基于變頻液壓技術的起豎系統(tǒng)節(jié)能研究

鄧飆，劉連偉

(第二炮兵工程大學，陜西西安 710025)

液壓傳動具有傳動平穩(wěn)、調速方便、功率體積比大等優(yōu)點［1］。同時，液壓產品的設計與制造要考慮適應環(huán)境生態(tài)發(fā)展的要求，開發(fā)研制環(huán)保、節(jié)能型產品是今后工程機械發(fā)展的趨勢［2］，研究液壓系統(tǒng)的節(jié)能技術具有重要的實際意義。某型導彈的車載發(fā)射裝置是一種采用液壓驅動的復雜機電液大型設備，其起豎系統(tǒng)液壓回路采用節(jié)流控制，通過各種閥控制液壓缸的輸入流量和壓力適應負載的變化，實現(xiàn)大型設備快速平穩(wěn)起豎。節(jié)流控制時，系統(tǒng)存在較大節(jié)流損失和溢流損失［3-4］，因此系統(tǒng)的能量利用率不高，而且過大的節(jié)流和溢流損失還會導致嚴重的油液溫升，損害系統(tǒng)的使用壽命。變頻液壓技術是一種新型的節(jié)能傳動方式，它的結構形式是變頻器+電機+定量泵，通過變頻器改變供電電源的頻率調節(jié)電機轉速，電機驅動定量泵改變轉速，這樣就可以調整泵的輸出流量以適應負載的流量變化，因此采用變頻液壓技術可以減小液壓回路的節(jié)流損失和溢流損失，提高系統(tǒng)的能量利用率［5-8］。

1 起豎系統(tǒng)介紹和建模

1.1 起豎系統(tǒng)工作原理

圖1 為起豎系統(tǒng)研究試驗平臺工作原理簡圖，起豎系統(tǒng)由執(zhí)行機構、液壓回路和控制系統(tǒng)組成。執(zhí)行機構由起豎臂、二級液壓缸組成，負責完成負載起豎和撤收回平;液壓回路由各類閥、電機、泵和變頻器組成，負責向執(zhí)行機構提供動力;控制系統(tǒng)由工控機、數(shù)據(jù)采集卡、控制軟件、監(jiān)控診斷系統(tǒng)軟件、指令按鈕、信號調理箱以及通信單元組成，它的輸入信號來自于角位移傳感器采集的角度信號，輸出比例流量閥和變頻器的控制信號調整起豎臂的運動狀態(tài)。

圖1 起豎系統(tǒng)工作原理簡圖

當液壓回路開始工作時，三相電源由變頻器9 的輸入側接入，變頻器將380 V/50 Hz 的工頻電源轉換成特定頻率特定電壓的電壓信號供給異步電機10，電機10 帶動液壓泵11 旋轉，油泵11 輸出壓力油經比例流量閥8、換向閥6、雙向平衡閥5 驅動執(zhí)行機構運動，使負載由水平狀態(tài)轉變?yōu)槠鹭Q狀態(tài)，油缸反腔的低壓油經雙向平衡閥5、換向閥6 流回油箱。根據(jù)安裝在起豎臂上的角度傳感器采集的信號，控制系統(tǒng)調整變頻器和比例流量閥的輸入信號，進而控制起豎臂運動狀態(tài)。

1.2 起豎系統(tǒng)的建模

根據(jù)系統(tǒng)的工作原理圖，利用AMESim 建立的起豎機械液壓系統(tǒng)模型如圖2 所示。

圖2 起豎機械液壓系統(tǒng)AMESim 模型

2 起豎系統(tǒng)傳統(tǒng)節(jié)流方案與復合方案介紹

2.1 起豎系統(tǒng)節(jié)流控制方案

起豎系統(tǒng)的傳統(tǒng)控制方案是節(jié)流控制方案，節(jié)流控制方案框圖如圖3 所示，Simulink 模型如圖4 所示。系統(tǒng)通過比例流量閥控制液壓缸輸入、輸出流量和壓力，從而驅動負載按照設定的規(guī)律運動。這種控制方法的優(yōu)點是控制方法相對簡單、控制精度高，但是它僅能在泵源以外的液壓回路范圍內考慮節(jié)能問題。在起豎系統(tǒng)工作時，電機一直處于最大功率輸出狀態(tài)，但是實際的運行過程中，大部分時間內電機都處于欠負載運行狀態(tài)，因此系統(tǒng)能量利用率并不高。

圖3 節(jié)流控制方案框圖

圖4 Simulink 仿真模型

2.2 起豎系統(tǒng)復合控制方案

根據(jù)多級液壓缸起豎系統(tǒng)的特點，提出了復合控制方案，其框架如圖5 所示。復合控制方案將電機及其整個動力傳動鏈都考慮進去，讓泵源的輸出功率與負載所需的功率相匹配，從而實現(xiàn)節(jié)能。這種控制方法相對復雜，控制的難度也有所增加，但是它是從系統(tǒng)的角度和全局的觀點來考慮系統(tǒng)的節(jié)能問題。

圖5 復合控制方案框圖

設電機的輸入功率為N1，電機的輸出功率為N2，則電機的功率損失ΔN1為:

式中:ΔN1包括電機的銅損、鐵損及機械損耗等［6-8］。如設泵的容積效率為η1，機械效率為η2，則液壓泵的輸出功率N3為:

電機的輸出功率N2為:

泵的功率損失ΔN2為:

設缸的機械效率為η3，則缸的輸出功率N4為:

式中:p1為液壓缸正腔壓力;

p2為液壓缸反腔壓力;

Q2為液壓缸正腔流量;

Q3為液壓缸反腔流量。

液壓缸的功率損失和節(jié)流溢流損失ΔN3為:

系統(tǒng)總的功率損失ΔNq為:

為了計算的方便，忽略電機、泵和液壓缸的功率損失，則液壓回路的功率損失就是節(jié)流、溢流損失，其計算公式如下所示:

起豎運動規(guī)律和負載相同的情況下，無論采用節(jié)流控制方案還是復合控制方案，負載功率是基本相同的，但是采用復合控制方案，可以減小泵源的輸出流量Q1和壓力pp，因而能夠減小節(jié)流和溢流功率損失，提高系統(tǒng)的功率效率。

3 起豎時間不同時節(jié)能效果研究

將變頻器輸入信號輸入到Simulink 模塊中，分別進行40、50、70、80 s 起豎的聯(lián)合仿真，仿真結果如圖6 所示。

圖6 復合控制時液壓回路功率分配圖

采用節(jié)流控制方案，分別進行40、50、60、70、80 s 起豎的聯(lián)合仿真，仿真所得的液壓回路功率分配圖如圖7 所示。

圖7 節(jié)流控制時液壓回路功率分配圖

根據(jù)圖6—7 可以得出結論:起豎系統(tǒng)采用節(jié)流控制方案時，平均泵源輸出功率維持在25 kW 左右;起豎系統(tǒng)采用復合控制時，平均泵源輸出功率減小到了15 kW 左右，功率節(jié)省比達到了35%以上。

4 結論

將變頻液壓技術應用于起豎液壓系統(tǒng)，通過改變輸入變頻器的電壓使得泵源的輸出流量與負載所需的能量相適應。從仿真的結果上看:與傳統(tǒng)的起豎液壓系統(tǒng)相比，采用變頻技術可以明顯減小節(jié)流和溢流損失，達到節(jié)能、提高系統(tǒng)能量利用率的目的。

［1］王意.車輛及各種行走機械用液壓傳動與控制技術展趨勢［J］.工程機械與維修，1997(6):24 -25.

［2］CHEN R，LU J S.Mixture Kaman Filters［J］.J Roy Statist Soc B，2000(3):493 -508.

［3］路甫祥，胡大泌.電液比例控制技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1988.

［4］吳根茂，邱敏秀，王慶豐，等.實用電液比例技術［M］.杭州:浙江大學出版社，1993.

［5］吳林霞.變頻技術的前景及影響其應用的主要因素［J］.廣東水利水電，2001(2):47.

［6］劉向陽，劉杰英.變頻技術的普及前景及其技術保證［J］.信息技術，2002(2):20 -23.

［7］韓安榮.通用變頻器及其應用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2000.

［8］回林，王波.變頻調速技術的發(fā)展與在工業(yè)控制中的應用［J］.水利科技與經濟，2001(7):203 -204.