(太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室， 山西太原 030024)

引言

液壓挖掘機(jī)是最主要的工程機(jī)械之一，在我國的建設(shè)與發(fā)展中起著重要的作用，但其特點是能耗高、排放差，多年來提高挖掘機(jī)等工程機(jī)械的能量利用率一直是該領(lǐng)域的研究熱點[1-2]。研究表明液壓挖掘機(jī)的發(fā)動機(jī)輸出能量利用率僅約20%[3]，因此采用效率更高的電動機(jī)代替柴油發(fā)動機(jī)驅(qū)動液壓挖掘機(jī)可以顯著提升能效，國內(nèi)外眾多學(xué)者對挖掘機(jī)的電動化開展了研究。電動挖掘機(jī)需配備價格昂貴的電池，且受限于安裝空間，電池容量不能過大，導(dǎo)致機(jī)器作業(yè)時間較短，因此必須提升整機(jī)能效，在電池容量有限的前提下盡可能延長挖掘機(jī)工作時間?，F(xiàn)有的研究工作可分為兩個方面，一是提升挖掘機(jī)動力源能效，二是降低挖掘機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)峰值功率和能耗。

關(guān)于提升動力源效率的研究，主要在改變電動機(jī)或液壓泵類型方面。現(xiàn)有的電動挖掘機(jī)絕大多數(shù)是采用定轉(zhuǎn)速異步電機(jī)驅(qū)動變量泵作為動力源，需要通過改變液壓泵的擺角控制輸出流量匹配負(fù)載需求，但是電機(jī)始終以額定轉(zhuǎn)速運行，存在非工作周期能耗，且負(fù)載越低時電動機(jī)效率也越低，葛磊等[4]的研究表明當(dāng)負(fù)載功率低于額定功率的50%時，異步電機(jī)的效率顯著下降。變量泵在小排量工況時能效也較差[5-6]，LUX等[7]的研究表明變量泵在25%排量下效率峰值僅為60%。另一種方案是采用異步電機(jī)驅(qū)動定量泵，通過改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制液壓泵的輸出流量匹配負(fù)載需，為了實現(xiàn)壓力控制，動力源輸出流量必須始終高于需求，在回路中仍然采用控制閥控制壓力，造成能量浪費，而且異步電機(jī)動態(tài)響應(yīng)較慢，劉輝等[8]在定量泵出口增設(shè)蓄能器并將其油液引入液壓泵入口，以提高動態(tài)響應(yīng)，但是增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。采用伺服電機(jī)代替異步電機(jī)驅(qū)動，可降低能耗并提升動態(tài)響應(yīng)。HELDUSER[9]對比研究了異步電機(jī)驅(qū)動變量泵和伺服電機(jī)驅(qū)動定量泵這兩種動力源的能耗，結(jié)果表明一個設(shè)定工作周期內(nèi)后者相比前者可降低能耗約10%，這正是由于輕載和怠速時動力源能效的提升。梁濤等[10]提出伺服電機(jī)驅(qū)動定量泵的流量匹配控制系統(tǒng)，與負(fù)載獨立流量分配系統(tǒng)相比可降低挖掘機(jī)動臂運行一個周期能耗約13.6%。

關(guān)于降低挖掘機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)峰值功率和能耗的研究，很多工作是針對挖掘機(jī)動臂展開的，因為在動臂下放過程中，大容量的重力勢能經(jīng)液壓缸轉(zhuǎn)換為液壓能再經(jīng)節(jié)流閥轉(zhuǎn)換為熱能耗散掉，造成了能量浪費。管成等[11]提出一種油液混合動力挖掘機(jī)動臂勢能回收系統(tǒng)，在動臂下降時通過控制閥將壓力油引入蓄能器，在動臂上升時蓄能器釋放高壓油液輔助驅(qū)動負(fù)載，與普通挖掘機(jī)相比節(jié)能44.3%，但是這種方案在勢能回收和再利用時仍然通過控制閥，存在節(jié)流損失。夏連鵬等[12]提出三腔液壓缸與蓄能器構(gòu)成的液氣儲能驅(qū)動一體化方案，對挖掘機(jī)動臂勢能直接回收和高效再利用，能量傳遞鏈短、轉(zhuǎn)換效率高，與普通方案相比節(jié)能48.5%，若果將此方案運用在大型液壓挖掘機(jī)上，節(jié)能效果更加顯著[13]。

為此，在現(xiàn)有研究工作的基礎(chǔ)上，提出一種采用伺服電機(jī)驅(qū)動定量泵作為動力源的開式容積與儲能平衡協(xié)同控制液壓挖掘機(jī)動臂原理，建立試驗樣機(jī)測試該原理驅(qū)動挖掘機(jī)動臂的能效，并與采用定轉(zhuǎn)速異步電機(jī)驅(qū)動變量泵作為動力源驅(qū)動進(jìn)行試驗對比分析，在保證良好運行特性的前提下，進(jìn)一步提升整機(jī)效率、降低能耗。

1 系統(tǒng)工作原理

圖1所示為開式容積與儲能平衡協(xié)同控制挖掘機(jī)動臂的回路原理，動臂液壓缸采用三腔液壓缸，液壓缸A腔、B腔通過三位四通控制閥與液壓泵、油箱連接，C腔與液壓蓄能器連接，工作過程中，電動機(jī)驅(qū)動液壓泵向系統(tǒng)供油，動臂上升時，控制閥切換至右位，壓力油進(jìn)入液壓缸A腔驅(qū)動挖掘機(jī)動臂上升，蓄能器釋放能量進(jìn)行輔助驅(qū)動；動臂下降時，控制閥切換至左位，液壓缸在動臂等工作裝置重力作用下收回，重力勢能經(jīng)液壓缸轉(zhuǎn)換為液壓能直接存儲在蓄能器中，供下次舉升使用，泵輸出的油液通過控制閥進(jìn)入B腔防止吸空，動力源部分研究了兩種方案，當(dāng)采用定轉(zhuǎn)速異步電機(jī)驅(qū)動變量泵作為動力源時，通過改變變量泵的擺角控制輸出流量；當(dāng)采用變轉(zhuǎn)速伺服電機(jī)驅(qū)動定量泵作為動力源時，通過改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制輸出流量。

圖1 開式容積與儲能平衡協(xié)同控制挖掘機(jī)動臂回路原理

2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)三腔液壓缸結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)回路原理推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型，三腔液壓缸的力平衡方程為：

pASA+pCSC-pBSB=ma+Bv+f+F

(1)

式中，pA，pB，pC—— 分別為液壓缸A腔、B腔、C腔的壓力

SA，SB，SC—— 分別為液壓缸A腔、B腔、C腔的橫截面積

m—— 工作裝置質(zhì)量

a—— 液壓缸加速度

B—— 阻尼系數(shù)

v—— 液壓缸速度

f—— 液壓缸摩擦力

F—— 液壓缸負(fù)載力

以動臂液壓缸一個典型的“伸出-收回”工況為例進(jìn)行分析。動臂上升時，液壓缸為阻抗伸出工況，如果采用“定轉(zhuǎn)速異步電機(jī)+變量泵”作為動力源驅(qū)動，流量計算公式為：

vSA=qA=nV

(2)

式中，qA—— 液壓缸A腔流量

n—— 異步電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速

V—— 變量泵排量

由式(2)可知，當(dāng)液壓缸需求速度已知，可計算出流量需求，異步電機(jī)轉(zhuǎn)速為定值，故調(diào)節(jié)變量泵排量即可實現(xiàn)輸出流量匹配負(fù)載需求。

如果采用“變轉(zhuǎn)速伺服電機(jī)+定量泵”作為動力源驅(qū)動，流量計算公式為：

vSA=qA=nSMVC

(3)

式中，nSM—— 伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速

VC—— 定量泵排量

由式(3)可知，當(dāng)液壓缸需求速度已知，可計算出流量需求，定量泵排量為定值，故調(diào)節(jié)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速即可實現(xiàn)輸出流量匹配負(fù)載需求。

動臂下降時，液壓缸在動臂自身重力作用下收回，為超越收回工況，需要通過控制液壓閥的開度進(jìn)行速度控制，流量計算公式為：

(4)

式中，Cd—— 流量系數(shù)

Sv—— 閥口面積梯度

Δp—— 閥兩端壓差

ρ—— 液壓油密度

此時液壓泵需向B腔補充油液防止吸空，如果采用“定轉(zhuǎn)速異步電機(jī)+變量泵”作為動力源驅(qū)動，流量計算公式為：

vSB=qB=nV

(5)

式中，qB為液壓缸B腔的流量。

如果采用“變轉(zhuǎn)速伺服電機(jī)+定量泵”作為動力源驅(qū)動，流量計算公式為：

vSB=qB=nSMVC

(6)

3 試驗研究

首先，分別測試了實驗室現(xiàn)有的變量液壓泵和伺服電機(jī)的響應(yīng)速度，然后，測試了定轉(zhuǎn)速異步電機(jī)驅(qū)動變量泵和變轉(zhuǎn)速伺服電機(jī)驅(qū)動定量泵這兩種動力源在不同負(fù)載壓力和流量時的效率，最后，構(gòu)建了液壓挖掘機(jī)動臂儲能平衡試驗測試系統(tǒng)，動臂液壓缸為三腔液壓缸，分別采用這兩種動力源驅(qū)動該試驗樣機(jī)，對比分析其能效特性。

圖2所示為SYDFEE-71電比例液壓泵和U31007F.20.3伺服電機(jī)響應(yīng)的試驗測試曲線，在變量泵的測試中，在0.1 s時給變量泵擺角分別輸入5個控制信號，獲得變量泵排量隨時間變化的曲線，可以看出，變量泵從最小排量上升到0.2Vmax，0.4Vmax，0.6Vmax，0.8Vmax和Vmax分別需要0.015, 0.026, 0.042, 0.061, 0.077 s，動態(tài)響應(yīng)較快，可以滿足驅(qū)動挖掘機(jī)動臂的響應(yīng)需求。在伺服電機(jī)的測試中，在0.1 s時給電機(jī)輸入不同的轉(zhuǎn)速控制信號，可以看出伺服電機(jī)從零速上升到400, 800, 1200, 1600 r/min分別需要0.06, 0.08, 0.12, 0.14 s，動態(tài)響應(yīng)滿足驅(qū)動挖掘機(jī)動臂的響應(yīng)需求。

圖2 變量泵與伺服電機(jī)動態(tài)響應(yīng)測試曲線

圖3所示為定轉(zhuǎn)速異步電機(jī)驅(qū)動變量泵、變轉(zhuǎn)速伺服電機(jī)驅(qū)動定量泵這兩種動力源在不同負(fù)載壓力時的效率隨流量變化的試驗測試曲線。

圖3 伺服電機(jī)變量泵、異步電機(jī)變量泵效率測試曲線

從圖中曲線可以看出，壓力為20 MPa時，伺服電機(jī)驅(qū)動定量泵的效率與異步電機(jī)驅(qū)動變量泵的效率都較高，但是壓力為4 MPa時，伺服電機(jī)驅(qū)動定量泵的效率比異步電機(jī)驅(qū)動變量泵的效率高15%～30%，這是由于電動機(jī)效率隨著負(fù)載的降低而降低，通過降低轉(zhuǎn)速可以使電動機(jī)工作在高效區(qū)，提升其效率。也可以看出，動力源效率總是隨著流量的減少而降低，但是伺服電機(jī)驅(qū)動定量泵的效率下降較慢，這是由于在流量需求較小時通過降低轉(zhuǎn)速減少輸出流量，而異步電機(jī)驅(qū)動變量泵通過減小泵排量減少輸出流量，變量泵在小排量時效率較低，因此效率下降較快。

用上述兩種動力源分別驅(qū)動動臂液壓缸為三腔液壓缸的6 t級液壓挖掘機(jī)，采用壓力傳感器測試三腔液壓缸各腔壓力，采用MTS磁致伸縮位移傳感器測試三腔液壓缸的位移和速度，采用流量計測試液壓泵出口的壓力和流量，采用功率儀測試電動機(jī)的功率，采用dSPACE1103硬件在環(huán)控制系統(tǒng)對試驗測試系統(tǒng)進(jìn)行控制和信號采集，試驗樣機(jī)如圖4所示。

圖4 開式容積與儲能平衡協(xié)同控制挖掘機(jī)動臂試驗樣機(jī)

圖5所示為采用定轉(zhuǎn)速異步電機(jī)+變量泵作為動力源驅(qū)動挖掘機(jī)動臂的速度及位移曲線，2～6 s動臂上升，液壓缸位移為300 mm，10～14 s動臂下降，液壓缸回到起始位置，一個工作循環(huán)耗時16 s，可以看出液壓缸運行平穩(wěn)，波動較小，動態(tài)響應(yīng)較快。

圖5 異步電機(jī)變量泵驅(qū)動動臂速度及位移測試曲線

圖6所示為異步電機(jī)的功率及能量曲線，其中異步電功率曲線直接由功率儀測試并記錄， 可以看出一個周期內(nèi)異步電機(jī)峰值功率為7.46 kW，由于電動機(jī)始終以額定轉(zhuǎn)速運行， 在液壓缸靜止不動時電動機(jī)仍然輸出2.7 kW左右的功率，造成能量浪費。通過對功率曲線積分獲得能量曲線，一個周期能量消耗為65.34 kJ。

圖6 異步電機(jī)變量泵驅(qū)動動臂功率及能耗測試曲線

圖7所示為采用變轉(zhuǎn)速伺服電機(jī)+定量泵作為動力源驅(qū)動挖掘機(jī)動臂的速度及位移曲線，工況與采用定轉(zhuǎn)速異步電機(jī)+變量泵作為動力源時相同，可以看出液壓缸運行平穩(wěn)，波動較小，與采用異步電機(jī)+變量泵驅(qū)動時相似，動態(tài)響應(yīng)滿足工作需求。

圖7 伺服電機(jī)定量泵驅(qū)動動臂速度及位移測試曲線

圖8所示為伺服電機(jī)的功率及能量曲線，其中伺服電功率曲線直接由功率儀測試并記錄，可以看出一個周期內(nèi)伺服電機(jī)峰值功率為5.98 kW，在液壓缸靜止不動時電動機(jī)功率幾乎為0，減少了動力源空轉(zhuǎn)能耗，通過對功率曲線積分獲得能量曲線，可以看出能量曲線在液壓缸靜止時幾乎水平，一個周期能量消耗為26.99 kJ，與采用定轉(zhuǎn)速異步電機(jī)+變量泵作為動力源驅(qū)動機(jī)器相比，峰值功率降低19.8%，一個周期能耗降低58.7%，節(jié)能效果顯著。

圖8 伺服電機(jī)定量泵驅(qū)動動臂功率及能耗測試曲線

4 結(jié)論

采用變轉(zhuǎn)速伺服電機(jī)驅(qū)動定量泵作為動力源的開式容積與儲能平衡協(xié)同控制液壓挖掘機(jī)動臂，并與定轉(zhuǎn)速異步電機(jī)驅(qū)動變量泵作為動力源的測試結(jié)果進(jìn)行對比分析，研究結(jié)果表明：

(1) 采用定轉(zhuǎn)速異步電機(jī)驅(qū)動變量泵作為動力源驅(qū)動挖掘機(jī)動臂，液壓缸靜止不動時動力源仍以額定轉(zhuǎn)速運行，動力源輸出功率約為2.7 kW，存在能量浪費。采用變轉(zhuǎn)速伺服電機(jī)驅(qū)動定量泵作為動力源驅(qū)動挖掘機(jī)動臂，通過改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整輸出流量，液壓缸靜止不動時，動力源輸出功率幾乎為0，降低了空轉(zhuǎn)能耗；

(2) 與定轉(zhuǎn)速異步電機(jī)驅(qū)動變量泵作為動力源相比，采用變轉(zhuǎn)速伺服電機(jī)驅(qū)動定量泵作為動力源的開式容積與儲能平衡協(xié)同控制挖掘機(jī)動臂，一個舉升-下放工作周期內(nèi)峰值功率降低19.8%，能耗降低58.7%，節(jié)能效果顯著。