曾億山,黃河,劉常海,劉旺,劉睿
(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,安徽合肥 230009)
現(xiàn)有的解決多執(zhí)行器流量飽和的方法主要是LS技術(shù),其原理是控制液壓泵輸出壓力比最高負(fù)載高2~3 MPa,在控制閥前或閥后設(shè)置壓差補(bǔ)償器,實(shí)現(xiàn)對(duì)各聯(lián)控制閥前后壓差的控制,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流入各執(zhí)行器流量的控制,使各執(zhí)行器動(dòng)作不受負(fù)載差異影響。該技術(shù)是目前國(guó)際上較先進(jìn)產(chǎn)品廣泛采用的技術(shù)。負(fù)載敏感技術(shù)分為閥前壓力補(bǔ)償、閥后壓力補(bǔ)償(Lastdruck Unabh?ngige Durchfluss Verteilung,LUDV)和回油路壓力補(bǔ)償3種類型。
楊華勇等設(shè)計(jì)了一種閥前壓力補(bǔ)償系統(tǒng)的抗流量飽和控制器,使LS系統(tǒng)具有抗流量飽和功能。WU等研究了當(dāng)LS系統(tǒng)有多個(gè)執(zhí)行器時(shí)3個(gè)不同穩(wěn)態(tài)工作區(qū)域的頻域不穩(wěn)定性和補(bǔ)償閥的動(dòng)態(tài)特性。劉偉等人基于LUDV系統(tǒng),針對(duì)負(fù)載較低的執(zhí)行器閥后壓力補(bǔ)償,提出一種新型控制器控制主閥通流面積,實(shí)現(xiàn)流量按需分配。日本東芝公司研發(fā)了一種回油補(bǔ)償LS系統(tǒng),各執(zhí)行器回油路上布置了壓力補(bǔ)償閥進(jìn)行壓力補(bǔ)償,從而使各執(zhí)行器進(jìn)油路控制閥前后壓差相同,具有抗流量飽和功能。張浩杰基于回油補(bǔ)償系統(tǒng),增設(shè)液壓蓄能器實(shí)現(xiàn)回油路能量回收,避免回油路上的節(jié)流損失,仿真結(jié)果表明提高了系統(tǒng)能量效率。
在實(shí)現(xiàn)抗流量飽和功能的基礎(chǔ)上,國(guó)內(nèi)外學(xué)者還致力于改善LS系統(tǒng)的節(jié)能特性和控制特性。CETINKUNT提出了一種通過(guò)延遲閥門指令的實(shí)時(shí)控制策略,實(shí)現(xiàn)對(duì)泵和閥門的同步控制。HU等在傳統(tǒng)LS系統(tǒng)回路上增加了一個(gè)三通比例減壓閥,實(shí)時(shí)調(diào)整液壓泵與負(fù)載之間的壓差,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此系統(tǒng)可改善動(dòng)態(tài)特性和節(jié)能特性。AXIN等研制了一種新型壓力補(bǔ)償器,從液壓元件層面提高了系統(tǒng)的流量匹配精度,還提出了一種基于壓力裕度和李雅普諾夫函數(shù)的流量壓力混合控制方案,改善了系統(tǒng)控制特性。RUGGERI和GUIDETTI將傳統(tǒng)負(fù)載敏感泵控制閥的控制方式改為先導(dǎo)控制,實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)泵與最大負(fù)載之間的壓差,提高了系統(tǒng)控制特性。DU等提出了一種基于負(fù)載預(yù)測(cè)的機(jī)械臂節(jié)能控制技術(shù),以調(diào)節(jié)泵流量,降低能耗。XU等在流量匹配負(fù)載的基礎(chǔ)上提出一種壓力流量混合控制系統(tǒng),提高了流量分配精度和能量效率。LOVREC、PLUTA、CHENG等利用變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量液壓泵,代替?zhèn)鹘y(tǒng)LS變量液壓泵,實(shí)現(xiàn)電液負(fù)載敏感控制,改善了系統(tǒng)控制特性。
上述研究抗流量飽和的過(guò)程中,大多學(xué)者采用控制各執(zhí)行器主閥進(jìn)出口壓差的方法,因此存在一些缺陷。一方面,為了控制主閥的壓差,大多學(xué)者采用了復(fù)雜的電液補(bǔ)償方法,對(duì)控制器性能要求高;另一方面,沒(méi)有從根本上減小閥口節(jié)流損失,LS系統(tǒng)仍有很大的節(jié)能潛力。IM(Independent Metering)技術(shù)打破了傳統(tǒng)LS系統(tǒng)進(jìn)油路與回油路的機(jī)械連接,利用多個(gè)控制閥獨(dú)立控制,在完成節(jié)流調(diào)速控制的同時(shí),可以減小系統(tǒng)背壓,從而避免了傳統(tǒng)LS系統(tǒng)中重復(fù)的節(jié)流損失。為進(jìn)一步提高LS系統(tǒng)的節(jié)能性和降低系統(tǒng)的控制難度,本文作者將負(fù)載口獨(dú)立控制(IM)技術(shù)應(yīng)用于LS系統(tǒng),利用機(jī)液壓差補(bǔ)償方法,提出一種新型抗流量飽和的IM系統(tǒng),并建立該系統(tǒng)節(jié)能特性模型,對(duì)其節(jié)能特性進(jìn)行分析和仿真驗(yàn)證。
將新IM系統(tǒng)的工作原理簡(jiǎn)化為如圖2所示,其中液壓缸都為阻抗伸出,其他工況類似。
進(jìn)口閥與出口閥型號(hào)相同,都為滑閥且性能參數(shù)完全相同,則根據(jù)壓力-流量方程,流過(guò)進(jìn)口閥節(jié)流孔V1和出口閥節(jié)流孔V2的流量可以分別表示為
(1)
(2)
其中:為泵壓力;為一聯(lián)液壓缸無(wú)桿腔壓力;為流入一聯(lián)液壓缸無(wú)桿腔的流量;為一聯(lián)液壓缸有桿腔壓力;為二位二通比例換向閥流量系數(shù);為二位二通比例換向閥面積梯度(m);為流出一聯(lián)液壓缸有桿腔的流量;為一聯(lián)壓力補(bǔ)償閥的閥前壓力;為二位二通比例換向閥閥口最大開(kāi)口度(m);為一聯(lián)進(jìn)口閥開(kāi)口比例(%);為一聯(lián)出口閥開(kāi)口比例(%)。
圖1 回油補(bǔ)償負(fù)載口獨(dú)立控制系統(tǒng)原理簡(jiǎn)化圖
由于通過(guò)一聯(lián)進(jìn)油路節(jié)流孔的流量流入一聯(lián)液壓缸無(wú)桿腔,流出一聯(lián)液壓缸無(wú)桿腔的流量通過(guò)一聯(lián)回油路節(jié)流孔,聯(lián)立式(1)(2)可得:
(3)
其中:為一聯(lián)液壓缸無(wú)桿腔面積;為一聯(lián)液壓缸有桿腔面積;為一聯(lián)液壓缸運(yùn)動(dòng)速度。
定義開(kāi)口比和面積比:
(4)
(5)
將式(3)平方后整理可得:
(6)
一聯(lián)執(zhí)行器為阻抗伸出,則負(fù)載的平衡方程為
=+
(7)
其中:為一聯(lián)液壓缸外負(fù)載。
由式(6)(7)可得一聯(lián)液壓缸無(wú)桿腔和有桿腔壓力分別為
(8)
(9)
系統(tǒng)中的壓力補(bǔ)償閥完全相同,且都是滑閥,通過(guò)壓力補(bǔ)償閥的流量為
(10)
(11)
其中:為壓力補(bǔ)償閥流量系數(shù);為壓力補(bǔ)償閥的面積梯度(m);為壓力補(bǔ)償閥最大開(kāi)口比例(m);為一聯(lián)壓力補(bǔ)償閥閥芯的位移(m);為二聯(lián)壓力補(bǔ)償閥閥芯的位移(m);為油箱壓力。忽略壓力補(bǔ)償器閥芯受到的液動(dòng)力,一聯(lián)和二聯(lián)壓力補(bǔ)償閥閥芯的力平衡方程可以表示為
--=0
(12)
--=0
(13)
其中:為壓力補(bǔ)償閥閥芯受力面積(m);為壓力補(bǔ)償閥彈簧剛度(N/m)。忽略弱彈簧力,由式(12)(13)可得:
==
(14)
和分別為系統(tǒng)開(kāi)始工作后壓力補(bǔ)償閥閥芯移動(dòng)前的無(wú)桿腔壓力。當(dāng)<時(shí),二聯(lián)壓力補(bǔ)償閥閥芯在復(fù)位彈簧作用下使閥口完全開(kāi)啟,一聯(lián)壓力補(bǔ)償閥閥芯移動(dòng)減小閥口開(kāi)啟面積,直到系統(tǒng)穩(wěn)定。假設(shè)=0,由式(11)整理得二聯(lián)壓力補(bǔ)償閥閥前壓力為
(15)
定義系數(shù)為
(16)
由式(7)(14)可得:
(17)
整理式(2)可得:
(18)
定義系數(shù)為
(19)
依據(jù)同樣推導(dǎo)方法可得
(20)
由式(17)—(19)可得
(21)
當(dāng)>時(shí)同理,在此不贅述。
液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率可以表示為
(22)
其中:為泵源的輸出功率;為液壓缸的輸出功率。進(jìn)一步可以表示為
(23)
由式(1)(8)整理可得:
(24)
系統(tǒng)節(jié)能效率的表達(dá)式為
(25)
其中:為L(zhǎng)S系統(tǒng)的泵源壓力(MPa);為IM系統(tǒng)的泵源壓力(MPa);為L(zhǎng)S系統(tǒng)的泵源流量(m/s);為IM系統(tǒng)的泵源流量(m/s)。
觀察式(25)可知,若想降低液壓系統(tǒng)的能耗,則必須減小液壓泵的輸出壓力。因此,減小液壓泵的輸出壓力是降低液壓系統(tǒng)能耗的主要途徑。
將式(23)(24)應(yīng)用于傳統(tǒng)LS系統(tǒng)和IM系統(tǒng)。在傳統(tǒng)LS系統(tǒng)中,對(duì)稱閥的進(jìn)出閥口開(kāi)啟比==1。IM系統(tǒng)在實(shí)際工作中,進(jìn)口閥開(kāi)口比例由液壓缸活塞桿目標(biāo)速度決定,將出口閥開(kāi)口比例開(kāi)到最大,則==1。
系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示,設(shè)=40 000 N、=10 000 N、=0.1 m/s、=0.2 m/s、油箱壓力=0。
表1 系統(tǒng)主要參數(shù)
將一聯(lián)執(zhí)行器與二聯(lián)執(zhí)行器工況分成4種工作模式。模式1:一聯(lián)阻抗伸出,二聯(lián)阻抗伸出;模式2:一聯(lián)阻抗伸出,二聯(lián)阻抗縮回;模式3:一聯(lián)阻抗縮回,二聯(lián)阻抗伸出;模式4:一聯(lián)阻抗縮回,二聯(lián)阻抗縮回。4種工作模式下的系統(tǒng)效率分析結(jié)果如圖2所示。
由圖2(a)可知:系統(tǒng)為模式1時(shí),IM系統(tǒng)的出口閥開(kāi)到最大減小背壓,降低了泵源壓力,提高了系統(tǒng)效率,開(kāi)口比例=0.5時(shí)效率最高,為29.1%,相比較傳統(tǒng)LS系統(tǒng),效率提高1.26%;=0.31時(shí),IM系統(tǒng)節(jié)能效果最明顯,節(jié)能效率為1.69%。由圖2(b)可知:模式2時(shí),由于二聯(lián)液壓缸縮回時(shí)流入有桿腔的流量小于相同速度伸出時(shí)流入無(wú)桿腔的流量,比模式1的整體效率更高;開(kāi)口比例=0.5時(shí)效率最高,=43.97%,比傳統(tǒng)LS系統(tǒng)提高了1.88%;=0.31時(shí)節(jié)能效果最明顯,節(jié)能效率為2.54%。由圖2(c)可知:系統(tǒng)為模式3時(shí),開(kāi)口比例=0.5時(shí)效率最高,=23.51%,比傳統(tǒng)LS系統(tǒng)提高了5.12%;=0.21時(shí)節(jié)能效果最明顯,節(jié)能效率為10.53%。由圖2(d)可知:系統(tǒng)為模式4時(shí),由于二聯(lián)液壓缸縮回時(shí)流入有桿腔的流量小于相同速度伸出時(shí)流入無(wú)桿腔的流量,比模式2的整體效率更高;開(kāi)口比例=0.5時(shí)效率最高,=37.91%,比傳統(tǒng)LS系統(tǒng)提高了8.25%,=0.21時(shí)節(jié)能效果最明顯,節(jié)能效率為15.97%。
圖2 4種工作模式下的效率特性曲線
綜上所述,IM系統(tǒng)的泵源壓力低于傳統(tǒng)LS系統(tǒng)泵源壓力。在實(shí)際工作中,忽略的差距,負(fù)載及液壓缸活塞桿目標(biāo)速度為設(shè)定值,面積比和為常數(shù)且=1,所以泵源壓力與進(jìn)口閥開(kāi)口比例負(fù)相關(guān),開(kāi)口比例越大,泵源壓力越小。然而在IM系統(tǒng)中,進(jìn)出口閥開(kāi)口比例和的調(diào)節(jié)是分別獨(dú)立的,當(dāng)進(jìn)口閥開(kāi)口比例根據(jù)目標(biāo)速度調(diào)整時(shí),出口閥可以開(kāi)到最大即=100%,從而降低泵源壓力,減少液壓泵能耗,實(shí)現(xiàn)節(jié)能作用。
因此,所提出的IM系統(tǒng)相比傳統(tǒng)LS系統(tǒng)在各種工況下普遍具有更好的效率,當(dāng)系統(tǒng)處于一聯(lián)阻抗縮回和二聯(lián)阻抗縮回工況時(shí),IM系統(tǒng)節(jié)能效果最明顯,節(jié)能效率為15.97%。
在AMESim軟件中對(duì)LS和IM系統(tǒng)進(jìn)行建模,利用液壓元件庫(kù)建立壓力補(bǔ)償器模型,如圖3所示,IM、LS系統(tǒng)模型分別如圖4和圖5所示。
圖3 壓力補(bǔ)償器的仿真建模
圖4 IM系統(tǒng)的仿真模型
圖5 LS系統(tǒng)的仿真模型
在仿真模型中進(jìn)行驗(yàn)證,負(fù)載與第2節(jié)一致,在模式1和模式2時(shí),設(shè)=0.31、=1,仿真結(jié)果分別如圖6、圖7所示;在模式3和模式4時(shí),設(shè)=0.21、=1,仿真結(jié)果分別如圖8、圖9所示。
由圖6可知:系統(tǒng)在0.2 s內(nèi)波動(dòng),穩(wěn)定后,IM系統(tǒng)效率為18.2%,LS系統(tǒng)效率為16.5%,節(jié)能效率為1.41%。由圖7可知:系統(tǒng)在0.15 s內(nèi)波動(dòng),穩(wěn)定后,IM系統(tǒng)效率為26.3%,LS系統(tǒng)效率為25.8%,節(jié)能效率為2.06%。由圖8可知:系統(tǒng)在0.22 s內(nèi)波動(dòng),穩(wěn)定后,IM系統(tǒng)效率為12.6%,LS系統(tǒng)效率為6.3%,節(jié)能效率為9.88%。由圖9可知:系統(tǒng)在0.17 s內(nèi)波動(dòng),穩(wěn)定后,IM系統(tǒng)效率為18.9%,LS系統(tǒng)效率為12.1%,節(jié)能效率為15.03%。
圖6 工作模式1的仿真結(jié)果
圖7 工作模式2的仿真結(jié)果
圖8 工作模式3的仿真結(jié)果
圖9 工作模式4的仿真結(jié)果
因此,仿真結(jié)果與節(jié)能模型最佳節(jié)能效率計(jì)算結(jié)果基本一致,驗(yàn)證了此節(jié)能模型的正確性。
本文作者針對(duì)抗流量飽和研究中傳統(tǒng)LS系統(tǒng)節(jié)流損失大、電液壓差補(bǔ)償控制復(fù)雜的問(wèn)題,將IM技術(shù)應(yīng)用于LS系統(tǒng),在回油路上進(jìn)行機(jī)液壓差補(bǔ)償,設(shè)計(jì)了一種基于回油補(bǔ)償?shù)呢?fù)載口獨(dú)立系統(tǒng)。對(duì)該系統(tǒng)建立了節(jié)能特性模型,并與傳統(tǒng)LS系統(tǒng)進(jìn)行了節(jié)能特性對(duì)比。結(jié)果表明:新型IM系統(tǒng)的效率優(yōu)于傳統(tǒng)LS系統(tǒng),其中當(dāng)系統(tǒng)處于一聯(lián)阻抗縮回和二聯(lián)阻抗縮回工況時(shí),IM系統(tǒng)節(jié)能效果最明顯,節(jié)能效率計(jì)算結(jié)果為15.97%,節(jié)能效率仿真結(jié)果為15.03%,驗(yàn)證了其節(jié)能模型的正確性。研究結(jié)果為提高LS系統(tǒng)節(jié)能效率、降低抗流量飽和控制難度提供了參考。