置下降過程中，重力勢(shì)能回收腔和柱塞腔共同輸出力平衡工作裝置和貨物重力，重力勢(shì)能回收腔的油液被壓入蓄能器中，蓄能器存儲(chǔ)能增加；舉升裝置上升過程中，蓄能器中的高壓油進(jìn)入重力勢(shì)能回收腔，重力勢(shì)能回收腔輸出力輔助液壓泵共同驅(qū)動(dòng)動(dòng)臂。在舉升裝置上升和下降過程中，裝載機(jī)舉升裝置的重力勢(shì)能由液壓缸轉(zhuǎn)換為液壓能，再經(jīng)蓄能器轉(zhuǎn)換為氣體勢(shì)能，直接回收利用。由于液壓缸和蓄能器的能量轉(zhuǎn)換效率極高，且沒有其他能量轉(zhuǎn)換元件參與能量回收利用過程，因此，裝載機(jī)動(dòng)臂舉升裝置重力勢(shì)能可被高效回收與利用。

為提高所設(shè)計(jì)系統(tǒng)三腔液壓缸的伸出和縮回精度、響應(yīng)速度及穩(wěn)定性，采用速度位置復(fù)合控制策略，通過位移反饋和速度前饋閉環(huán)控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，設(shè)計(jì)了一種速度-位移曲線生成器生成不同位置下的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速。每輸入一個(gè)液壓缸位置信號(hào)，該生成器會(huì)生成相應(yīng)的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線，使由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的定量泵輸出相應(yīng)的油液到液壓缸中，從而實(shí)現(xiàn)液壓缸活塞桿按所設(shè)定的位移較為平穩(wěn)迅速的運(yùn)動(dòng)。

2 理論分析及控制策略

2.1 數(shù)學(xué)模型

為明確所提舉升裝置的負(fù)載及動(dòng)態(tài)特性，建立了該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。對(duì)裝載機(jī)動(dòng)臂舉升裝置在舉升工況中各個(gè)機(jī)械元件的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 裝載機(jī)動(dòng)臂舉升裝置受力分析Fig.2 Force analysis of lifting device of wheel loader

圖2中，以動(dòng)臂的回轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，建立坐標(biāo)系xOy；動(dòng)臂三腔液壓缸與車架的鉸接點(diǎn)為A，與動(dòng)臂的鉸接點(diǎn)為B；動(dòng)臂與連桿和鏟斗的鉸接點(diǎn)分別為C、D；取整個(gè)動(dòng)臂舉升裝置的重心為G；動(dòng)臂順時(shí)針運(yùn)動(dòng)為正方向。

動(dòng)臂動(dòng)力學(xué)方程為

(1)

三腔液壓缸動(dòng)力學(xué)方程為

(2)

(3)

其中2A1=2A2=A3

式中F1——?jiǎng)颖鬯芎狭?/p>

FG1——?jiǎng)颖叟e升裝置的重力

T1——?jiǎng)颖坜D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所受的阻礙轉(zhuǎn)矩

J——?jiǎng)颖叟e升裝置相對(duì)于O點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

α——?jiǎng)颖廴桓椎妮敵隽εcx軸的夾角

β——OG與x軸的夾角

γ——OB與x軸的夾角

LAB——A點(diǎn)與B點(diǎn)的距離

LOG——O點(diǎn)與G點(diǎn)的距離

p1——?jiǎng)颖廴桓字坏膲毫?/p>

p2——?jiǎng)颖廴桓子袟U腔的壓力

p3——?jiǎng)颖廴桓字亓?shì)能回收腔的壓力

A1——?jiǎng)颖廴桓字坏慕孛娣e

A2——?jiǎng)颖廴桓子袟U腔的截面積

A3——?jiǎng)颖廴桓字亓?shì)能回收腔的截面積

b——?jiǎng)颖廴桓椎淖枘嵯禂?shù)

Ff——?jiǎng)颖廴桓椎哪Σ磷枇?/p>

FL——?jiǎng)颖廴桓姿艿降呢?fù)載阻力

m1——?jiǎng)颖叟e升裝置的總質(zhì)量

三腔液壓缸柱塞腔流量連續(xù)性方程為

(4)

三腔液壓缸有桿腔流量連續(xù)性方程為

(5)

三腔液壓缸重力勢(shì)能回收腔流量連續(xù)性方程為

(6)

其中q1=q2q3=2q1V3?V2≈V1

式中q1——閉式系統(tǒng)為三腔液壓缸柱塞腔提供的流量

q2——三腔液壓缸有桿腔流入閉式系統(tǒng)的流量

q3——蓄能器為重力勢(shì)能回收腔提供的流量

Cip——?jiǎng)颖廴灰簤焊變?nèi)泄漏系數(shù)

Cep——整個(gè)動(dòng)臂三腔液壓缸外泄漏系數(shù)(為簡化計(jì)算設(shè)動(dòng)臂舉升裝置的泄漏系數(shù)相等)

β——有效體積彈性模量

V1——三腔液壓缸柱塞腔容積

V2——三腔液壓缸有桿腔容積

V3——三腔液壓重力勢(shì)能回收腔容積

蓄能器提供壓力為

(7)

蓄能器釋放能量為

(8)

式中pg——蓄能器預(yù)充壓力

Va——蓄能器預(yù)充油液體積

Vg——蓄能器預(yù)充氣體體積

n——多變指數(shù)，取1.4

定排量液壓泵輸出液壓油連續(xù)性方程為

(9)

定排量液壓泵輸出轉(zhuǎn)矩平衡方程為

(10)

式中Vp——液壓泵出油口體積

pp——液壓泵出油口壓力

qp——液壓泵輸出流量

ωp——液壓泵角速度

Cp——液壓泵泄漏系數(shù)

Dp——液壓泵排量

Jp——液壓泵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

Bp——粘性阻力系數(shù)

Tm——伺服電機(jī)輸出總轉(zhuǎn)矩

伺服電機(jī)輸出總轉(zhuǎn)矩為

(11)

伺服電機(jī)電壓方程為

(12)

式中Jm——伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

ωm——伺服電機(jī)角速度(ωn=ωm)

km——伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)

iq——伺服電機(jī)電樞電流

TL——伺服電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩

um——伺服電機(jī)輸入信號(hào)

L——伺服電機(jī)等效電感

R——伺服電機(jī)等效電阻

km——伺服電機(jī)反電勢(shì)常數(shù)

由式(1)可知?jiǎng)颖圻\(yùn)行軌跡與外負(fù)載和三腔缸輸出力的關(guān)系。聯(lián)立式(2)～(12)，簡化并經(jīng)過拉氏變換后可得

(13)

式中C——液壓系統(tǒng)泄漏系數(shù)

由式(13)可得所設(shè)計(jì)裝置的固有頻率和阻尼比為

(14)

(15)

由式(14)、(15)可知，為提高動(dòng)臂舉升裝置的穩(wěn)定性，應(yīng)盡量提高系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比。增大液壓缸柱塞腔面積雖能提高系統(tǒng)的固有頻率，但降低了系統(tǒng)的阻尼比；增大蓄能器容積雖能提高系統(tǒng)的阻尼比，但降低了系統(tǒng)的固有頻率；并且液壓缸的柱塞腔面積與蓄能器容積增大會(huì)增加系統(tǒng)成本。故考慮所提系統(tǒng)的穩(wěn)定性、控制性、響應(yīng)性、質(zhì)量和成本等因素，合理并盡可能小的選擇液壓缸尺寸和蓄能器容積。

2.2 動(dòng)臂舉升裝置控制策略

對(duì)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程(11)和電壓方程(12)進(jìn)行拉氏變換，結(jié)合式(13)可得圖3所示的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)閉式泵控三腔液壓缸系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖。

圖3 閉式泵控三腔液壓缸舉升裝置傳遞函數(shù)框圖Fig.3 Transfer function block diagram of closed pump-controlled three-chamber hydraulic cylinder lifting device

由圖3可知，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL影響電機(jī)角速度ωm，負(fù)載力FL影響液壓缸位移LAB。故為提高液壓缸位移的控制精度和整個(gè)動(dòng)臂舉升裝置的穩(wěn)定性，采用基于液壓缸位置閉環(huán)的速度-位置控制器調(diào)節(jié)液壓缸位移。如圖4所示，根據(jù)設(shè)定的液壓缸位移信號(hào)LAB，控制器中的速度-位置曲線生成器會(huì)輸出液壓缸的速度控制信號(hào)v1和位移控制信號(hào)L1，位移控制信號(hào)L1與實(shí)時(shí)反饋的液壓缸位移Lr構(gòu)成位移反饋閉環(huán)，然后對(duì)兩者的差值采用PID控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)在產(chǎn)生位移誤差后，迅速平穩(wěn)的進(jìn)行閉環(huán)控制，最后得到伺服電機(jī)反饋閉環(huán)控制轉(zhuǎn)速n2。采用由液壓缸線速度v1轉(zhuǎn)換的電機(jī)轉(zhuǎn)速n1對(duì)經(jīng)PID控制器調(diào)整的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速n2進(jìn)行前饋補(bǔ)償，從而進(jìn)一步提高液壓系統(tǒng)的控制精度。最終得到伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速n3，經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制信號(hào)Um。

圖4 速度-位置控制器流程圖Fig.4 Flowchart of speed-position controller

3 仿真

圖5 閉式泵控三腔液壓缸舉升裝置多學(xué)科聯(lián)合仿真模型Fig.5 Multidisciplinary joint simulation model of closed pump-controlled three-chamber hydraulic cylinder lifting device

由于裝載機(jī)裝載和卸載時(shí)，負(fù)載質(zhì)量是工作裝置質(zhì)量的1～2倍[3]，且負(fù)載呈周期性變化，為此設(shè)計(jì)重力勢(shì)能回收腔面積為柱塞腔面積的兩倍。并且，為解決泵控單出桿液壓缸流量匹配和減少補(bǔ)油回路的補(bǔ)油量，設(shè)計(jì)的三腔液壓缸柱塞腔面積等于有桿腔面積。并將蓄能器初始?jí)毫υO(shè)定值等效于1.5倍工作裝置重力。參考裝載機(jī)原動(dòng)臂舉升裝置的工作特性及液壓缸參數(shù)[2-4]，經(jīng)計(jì)算后系統(tǒng)的具體參數(shù)設(shè)置如下：伺服電機(jī)額定功率8 kW，三腔液壓缸缸徑90 mm、活塞桿直徑75 mm、大腔柱塞直徑50 mm、行程500 mm，蓄能器容積10 L。由于實(shí)驗(yàn)室裝載機(jī)動(dòng)臂舉升裝置凈質(zhì)量1 t，半載工況負(fù)載為0.8 t，為平衡工作裝置和負(fù)載重力將蓄能器的初始?jí)毫υO(shè)為5 MPa。為驗(yàn)證所提舉升裝置的可行性及動(dòng)態(tài)特性，并分析舉升裝置的穩(wěn)定性和響應(yīng)特性，根據(jù)舉升裝置的工作原理、數(shù)學(xué)模型、控制策略及確定的元件參數(shù)，在多學(xué)科仿真軟件SimulationX中構(gòu)建該裝置的機(jī)電液聯(lián)合仿真模型，所搭建的仿真模型如圖5所示。

由圖5可知，機(jī)電液聯(lián)合仿真模型主要由裝載機(jī)三維模型、輪胎車架模型、鏟斗模型、轉(zhuǎn)向模型、控制信號(hào)和三腔缸動(dòng)臂舉升裝置模型等構(gòu)成。為便于分析液壓缸位移及各個(gè)腔室的壓力，將舉升裝載工況和下降卸載工況合為一個(gè)測(cè)試過程，對(duì)舉升裝置的不同PID控制參數(shù)下的閉環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)控制帶能量回收、開環(huán)控制帶能量回收和閉環(huán)控制無能量回收4種工況進(jìn)行仿真，得到三腔液壓缸的壓力和位移曲線如圖6所示。

圖6 閉式泵控三腔液壓缸舉升裝置仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of closed pump-controlled three-chamber hydraulic cylinder lifting device

圖6a為當(dāng)P=1.5、P=1.2和P=1.0時(shí)的三腔液壓缸位移曲線。由圖可知，當(dāng)P=1.2時(shí)，在給定位移信號(hào)后，所得到的液壓缸實(shí)際位移的誤差最小、穩(wěn)定性最高、響應(yīng)最快，故在仿真中采用P=1.2作為PID控制器的控制參數(shù)。按照此種方法得出i=0.003，d=0.001。

圖6b為閉環(huán)控制帶能量回收時(shí)的三腔液壓缸位移和各個(gè)腔壓力曲線。由圖可知，0～6 s為裝載機(jī)重載舉升階段，三腔缸柱塞腔和重力勢(shì)能回收腔共同提供舉升力，隨三腔液壓缸伸出位移的增加，柱塞腔壓力p1由2 MPa升至8 MPa，三腔缸有桿腔壓力p2由7 MPa降為2 MPa，重力勢(shì)能回收腔壓力p3由5 MPa降為2 MPa。11～17 s為裝載機(jī)重載下降階段，為使動(dòng)臂按照設(shè)定的卸載速度運(yùn)動(dòng)，三腔缸有桿腔為動(dòng)臂系統(tǒng)提供卸載動(dòng)力，重力勢(shì)能回收腔將動(dòng)臂下降過程中的動(dòng)臂系統(tǒng)的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為液壓能存儲(chǔ)到液壓蓄能器中，三腔缸柱塞腔壓力p1由6 MPa降為2 MPa，三腔缸有桿腔壓力p2由2 MPa升為12 MPa，重力勢(shì)能回收腔壓力p3由2 MPa升為6 MPa。采用閉環(huán)控制，三腔液壓缸實(shí)際位移能很好跟隨設(shè)定位移變化，滯后、誤差較小。

圖6c為開環(huán)控制帶能量回收時(shí)的三腔液壓缸位移和各個(gè)腔壓力曲線。舉升階段與上述工況相同，在舉升、靜止和下降3個(gè)階段中p1、p2和p3的變化趨勢(shì)與圖6b中的類似。由于控制系統(tǒng)開環(huán)，無位移反饋，故實(shí)際位移與設(shè)定位移相差63.4 mm；在舉升和下降的過程液壓缸存在明顯的滯后，下降過程中位移滯后約1 s。

圖6d為閉環(huán)控制無能量回收，重力勢(shì)能回收腔不參與工作的三腔液壓缸位移和各個(gè)腔壓力曲線。三腔液壓缸工作工況與圖6b中的保持一致，由于沒有蓄能器的參與，在舉升初始階段三腔缸柱塞腔壓力p1由2 MPa突然升至12 MPa，靜止過程中的壓力由圖6c中7 MPa增至12 MPa，三腔缸有桿腔壓力p2在舉升、靜止和下降3個(gè)階段為2 MPa。

由仿真可知，速度-位置復(fù)合控制閉環(huán)系統(tǒng)可以顯著提高動(dòng)臂的位移跟蹤和定位精度。蓄能器連接三腔液壓缸的重力勢(shì)能回收腔，可顯著降低系統(tǒng)壓力等級(jí)；而且，采用該方式，重力勢(shì)能和蓄能器氣體勢(shì)能經(jīng)液壓能相互轉(zhuǎn)換，能量回收與利用過程幾乎不存在能量損失。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 工作特性

為驗(yàn)證所提裝置在裝載機(jī)實(shí)際工作中的動(dòng)態(tài)運(yùn)行及能耗特性。根據(jù)系統(tǒng)原理及仿真所得的部分參數(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室1.6 t裝載機(jī)進(jìn)行改造，采用三腔液壓缸代替原有液壓缸，通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量液壓泵為三腔液壓缸提供液壓油，采用蓄能器與三腔液壓缸相連回收舉升裝置的重力勢(shì)能。所搭建的試驗(yàn)樣機(jī)如圖7所示，試驗(yàn)樣機(jī)關(guān)鍵元件參數(shù)如表1所示。

圖7 閉式泵控三腔液壓缸舉升裝置試驗(yàn)樣機(jī)Fig.7 Test prototype of closed pump-controlled three-chamber hydraulic cylinder lifting device1.三腔液壓缸 2.蓄能器 3.控制系統(tǒng) 4.功率儀 5.驅(qū)動(dòng)器 6.液壓泵 7.伺服電機(jī) 8.位移傳感器 9.壓力傳感器

試驗(yàn)工況與仿真相同，對(duì)所提裝置的運(yùn)行特性及能耗特性進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，所得試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8a為三腔液壓缸位移曲線。由圖可知，當(dāng)P=1.3時(shí)，由于試驗(yàn)中相較于仿真中的工況較為復(fù)雜，故PID控制參數(shù)在P=1.3時(shí)整機(jī)控制系統(tǒng)誤差較小、穩(wěn)定性較高、響應(yīng)較快。

表1 關(guān)鍵元件參數(shù)Tab.1 Key parameters of device

圖8 閉式泵控三腔液壓缸舉升裝置試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Test results of closed pump-controlled three-chamber hydraulic cylinder lifting device

圖8b為閉環(huán)控制帶能量回收時(shí)，三腔液壓缸位移和各個(gè)腔壓力曲線。由圖8b可知，動(dòng)臂舉升過程中液壓缸實(shí)際位移約有0.3 s滯后；動(dòng)臂下降過程中液壓缸實(shí)際位移隨著設(shè)定位移下降，約有0.2 s滯后。與仿真中的圖6b對(duì)比可知，由于試驗(yàn)工況較仿真工況復(fù)雜，故三腔液壓缸柱塞腔試驗(yàn)中的壓力(最大12 MPa)大于仿真值(最大9 MPa)；三腔液壓缸各個(gè)腔室的變化趨勢(shì)與仿真過程中的相同。

圖8c為開環(huán)控制帶能量回收時(shí)，三腔液壓缸位移和各個(gè)腔壓力曲線。試驗(yàn)過程中的三腔液壓缸的壓力和位移變化規(guī)律與仿真曲線相似。由于開環(huán)控制舉升系統(tǒng)，實(shí)際位移與設(shè)定位移之間存在較大的滯后，定位誤差約為70 mm。圖8d為閉環(huán)控制無能量回收時(shí)，三腔液壓缸位移和各個(gè)腔壓力曲線。三腔液壓缸勢(shì)能回收腔直接與油箱相連，三腔液壓缸柱塞腔壓力維持在8～12 MPa之間。動(dòng)臂在運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)際位移與設(shè)定位移之間存在較小的滯后和較為準(zhǔn)確的定位精度。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，采用閉環(huán)控制，可使所提舉升裝置實(shí)現(xiàn)較為精確的位移控制，三腔液壓缸位移偏差由開環(huán)的63.4 mm減至5 mm，響應(yīng)時(shí)間由開環(huán)的1 s減為0.3 s；采用蓄能器輔助舉升，可將所提舉升裝置舉升和下降過程中的平均壓力由10 MPa降為6 MPa。

4.2 能量特性

裝載機(jī)在閉環(huán)控制、有蓄能器、無蓄能器及不同負(fù)載工況下的舉升和下降過程中伺服電機(jī)的功率消耗如圖9所示。

圖9a為裝載機(jī)舉升裝置在圖8所示工況下的伺服電機(jī)功率曲線。由圖可知，在閉環(huán)無能量回收工況，裝載機(jī)在動(dòng)臂舉升階段的伺服電機(jī)功率最高，平均功率為3.96 kW，峰值功率可達(dá)4.76 kW，在下降階段舉升裝置的重力勢(shì)能經(jīng)液壓泵和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，伺服電機(jī)發(fā)電，其功率為負(fù)值，電能經(jīng)制動(dòng)電阻轉(zhuǎn)換為熱能，耗散到環(huán)境中，造成了能量浪費(fèi)；在閉環(huán)帶能量回收工況，舉升階段伺服電機(jī)平均功率為2.42 kW，較無能量回收工況降低38.9%，峰值功率為3.31 kW，降低30.5%，在下降階段舉升裝置的重力勢(shì)能和伺服電機(jī)的電能存儲(chǔ)到蓄能器中，為下一次舉升裝置的舉升提供輔助動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了舉升裝置重力勢(shì)能的回收與利用。

圖9 閉式泵控三腔液壓缸舉升裝置伺服電機(jī)功率曲線Fig.9 Output power curves of servomotor in closed pump-controlled three-chamber hydraulic cylinder lifting device

圖9b為所提舉升裝置在滿載、半載和空載3種負(fù)載工況下的伺服電機(jī)功率曲線，設(shè)定3種工況中的速度和位移與圖8a中的一致，滿載工況為鏟斗裝載1.6 t散裝物料，舉升工況伺服電機(jī)平均功率為3.34 kW和下降工況為1.58 kW；半載工況為鏟斗裝載0.8 t散裝物料，舉升工況伺服電機(jī)平均功率為1.84 kW和下降工況為0.68 kW；空載工況為鏟斗不裝載物料，舉升工況電機(jī)平均功率為1.08 kW和下降工況為0.82 kW。對(duì)伺服電機(jī)在不同負(fù)載工況的輸出功率進(jìn)行積分，可得舉升裝置完成舉升和下降過程中所消耗能量。所提三腔液壓缸裝置及原有裝載機(jī)閥控非對(duì)稱液壓缸舉升裝置在相同工況下所消耗能量如表2所示。

表2 不同工況和不同液壓系統(tǒng)下舉升裝置的能量消耗Tab.2 Energy consumption of lifting device under different working conditions and hydraulic systems kJ

由表2可知，較無能量回收裝置，半載工況下帶能量回收的舉升裝置可降低伺服電機(jī)能耗21.2%；裝載機(jī)原有閥控非對(duì)稱液壓缸動(dòng)臂舉升裝置在完成與本試驗(yàn)相同工況時(shí)，所消耗能量明顯比所提三腔液壓缸舉升裝置多，所提出的閉式泵控三腔缸舉升裝置空載時(shí)可降低系統(tǒng)能耗22.7%，半載降低20.9%，滿載降低21.5%。三腔液壓缸舉升裝置采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)和蓄能器輔助驅(qū)動(dòng)減少了燃油的消耗和廢氣的排放，回收利用了舉升裝置的重力勢(shì)能，提升了裝載機(jī)舉升裝置的控制精度及裝載機(jī)整體的電氣化、智能化程度。

5 結(jié)論

(1)與無蓄能器的閉式泵控兩腔液壓缸驅(qū)動(dòng)舉升裝置相比，采用所提舉升裝置，可將舉升裝置平均工作壓力由10 MPa降為6 MPa，伺服電機(jī)的峰值功率由4.76 kW降為3.31 kW，降低整個(gè)過程中的能量消耗21.2%。

(2)采用速度-位置復(fù)合控制策略，動(dòng)臂舉升裝置可按照設(shè)定曲線舉升和下降，將三腔液壓缸的位移偏差由開環(huán)控制的63.4 mm降至5 mm，響應(yīng)時(shí)間由開環(huán)控制的1 s減為0.3 s，提高了動(dòng)臂的響應(yīng)速度和控制精度。

(3)與原有的閥控非對(duì)稱液壓缸動(dòng)臂舉升裝置相比，在相同舉升和下降的工況下，采用所提裝置，空載時(shí)可降低能耗22.7%，半載時(shí)可降低能耗20.9%，滿載時(shí)可降低能耗21.5%。