曹曉明,姚靜,2,沙桐,王佩

(1.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,066004,河北秦皇島;2.南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,210000,南京)

隨著能源危機(jī)的日益加重,液壓系統(tǒng)的節(jié)能問題越來越引起人們的重視[1-3]。近年來數(shù)字液壓逐漸成為液壓領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一[4-6],液壓切換系統(tǒng)作為數(shù)字液壓技術(shù)的典型應(yīng)用,得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注和研究[7]。液壓切換系統(tǒng)主要可分為切換閥系統(tǒng)和切換液壓源系統(tǒng)。閥切換控制系統(tǒng)通常采用PWM信號(hào)的數(shù)字閥直接控制負(fù)載[8],如ABS制動(dòng)器[9]、切換轉(zhuǎn)換器[10-11]等,目前只在小功率液壓系統(tǒng)中得到了一定的應(yīng)用。對(duì)于大功率液壓系統(tǒng)來說,切換液壓源系統(tǒng)成為了研究熱點(diǎn)。浙江大學(xué)顧臨怡等人提出的開關(guān)液壓源系統(tǒng),在系統(tǒng)原理、控制和節(jié)能特性方面做了一定的研究工作[12-14],但由于開關(guān)液壓源各元件動(dòng)態(tài)及瞬態(tài)損耗的影響,系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大的能耗,制約了該系統(tǒng)的進(jìn)一步應(yīng)用。奧爾堡大學(xué)將離散液壓動(dòng)力系統(tǒng)引入波能轉(zhuǎn)換器液壓系統(tǒng)中,研究了該系統(tǒng)離散輸出力的切換控制算法,使系統(tǒng)能耗損失降低,提高了波浪能到電能的能量轉(zhuǎn)化效率[15-16]。德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)Murrenhoff等提出了STEAM系統(tǒng),通過切換連接到液壓缸的不同壓力等級(jí),使通過閥的節(jié)流損失最小化,研究表明,與傳統(tǒng)的負(fù)載傳感系統(tǒng)相比,STEAM系統(tǒng)具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)[17-18],但是對(duì)結(jié)合離散和模擬特點(diǎn)液壓系統(tǒng)的混合液壓系統(tǒng)仍然存在一些挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述問題,姚靜教授等提出了一種多級(jí)壓力源切換系統(tǒng),在前期的研究中采用了液壓缸兩腔同時(shí)切換的切換方法,導(dǎo)致系統(tǒng)在切換時(shí)存在一定的壓力沖擊及位置抖動(dòng)[19-20]。為減少切換引起的壓力沖擊和位置抖動(dòng),本文將負(fù)載口獨(dú)立控制技術(shù)與多級(jí)壓力源切換系統(tǒng)相結(jié)合,提出了兩級(jí)壓力源切換負(fù)載口獨(dú)立控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱兩級(jí)壓力源切換系統(tǒng)),對(duì)液壓缸兩腔進(jìn)、出油口進(jìn)行獨(dú)立控制,不僅可以增加系統(tǒng)控制的自由度,還能提高系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)響應(yīng)特性及系統(tǒng)效率。針對(duì)不同工況提出相應(yīng)的控制策略,分析系統(tǒng)的能量流動(dòng)狀態(tài),提出該系統(tǒng)能耗的計(jì)算方法,并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)能耗特性。

1 系統(tǒng)原理

多級(jí)壓力源切換系統(tǒng)通過引入不同的壓力等級(jí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)壓力源輸出力,通過壓力切換與執(zhí)行器負(fù)載進(jìn)行實(shí)時(shí)匹配,能夠有效降低系統(tǒng)的節(jié)流損失。以H和M(即高壓和中壓)兩個(gè)壓力等級(jí)為例,兩級(jí)壓力源切換系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。系統(tǒng)中:泵1、溢流閥1、開關(guān)閥3、單向閥1以及蓄能器1組成H壓力等級(jí);泵2、溢流閥2、開關(guān)閥4、單向閥2以及蓄能器2組成M壓力等級(jí);通過控制開關(guān)閥1和2的啟閉來選擇H或M壓力等級(jí)的接入;由4個(gè)比例閥1～4與液壓缸組成負(fù)載口獨(dú)立閥控缸結(jié)構(gòu)。對(duì)于阻抗工況采用位置-壓力復(fù)合控制策略,即液壓缸一腔采用位置控制,另一腔采用背壓控制,對(duì)于阻抗伸出工況,液壓缸無桿腔采用切換控制,有桿腔采用背壓控制,而對(duì)于阻抗縮回工況,液壓缸無桿腔接油箱T,有桿腔采用切換控制,通過負(fù)載力大小選擇H-T或M-T壓力組合,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能,同時(shí)減少壓力源切換引起的位置抖動(dòng);對(duì)于超越縮回工況,無桿腔接油箱,而回油路直接連接蓄能器,對(duì)于超越伸出工況,有桿腔接油箱,回油路直接連接蓄能器,用于實(shí)現(xiàn)能量的回收、儲(chǔ)存。

圖1 兩級(jí)壓力源切換系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖

2 系統(tǒng)能耗模型

以兩級(jí)壓力源切換系統(tǒng)輸入為起點(diǎn),建立主要元件及機(jī)構(gòu)能量傳遞模型,為能耗特性的實(shí)驗(yàn)分析提供理論基礎(chǔ)。

2.1 液壓泵能耗

液壓泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能Ppump,并伴隨損失能量ΔP′。液壓泵的能量損失主要是由于泵的軸和柱塞等之間的摩擦以及油液壓縮和泄漏造成的。在兩級(jí)壓力源切換系統(tǒng)中變量泵、控制泵為液壓系統(tǒng)提供壓力和流量。

系統(tǒng)泵源輸出功率為Ppump,設(shè)整體機(jī)械效率為ηm,容積效率為ηv,各泵輸出功率可表示為

Tcωcηmcηvc=pcqc

(1)

Tiωiηmiηvi=piqi

(2)

式中:ηmc和ηvc分別為控制泵的機(jī)械效率和容積效率;pc和qc分別為控制泵的出口壓力和流量;ηmi為第i(i∈[H,M])個(gè)壓力等級(jí)所對(duì)應(yīng)泵的機(jī)械效率;ηvi為第i個(gè)壓力等級(jí)所對(duì)應(yīng)泵的容積效率;pi為第i個(gè)壓力等級(jí)所對(duì)應(yīng)泵的出口壓力;qi為第i個(gè)壓力等級(jí)所對(duì)應(yīng)泵的出口流量。系統(tǒng)泵源輸出功率為

(3)

則泵源輸出的總功Epump可表示為

(4)

2.2 切換開關(guān)閥能耗

開關(guān)閥的流量方程為

(5)

Δp=(q/C)2=q2/C2

(6)

由功率計(jì)算公式可得閥口功率損失

Pswitch=qΔp=q(q2/C2)=q3/C2

(7)

2.3 比例閥能耗

比例閥閥前的流入功率為Pvalve1,由液壓缸輸出能量經(jīng)比例閥閥后的功率為Pvalve2,則有

(8)

(9)

因此,經(jīng)比例閥后的節(jié)流功率損失分別為

(10)

(11)

(12)

(13)

2.4 液壓缸能耗

(14)

(15)

因此,液壓缸的輸出功率

(16)

式中:q1=A1v,q2=A2v,A1、A2分別無桿腔和有桿腔面積,v為液壓缸速度。

2.5 負(fù)載能耗

負(fù)載能耗主要指克服負(fù)載所需功率Pload,計(jì)算公式如下

Pload=FLv

(17)

式中:FL為負(fù)載力。

克服負(fù)載所做有用功E與液壓缸輸出力F和液壓缸速度v的關(guān)系如下

(18)

2.6 蓄能器能量回收單元

在超越工況下,兩級(jí)壓力源切換系統(tǒng)具有能量回收功能,驅(qū)動(dòng)負(fù)載作為動(dòng)力源,對(duì)系統(tǒng)做功,可回收的功率為Prec,可回收的能量為Erec,其計(jì)算公式如下

Prec=FLv

(19)

(20)

(21)

(22)

3 實(shí)驗(yàn)和討論

3.1 實(shí)驗(yàn)原理及設(shè)備

設(shè)計(jì)并搭建兩級(jí)壓力源切換系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),以Ⅰ、Ⅱ象限為例研究該系統(tǒng)能耗特性。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖2所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)包括主系統(tǒng)和負(fù)載模擬系統(tǒng)兩部分。主系統(tǒng)主要由液壓泵、溢流閥、卸荷閥、蓄能器、比例閥等組成,負(fù)載模擬系統(tǒng)的作用是為模擬不同工作象限模式下的負(fù)載。主要元件及傳感器參數(shù)如表1、表2所示。

圖2 兩級(jí)壓力源切換實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖

表1 主要元件基本參數(shù)

參數(shù)數(shù)值定量泵排量/(mL·r-1)25變量泵排量/(mL·r-1)0～40液壓缸缸徑/mm100液壓缸活塞桿直徑/mm45液壓缸行程/mm400比例閥流量/(L·min-1)60蓄能器容積/L40

表2 主要傳感器基本參數(shù)

3.2 兩級(jí)壓力源切換系統(tǒng)特性實(shí)驗(yàn)研究

設(shè)定最大的負(fù)載力FLmax=50 kN,取H、M和T等級(jí)壓力分別為7.2、4.7和2 MPa,壓力切換點(diǎn)取整:[FM-T]=30 kN,[FT-M]=-20 kN?？紤]比例閥壓降及管路的壓力損失,設(shè)置H、M等級(jí)的壓力閾值Δp=2 MPa。為防止卸荷閥的頻繁啟閉,設(shè)置壓力等級(jí)區(qū)間分別設(shè)為[7.2,9.2] MPa和[4.7,6.7] MPa。超越工作象限時(shí),回收能量蓄能器的工作壓力約為4 MPa。

(a)位置

(b)壓力

(c)功率圖3 阻抗伸出工況低壓力源切換至高壓力源時(shí)位置階躍給定下的位置、壓力及功率特性曲線

3.2.1 阻抗伸出工況能耗分析 研究阻抗伸出工況下的能耗分布,分析不同位置給定下高低壓切換影響規(guī)律:①給定液壓缸100～300 mm的位置階躍信號(hào),以及20～40 kN的階躍負(fù)載力,完成低壓力源切換至高壓力源的切換實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)曲線如圖3所示;②給定液壓缸100～300 mm的位置階躍信號(hào),以及40～20 kN的階躍負(fù)載力,完成高壓力源切換至低壓力源的切換實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)曲線如圖4所示;③給定100～300 mm、斜率為10 mm/s的位置斜坡信號(hào),以及10～50 kN、斜率為±4 kN/s負(fù)載力的斜坡信號(hào),完成高、低壓力源間的切換實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)曲線如圖5所示。

(a)位置

(b)壓力

(c)功率圖4 阻抗伸出工況高壓力源切換至低壓力源時(shí)位置階躍給定下的位置、壓力及功率特性曲線

對(duì)于階躍信號(hào),從圖3a和4a可知:位置精度均小于1 mm;負(fù)載力階躍變化時(shí),高、低壓力源相應(yīng)地完成切換,對(duì)應(yīng)的開關(guān)閥啟閉,導(dǎo)致出現(xiàn)如圖3a所示緩慢位置爬升現(xiàn)象,以及圖4a所示位置拐點(diǎn),之后斜率變大;系統(tǒng)壓力在切換時(shí)發(fā)生抖動(dòng),由于開關(guān)閥響應(yīng)和輸入壓力建壓需要一定時(shí)間才能完成高低壓力間的切換,導(dǎo)致如圖3b和4b所示比例閥前輸入壓力滯后于無桿腔壓力變化,液壓缸有桿腔壓力在切換時(shí)發(fā)生壓力抖動(dòng),達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)為給定壓力2 MPa。

對(duì)于斜坡信號(hào),由圖5a可知:液壓缸位置跟隨較好,存在恒定位置誤差4 mm;在負(fù)載力斜坡規(guī)律變化時(shí),高、低壓力源完成切換時(shí)系統(tǒng)壓力產(chǎn)生約為2 MPa的壓力沖擊(如圖5b所示),故在6.6 s和16.8 s處位置跟隨斜率有突變(如圖5a所示);無桿腔壓力與負(fù)載力變化一致,有桿腔壓力在跟隨過程中約為2 MPa,見圖5b。

(a)位置

(b)壓力

(c)功率圖5 阻抗伸出工況高低壓力源切換時(shí)位置斜坡給定下的位置、壓力及功率特性曲線

由能量計(jì)算模型得出系統(tǒng)系統(tǒng)功率曲線如圖3c、4c、5c所示,可以看出系統(tǒng)輸入功率隨負(fù)載變化而變化,在開關(guān)閥組切換時(shí),壓力和流量的突變引起輸入總功率和負(fù)載功率的瞬間沖擊。功率經(jīng)積分計(jì)算可得各工作過程能耗分布如表3所示,可以看出,克服負(fù)載所做有用功占輸入總共比重均大于50%。

3.2.2 超越縮回工況能耗分析 研究超越縮回工況下的能耗分布,分析不同負(fù)載力下系統(tǒng)能耗情況。

表3 各工作過程能耗分布

①給定300～100 mm的位置階躍信號(hào),50 kN恒定驅(qū)動(dòng)負(fù)載力,進(jìn)行蓄能器能量回收特性實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示;②給定300～100 mm、斜率為-10 mm/s的位置斜坡信號(hào),50 kN恒定驅(qū)動(dòng)負(fù)載力,進(jìn)行蓄能器能量回收特性實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示;③給定300～100 mm、斜率為-10 mm/s的位置斜坡信號(hào),及40～50 kN、斜率為5 kN/s的驅(qū)動(dòng)負(fù)載力信號(hào),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

(a)位置

(b)壓力

(c)功率圖6 超越縮回工況恒力負(fù)載時(shí)位置階躍給定下的位置、壓力及功率特性曲線

對(duì)于位置階躍信號(hào),控制精度小于1 mm。如圖6b所示,有桿腔從油箱吸油壓力約為-0.1 MPa,無桿腔壓力約為5.52 MPa,蓄能器進(jìn)行能量回收,壓力由4.85 MPa逐漸上升到5.5 MPa。對(duì)于位置斜坡信號(hào),從圖7a和8a可知,跟隨誤差分別約為3 mm和4 mm;對(duì)于恒力負(fù)載,如圖7b所示,有桿腔壓力約-0.1 MPa,無桿腔壓力約為5.5 MPa,蓄能器壓力由4.35 MPa逐漸上升到4.87 MPa。對(duì)于變力負(fù)載,如圖8b所示,有桿腔壓力約-0.1 MPa,無桿腔壓力隨著負(fù)載力變化由4.6 MPa逐漸上升至5.7 MPa,蓄能器壓力由4.4 MPa逐漸上升到4.9 MPa。

由能量計(jì)算模型得出系統(tǒng)功率曲線如圖6c、7c、8c所示,由于比例閥的節(jié)流損失及管路和液壓缸摩擦損失等,可回收能量并未被蓄能器完全回收,功率經(jīng)積分計(jì)算可得能耗分布如表4所示,可以看出,能量回收率均在70%以上。

(a)位置

(b)壓力

(c)功率圖7 超越縮回工況恒力負(fù)載時(shí)位置斜坡給定下的位置、壓力及功率特性曲線

表4 各工作過程能耗分布

(a)位置

(b)壓力

(c)功率圖8 超越縮回工況變力負(fù)載時(shí)位置斜坡給定下的位置、壓力及功率特性曲線

3.2.3 兩級(jí)壓力源與單壓力源比較實(shí)驗(yàn)分析 單壓力源設(shè)定為9 MPa,阻抗伸出工況,給定與3.2.1中相同的斜坡位置和斜坡負(fù)載信號(hào),同樣采用壓力-位置復(fù)合控制,比較兩種系統(tǒng)阻抗伸出工況的能耗特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

(a)位置

(b)壓力

(c)功率圖9 單壓力源系統(tǒng)位置斜坡給定下的位置、壓力及功率特性曲線

從圖9a可以看出,單壓力源系統(tǒng)輸出位置跟隨誤差約為3 mm,與兩級(jí)壓力源切換系統(tǒng)基本相同;從圖9b可以看出,隨著負(fù)載力變化,無桿腔壓力隨著負(fù)載變化而變化,系統(tǒng)輸入壓力保持在約9 MPa,有桿腔壓力在跟隨過程中約為2 MPa;圖9c為單壓力源系統(tǒng)功率曲線。通過對(duì)比兩個(gè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,兩級(jí)壓力源切換系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載大小變化選擇更匹配的壓力源,在小負(fù)載工況時(shí)選擇了低壓力源,而在大負(fù)載工況時(shí)選擇了高壓力源。在單壓力源系統(tǒng)中,整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期都是以高壓力源9 MPa工作,因此,兩級(jí)壓力源切換系統(tǒng)能夠有效降低系統(tǒng)的輸入功率,驗(yàn)證了兩級(jí)壓力源切換系統(tǒng)節(jié)能的本質(zhì)。

圖10 系統(tǒng)輸入能量對(duì)比圖

功率經(jīng)積分計(jì)算可得能耗分布,計(jì)算得到兩個(gè)系統(tǒng)能耗對(duì)比,如圖10所示。由圖10可見,兩個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載能量基本保持一致,系統(tǒng)輸入總功分別為10.496 J和9.406 kJ。對(duì)比單壓力源系統(tǒng),兩級(jí)壓力源切換系統(tǒng)比其節(jié)能約10.4%,單壓力源系統(tǒng)有用功占輸入功比例為59.69%,兩級(jí)壓力源切換系統(tǒng)與其相比得到一定的提高。從圖9b可知,采用單壓力源系統(tǒng)系統(tǒng)輸入壓力與工作腔壓力存在巨大壓差,無桿腔比例閥兩端的壓差最大高達(dá)6 MPa左右,最終造成了40.3%的巨大損失功。從圖5b可知,兩級(jí)壓力源切換系統(tǒng)系統(tǒng)輸入壓力根據(jù)負(fù)載大小變化,無桿腔比例閥兩端的壓差大大降低,最大時(shí)為4 MPa左右,損失功約為36.5%。整體而言,與沒有能量?jī)?chǔ)存功能的傳統(tǒng)單壓力源系統(tǒng)相比,在阻抗工況兩級(jí)壓力源切換系統(tǒng)的輸入總功比單壓力源節(jié)能約10.4%,且在超越工況時(shí)能夠回收并儲(chǔ)存負(fù)載所做功。因此,本文所提出的兩級(jí)壓力源切換系統(tǒng)具有較大的節(jié)能潛力。

4 結(jié) 論

(1)本文提出一種兩級(jí)壓力源切換負(fù)載口獨(dú)立控制系統(tǒng),建立了系統(tǒng)能耗傳遞模型,以阻抗伸出和超越縮回工況為例,通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試了在這兩種工況下的性能、功率曲線和能耗分布情況。同時(shí),對(duì)傳統(tǒng)單壓力源系統(tǒng)在相同阻抗工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)比兩種系統(tǒng)的能耗特性,驗(yàn)證了所提系統(tǒng)節(jié)能的優(yōu)越性。

(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:超越縮回工況下,兩級(jí)壓力源切換負(fù)載口獨(dú)立控制系統(tǒng)可進(jìn)行能量的回收和儲(chǔ)存,其控制精度均在階躍信號(hào)下為1 mm左右,斜坡信號(hào)下位置跟隨良好,能量回收率達(dá)70%以上;阻抗伸出工況下,高低壓力源切換對(duì)位置階躍和位置斜坡的響應(yīng)有一定影響,位置曲線出現(xiàn)緩慢爬升或位置曲線斜率突變現(xiàn)象,斜坡信號(hào)下位置精度均在1 mm左右,斜坡信號(hào)下位置跟隨良好,克服負(fù)載所做有用功占輸入總功比例均在50%以上。與單壓力源系統(tǒng)比較,兩級(jí)壓力源切換系統(tǒng)可減少系統(tǒng)輸入功率約10%,且有用功占輸入功比例得到一定的提高。因此,本文所提出的兩級(jí)壓力源切換系統(tǒng)不僅能夠減少系統(tǒng)輸入功率,而且能夠進(jìn)行能量回收,具有較大的節(jié)能潛力。