梁 濤,權(quán) 龍,馮克溫,王永進(jìn),郝云曉

(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(diǎn)試驗(yàn)室,山西 太原 030024)

引言

液壓控制系統(tǒng)是液壓挖掘機(jī)、裝載機(jī)和叉車等工程機(jī)械最常見的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[1]。市場(chǎng)上典型的液壓系統(tǒng)包括正流量系統(tǒng)[2]和負(fù)流量系統(tǒng)[3]等,普遍存在能量效率低的缺點(diǎn),導(dǎo)致工程機(jī)械平均效率只有22%。隨著全球能源危機(jī)和環(huán)境污染日益嚴(yán)重,亟需降低系統(tǒng)能量消耗和廢氣排放。

一種方法是通過(guò)降低節(jié)流損失來(lái)提升液壓系統(tǒng)能效。負(fù)載敏感系統(tǒng)通過(guò)壓力反饋使泵壓力和最高負(fù)載壓力匹配,控制液壓泵提供執(zhí)行器所需的流量,但存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、易振蕩的問(wèn)題[4]。在此基礎(chǔ)上提出的電液流量匹配系統(tǒng),根據(jù)執(zhí)行器所需流量同時(shí)控制液壓泵和多路閥,雖然提升了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng),但需解決泵閥之間的流量不匹配問(wèn)題[5]。上述系統(tǒng)所采用的多路閥進(jìn)出油口節(jié)流邊機(jī)械耦合,閥口仍存在大量節(jié)流損失,尤其在超越負(fù)載工況更為嚴(yán)重。相關(guān)學(xué)者提出進(jìn)出口獨(dú)立控制系統(tǒng),通過(guò)將進(jìn)出口節(jié)流邊解耦,來(lái)進(jìn)一步降低液壓系統(tǒng)節(jié)流損失[6]。近年來(lái),進(jìn)出口獨(dú)立控制系統(tǒng)在工程機(jī)械的應(yīng)用已經(jīng)成為了研究熱點(diǎn)[7-8],節(jié)能效果顯著。

能量回收是另一種有效提升液壓系統(tǒng)能效的方法,可以通過(guò)液壓或電氣儲(chǔ)能元件實(shí)現(xiàn)。在電氣能量回收方案中,一般通過(guò)液壓馬達(dá)-發(fā)電機(jī)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容或蓄電池中[9]。龔俊等[10-11]提出了獨(dú)立于挖掘機(jī)原有系統(tǒng)的能量回收系統(tǒng),通過(guò)再生馬達(dá)和發(fā)電機(jī)回收動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的動(dòng)勢(shì)能。液壓回收方案普遍采用液壓蓄能器作為能量回收單元。由于液壓蓄能器壓力隨著油液的體積而變化,為了避免蓄能器非線性對(duì)執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)性能造成影響。RANJAN P[12]在蓄能器出口增加比例閥,雖然改善了動(dòng)臂控制特性,但是也增加了節(jié)流損失。夏連鵬等[13]提出采用三腔液壓缸驅(qū)動(dòng)動(dòng)臂的方案,大幅縮短了能量傳遞鏈,能量回收效率達(dá)70.9%。

現(xiàn)有技術(shù)方案對(duì)于單執(zhí)行器系統(tǒng)的節(jié)能方法已經(jīng)被研究充分。然而,在多執(zhí)行器系統(tǒng)中,由于動(dòng)力源壓力由最高負(fù)載壓力決定,其他執(zhí)行器回路必須通過(guò)節(jié)流形式負(fù)載壓力與系統(tǒng)壓力相匹配,額外產(chǎn)生了載荷差異造成的節(jié)流損失。迄今為止,只有少量的研究報(bào)道討論降低載荷節(jié)流損失[14-15]。

為此,本研究提出了多執(zhí)行器載荷差異儲(chǔ)能均衡原理,集成了消除載荷差異節(jié)流損失和回收?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)能量的優(yōu)點(diǎn)。并且通過(guò)出油腔壓力調(diào)控,使各執(zhí)行器的多路閥壓差保持相等,確保了多執(zhí)行器系統(tǒng)的控制性能。以37 t液壓挖掘機(jī)為研究對(duì)象,分別研究了所提系統(tǒng)的運(yùn)行特性和能效特性。

1 工作原理

圖1為多執(zhí)行器載荷差異儲(chǔ)能均衡系統(tǒng)原理圖。主電機(jī)驅(qū)動(dòng)電控變量泵輸出執(zhí)行器所需流量,通過(guò)多路閥分配流量,進(jìn)而控制液壓缸的運(yùn)行速度和位移。并且為了消除載荷差異造成的節(jié)流損失,回收?qǐng)?zhí)行器能量,設(shè)計(jì)了電液儲(chǔ)能單元,主要由液壓泵/馬達(dá)、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)、液壓蓄能器、雙向DC/DC變換器和超級(jí)電容器組成。

1.主電機(jī) 2.電控變量泵 3、4.多路閥 5、6.比例閥 7、8.液壓缸 9、10.開關(guān)閥 11.蓄能器 12.液壓泵/馬達(dá) 13.電動(dòng)/發(fā)電機(jī) 14.超級(jí)電容 15.壓力傳感器

當(dāng)兩個(gè)液壓缸復(fù)合動(dòng)作,重載液壓缸回路的比例閥關(guān)閉,開關(guān)閥打開,通過(guò)多路閥控制液壓缸的速度和位移。輕載液壓缸回路的開關(guān)閥關(guān)閉,通過(guò)比例閥控制電液儲(chǔ)能單元位于輕載執(zhí)行器的回油路。此時(shí),通過(guò)控制電動(dòng)/發(fā)電機(jī)的扭矩,可調(diào)控輕載液壓缸的出油腔腔壓力升高,使兩個(gè)液壓缸的進(jìn)油腔壓力相等,從而消除載荷差異引起的節(jié)流損失。原本由于載荷差異造成的能量損失,通過(guò)電液儲(chǔ)能單元轉(zhuǎn)換為電能和液壓能儲(chǔ)存。此時(shí),各多路閥的進(jìn)出油口壓差相等,意味著本系統(tǒng)自然具有傳統(tǒng)壓力補(bǔ)償器的壓力補(bǔ)償功能。

當(dāng)執(zhí)行器處于超越負(fù)載工況,電液儲(chǔ)能單元與執(zhí)行器出油口連接,從而平衡外負(fù)載。執(zhí)行器動(dòng)勢(shì)能通過(guò)電液儲(chǔ)能單元進(jìn)行回收,而不是因節(jié)流作用完全浪費(fèi)。同時(shí)在泵/馬達(dá)出口安裝了液壓蓄能器,來(lái)降低電動(dòng)/發(fā)電機(jī)的裝機(jī)功率。

2 能效分析

為明確載荷差異儲(chǔ)能均衡系統(tǒng)的能效特性,本研究選擇典型的電液流量匹配系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 電液流量匹配系統(tǒng)

圖2為電液流量匹配系統(tǒng)簡(jiǎn)圖,包括動(dòng)力源、閥前壓力補(bǔ)償器和多路閥。壓力補(bǔ)償器通過(guò)控制各多路閥壓差保持不變,進(jìn)而消除負(fù)載壓力對(duì)流量的影響。假設(shè)液壓缸1為重載執(zhí)行器,液壓缸2為輕載執(zhí)行器。

圖2 電液流量匹配系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

根據(jù)流量匹配控制方式,多路閥通過(guò)流量?jī)H由開口面積決定,多路閥通過(guò)流量為:

(1)

式中,qi——多路閥i進(jìn)油路通過(guò)的流量,其中,i=1,2

ui——多路閥i輸入信號(hào)

A(ui)——多路閥i進(jìn)油路的閥口面積

Cd——流量系數(shù)

ρ——油液密度

Δpi——多路閥i進(jìn)油路的閥口壓差

pd——壓力補(bǔ)償器預(yù)設(shè)壓力

此時(shí)重載執(zhí)行器的補(bǔ)償器1全開,則輕載執(zhí)行器的補(bǔ)償器2需減小開口,用以保持兩個(gè)多路閥壓差等于補(bǔ)償器設(shè)定壓力。兩個(gè)壓力補(bǔ)償器的壓力損失分別為:

Δpr1=pr

(2)

Δpr2=pr+(pA1-pA2)

(3)

式中,Δpr1,Δpr2——壓力補(bǔ)償器1,2壓損

pr——壓力補(bǔ)償器全開時(shí)壓損

pA1,pA2——液壓缸1,2無(wú)桿腔壓力

忽略在液壓管路造成的壓力損失,液壓系統(tǒng)輸出壓力為:

ps=pA1+pd+Δpr1=pA1+pd+Δpr

(4)

假設(shè)液壓缸有桿腔壓力pB=0,則系統(tǒng)的節(jié)流損失為:

Ploss=q1pd+q1pr+q2pd+q2pr+q2(pA1-pA2)

(5)

忽略在液壓管路造成的壓力損失,電液流量匹配系統(tǒng)輸出功率為:

Ps=pA1q1+pA2q2+Ploss=pA1q1+pA2q2+

q1pd+q1pr+q2pd+q2pr+q2(pA1-pA2)

(6)

從式(5)和式(6)可以看出,出現(xiàn)了由各液壓缸進(jìn)油腔壓力差造成的能耗添加項(xiàng)q2(pA1-pA2),且隨著執(zhí)行器載荷差異的增加,這部分能耗會(huì)進(jìn)一步增大,嚴(yán)重降低了系統(tǒng)能效。

2.2 載荷差異儲(chǔ)能均衡系統(tǒng)

當(dāng)保持和圖2所示電液流量匹配系統(tǒng)相同的液壓缸尺寸和運(yùn)行工況,可以將多執(zhí)行器載載荷差異儲(chǔ)能均衡系統(tǒng)簡(jiǎn)化為如圖3所示。

圖3 多執(zhí)行器載荷差異儲(chǔ)能均衡系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

相比電液流量匹配系統(tǒng),新提出的系統(tǒng)去掉了閥前壓力補(bǔ)償器,并通過(guò)電液儲(chǔ)能單元對(duì)輕載執(zhí)行器出油腔壓力進(jìn)行調(diào)控,進(jìn)而使各進(jìn)油腔壓力相等。多路閥的進(jìn)油口壓差為:

Δp1=Δp2=pd

(7)

液壓系統(tǒng)輸出壓力為:

ps=pA1+Δp1=pA2+Δp2=pA1+pd

(8)

由于輕載液壓缸2負(fù)載力,不受出油腔壓力調(diào)控影響,因此可以得到液壓缸2調(diào)控后的有桿腔壓力為:

pB2=(pA1-pA2)α

(9)

α=AA/AB

(10)

式中,α——液壓缸兩腔有效面積比

AA——液壓缸無(wú)桿腔有效面積

AB——液壓缸有桿腔有效面積

通過(guò)電液儲(chǔ)能單元可回收的液壓功率為:

Pre=pB2q2/α=(pA1-pA2)q2

(11)

此時(shí)液壓系統(tǒng)的節(jié)流損失為:

Ploss=q1Δp1+q2Δp2=(q1+q2)pd

(12)

載荷差異儲(chǔ)能均衡系統(tǒng)的輸出功率為:

Ps=pA1q1+pA2q2+Ploss

=pA1q1+pA2q2+(q1+q2)pd

(13)

通過(guò)上述分析,可以得到電液流量匹配系統(tǒng)和多執(zhí)行器載荷差異儲(chǔ)能均衡系統(tǒng)的功率分配特性,如圖4所示。通過(guò)電液儲(chǔ)能單元對(duì)輕載執(zhí)行器出油腔壓力進(jìn)行調(diào)控,使各執(zhí)行器進(jìn)油腔壓力相等?？梢钥闯?相比電液流量匹配系統(tǒng),本研究所提出的載荷差異儲(chǔ)能均衡系統(tǒng)系統(tǒng),有效消除了載荷差異造成的節(jié)流損失和壓力補(bǔ)償器造成的節(jié)流損失。并通過(guò)電液儲(chǔ)能單元將原來(lái)由載荷差異造成的能量損失進(jìn)行了回收。

圖4 系統(tǒng)能耗對(duì)比

3 仿真模型構(gòu)建

本研究選用工程機(jī)械中最為典型的液壓挖掘機(jī)作為應(yīng)用對(duì)象,通過(guò)動(dòng)臂和鏟斗復(fù)合動(dòng)作,對(duì)所提出的多執(zhí)行器載荷差異儲(chǔ)能均衡系統(tǒng)的運(yùn)行特性和能效特性進(jìn)行研究。

對(duì)實(shí)驗(yàn)室某37 t液壓挖掘機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)繪,并結(jié)合液壓控制系統(tǒng)中主要元件的主要參數(shù),利用多學(xué)科聯(lián)合仿真軟件SimulationX,構(gòu)建出載荷差異儲(chǔ)能均衡液壓挖掘機(jī)的聯(lián)合仿真模型如圖5所示。

圖5 載荷差異儲(chǔ)能均衡液壓挖掘機(jī)仿真模型

如圖5所示,載荷差異儲(chǔ)能均衡液壓挖掘機(jī)聯(lián)合仿真模型包括液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)3部分。該模型充分考慮了各液壓元件的效率,以及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連接副和質(zhì)心位置。在仿真過(guò)程中,能夠真實(shí)反映37 t液壓挖掘機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的慣性質(zhì)量和負(fù)載力。仿真模型主要參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模型主要參數(shù)

4 動(dòng)臂/鏟斗復(fù)合運(yùn)行特性

為充分分析本研究所提系統(tǒng)在多執(zhí)行器復(fù)合動(dòng)作時(shí)的運(yùn)行特性和能效特性,本研究選用工程機(jī)械典型的電液流量匹配系統(tǒng)作為對(duì)比對(duì)象。在空載工況下,控制液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂和鏟斗復(fù)合動(dòng)作,動(dòng)作軌跡如圖6所示,可分為R1和R2兩個(gè)階段。在R1階段,同時(shí)控制動(dòng)臂液壓缸伸出和鏟斗液壓缸縮回,模擬液壓挖掘機(jī)卸載動(dòng)作;在R2階段,同時(shí)控制動(dòng)臂液壓缸縮回和鏟斗液壓缸伸出,使動(dòng)臂和鏟斗返回原來(lái)位置。

圖6 動(dòng)臂/鏟斗復(fù)合動(dòng)作軌跡

4.1 電液流量匹配系統(tǒng)

電液流量匹配系統(tǒng)的運(yùn)行特性如圖7所示。圖7a為動(dòng)臂液壓缸和鏟斗液壓缸的速度和負(fù)載力,圖7b為動(dòng)臂液壓缸和鏟斗液壓缸的兩腔壓力和位移。

圖7 電液流量匹配系統(tǒng)運(yùn)行特性

定義液壓缸輸出力為:

FL=pAAA-pBAB

(14)

可以看出在1～5.1 s的R1階段,動(dòng)臂和鏟斗液壓缸同時(shí)動(dòng)作完成卸載動(dòng)作時(shí),動(dòng)臂液壓缸負(fù)載力Fbm大于鏟斗液壓缸負(fù)載力Fbt,兩執(zhí)行器載荷差異明顯,動(dòng)臂液壓缸為重載執(zhí)行器。當(dāng)動(dòng)臂和鏟斗同時(shí)接收控制信號(hào)時(shí),動(dòng)臂液壓缸速度vbm在滯后鏟斗液壓缸速度vbt約160 ms才開始響應(yīng)動(dòng)作,嚴(yán)重影響了操作人員駕駛體驗(yàn)。此時(shí)動(dòng)臂液壓缸進(jìn)油腔壓力pA_bm約為11.8 MPa,并且存在明顯波動(dòng),鏟斗液壓缸進(jìn)油腔壓力pB_bt約為5.8 MPa,液壓泵出口壓力由pA_bm決定。在7.5～11.3 s的R2階段,動(dòng)臂/鏟斗液壓缸復(fù)位時(shí),動(dòng)臂液壓缸在執(zhí)行機(jī)構(gòu)重力作用下縮回,兩液壓缸進(jìn)油腔壓力基本相等。

如圖8a所示為動(dòng)臂和鏟斗液壓回路中壓力補(bǔ)償器的壓力損失和功率損失,如圖8b所示為系統(tǒng)功率及能耗。在R1階段,液壓泵輸出壓力由動(dòng)臂無(wú)桿腔壓力決定,為保證動(dòng)臂和鏟斗的多路閥進(jìn)油路壓差相等,鏟斗補(bǔ)償閥的壓差Δpr_bt達(dá)9.6 MPa,節(jié)流損失Pr_bt達(dá)15.4 kW,這部分能量損失正是由兩執(zhí)行載荷差異造成;液壓系統(tǒng)輸出功率Ps平均值約為131.3 kW,系統(tǒng)節(jié)流損失Pts約為30.3 kW。在R2階段動(dòng)臂/鏟斗復(fù)位過(guò)程中,Ps平均值45.2 kW,此時(shí)動(dòng)臂重力勢(shì)能全部通過(guò)多路閥節(jié)流損失耗散,系統(tǒng)節(jié)流損失Pts達(dá)到約118.1 kW。

圖8 電液流量匹配系統(tǒng)能量特性

電液流量匹配系統(tǒng)控制動(dòng)臂/鏟斗的整個(gè)運(yùn)行周期,系統(tǒng)由節(jié)流作用造成能量損失Ets為440.2 kJ,系統(tǒng)能耗Es為527.9 kJ。根據(jù)式(15)可以計(jì)算得到系統(tǒng)平均能效為17%。

(15)

4.2 載荷差異儲(chǔ)能均衡系統(tǒng)

當(dāng)采用所提出的載荷差異儲(chǔ)能均衡系統(tǒng),控制動(dòng)臂/鏟斗按照?qǐng)D6所示軌跡復(fù)合動(dòng)作,如圖9所示為動(dòng)臂/鏟斗復(fù)合動(dòng)作的運(yùn)行特性曲線。

圖9 載荷差異儲(chǔ)能均衡系統(tǒng)運(yùn)行特性

從圖9可以看出,在1～5.1 s的R1階段,動(dòng)臂/鏟斗液壓缸完成卸載動(dòng)作。動(dòng)臂液壓缸相比鏟斗液壓缸為重載執(zhí)行器,此時(shí)通過(guò)鏟斗回路比例閥,控制電液儲(chǔ)能單元與鏟斗液壓缸出油腔連接,對(duì)無(wú)桿腔壓力進(jìn)行調(diào)控。相比電液流量匹配系統(tǒng),動(dòng)臂液壓缸速度vbm在滯后鏟斗液壓缸速度vbt約18 ms開始響應(yīng),vbm振蕩3次便趨于平穩(wěn),鏟斗液壓缸速度vbt超調(diào)量減小達(dá)85%,顯著改善了系統(tǒng)運(yùn)行協(xié)調(diào)性與平穩(wěn)性。

在7.5～11.3 s的R2階段動(dòng)臂/鏟斗液壓缸復(fù)位時(shí),動(dòng)臂液壓缸處于超越縮回工況。此時(shí)通過(guò)動(dòng)臂回路比例閥,控制電液儲(chǔ)能單元與動(dòng)臂液壓缸出油腔連接,將動(dòng)臂重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換液壓能和電能儲(chǔ)存。動(dòng)臂和鏟斗液壓缸速度平穩(wěn),運(yùn)行特性和電流流量匹配系統(tǒng)基本相同。

在動(dòng)臂和鏟斗整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中,通過(guò)電液儲(chǔ)能單元對(duì)執(zhí)行器出油腔壓力進(jìn)行調(diào)控,從圖9b可以看出,動(dòng)臂和鏟斗液壓缸進(jìn)油腔壓力幾乎相等,從而成功消除了載荷差異造成了額外節(jié)流損失。此時(shí),動(dòng)臂和鏟斗回路多路閥的進(jìn)油口壓差相等,使載荷差異儲(chǔ)能均衡系統(tǒng)自然具有了傳統(tǒng)壓力補(bǔ)償器的壓差調(diào)控功能。

圖10所示為載荷差異儲(chǔ)能均衡系統(tǒng)的能效特性。由于去掉了壓力補(bǔ)償器,動(dòng)臂/鏟斗在R1和R2運(yùn)行過(guò)程中,系統(tǒng)輸出功率Ps平均值降低至約為125.8 kW和39.4 kW;節(jié)流損失Pts分別降低至14.1 kW和30.2 kW。同時(shí),原來(lái)在電液流量匹配系統(tǒng)中由于執(zhí)行器載荷差異和動(dòng)臂下降時(shí)造成的節(jié)流損失,在本系統(tǒng)中通過(guò)電液儲(chǔ)能單元轉(zhuǎn)換為液壓能和電能進(jìn)行儲(chǔ)存,電液儲(chǔ)能單元入口的可回收功率為Pc,對(duì)應(yīng)的能量回收功率為Pre。對(duì)Ps,Pts,Pc和Pre進(jìn)行積分,可以得到動(dòng)臂和鏟斗復(fù)合動(dòng)作一個(gè)周期,系統(tǒng)能耗Es為507 kJ,節(jié)流損失造成能量損失Ets為109 kJ,可回收能量為Ec為331 kJ,通過(guò)蓄能器和超級(jí)電容回收能量Ere為219 kJ。

圖10 載荷差異儲(chǔ)能均衡系統(tǒng)能量特性

動(dòng)臂鏟斗復(fù)合動(dòng)作一個(gè)周期,與電液流量匹配系統(tǒng)相比,載荷差異儲(chǔ)能均衡系統(tǒng)能耗和節(jié)流損失分別減小了約3.9%和75.2%。并且,根據(jù)式(16),得到系統(tǒng)能量回收效率為66.2%;根據(jù)式(17)計(jì)算得到系統(tǒng)平均能效為56%。

(16)

(17)

5 結(jié)論

本研究提出了載荷差壓電液儲(chǔ)能均衡原理,集成了消除載荷差異節(jié)流損失和回收?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)能量的優(yōu)點(diǎn),分析了37 t液壓挖掘機(jī)在動(dòng)臂/鏟斗復(fù)合動(dòng)作工況下的運(yùn)行特性和能效特性。通過(guò)對(duì)輕載執(zhí)行器出油腔壓力進(jìn)行調(diào)控,使各執(zhí)行器的多路閥壓差保持相等。載荷差壓電液儲(chǔ)能均衡系統(tǒng)消除了載荷差異造成的節(jié)流損失。與電液流量匹配系統(tǒng)相比,載荷儲(chǔ)能均衡系統(tǒng)節(jié)流損失降低了75%,系統(tǒng)平均效率提升了39%。電液儲(chǔ)能單元可以通過(guò)混合動(dòng)力方式,和主液壓泵共同驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器運(yùn)行。因此,未來(lái)的研究工作將集中在回收能量的高效利用,以進(jìn)一步降低系統(tǒng)能耗。