高負(fù)壓液壓油缸系統(tǒng)流量再生液壓閥再設(shè)計(jì)和能效分析

李曉祥,王安麟,樊旭燦

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院,201804,上海)

隨著不可再生能源的日益枯竭和對(duì)環(huán)境的重視,鋼鐵、內(nèi)燃機(jī)和動(dòng)力機(jī)械等行業(yè)開(kāi)始通過(guò)各種途徑回收浪費(fèi)的能量或提高能源利用率[1-7]。液壓油缸廣泛應(yīng)用于挖掘機(jī)、推土機(jī)和裝載機(jī)等土方機(jī)械,機(jī)器工作裝置在下降過(guò)程中通過(guò)油缸將勢(shì)能釋放,油缸無(wú)桿腔形成高負(fù)壓,影響機(jī)器作業(yè)精度與效率。同時(shí),工作裝置快降過(guò)程中的能量再利用被關(guān)注,對(duì)降低機(jī)器的能耗具有重要意義。

目前,用于工作裝置勢(shì)能的方法有電力式、液壓式和流量再生式。Lin等通過(guò)液壓馬達(dá)與電機(jī)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)油缸勢(shì)能的回收與轉(zhuǎn)換[8-9],Lu等通過(guò)蓄能器作為儲(chǔ)能單元進(jìn)行油缸勢(shì)能回收[10-12],王慶豐等提出了帶蓄能器的電力式勢(shì)能回收系統(tǒng)[13-16],吳文海等利用節(jié)流閥控制回油流量與馬達(dá)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)油缸勢(shì)能的利用[17-18]。在土方機(jī)械領(lǐng)域,油缸動(dòng)作較為緩慢時(shí),對(duì)流量再生式的勢(shì)能利用多采用調(diào)節(jié)回油背壓的方法[19];油缸動(dòng)作較快時(shí),多采用油缸與流量再生液壓閥直接相連實(shí)現(xiàn)流量再生的方法,研究多集中在對(duì)油缸用流量再生閥功能及原理的闡述和使用過(guò)程中閥的性能測(cè)試及故障解決方法上[20-22]。油缸用流量再生液壓閥機(jī)理及相關(guān)理論的研究較少,采用N-S方程對(duì)流量再生液壓閥閥芯與閥體之間配合間隙的理論進(jìn)行了分析[23]。李曉祥等對(duì)多路閥流量特性系數(shù)對(duì)流量再生液壓閥的性能影響程度進(jìn)行了理論計(jì)算及改進(jìn),有效降低了非再生油液的壓力損失[24]。

本文以推土機(jī)用流量再生液壓閥為研究對(duì)象,采用將非再生流量回路固定液阻改為可變液阻、并與再生流量回路可變液阻差動(dòng)聯(lián)控的方法,對(duì)液壓閥進(jìn)行再設(shè)計(jì)。通過(guò)小樣本2 000 h以上試驗(yàn)驗(yàn)證,液壓閥流量再生供油率和工作裝置快降作業(yè)效率分別提升29%和27%以上,降低了油缸無(wú)桿腔負(fù)壓,減少了能耗損失。

1 流量再生液壓閥性能分析

1.1 閥結(jié)構(gòu)和原理

高負(fù)壓油缸液壓系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖和閥結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,完整的液壓系統(tǒng)由操控手柄、工作泵、多路閥、油箱、兩個(gè)流量再生液壓閥、兩個(gè)油缸和連接的管路組成,通過(guò)多路閥控制油缸進(jìn)出油來(lái)實(shí)現(xiàn)工作裝置上升與下降,圖中a為再生回路節(jié)流孔直徑,b、d為非再生回路節(jié)流孔直徑,k為閥芯復(fù)位彈簧剛度。工作原理如下:通過(guò)操作多路閥實(shí)現(xiàn)多路閥換向,當(dāng)油液通過(guò)多路閥由P2經(jīng)P0流向油缸有桿腔、無(wú)桿腔油液由P1經(jīng)多路閥流向油箱時(shí),工作裝置上升;多路閥相反方向操作時(shí),工作裝置在重力作用下快速下降,當(dāng)液壓閥流量再生功能開(kāi)啟后,油缸有桿腔的油液一部分由P0流向P1(再生回路),剩余部分由P0經(jīng)P2回油箱(非再生回路)。

圖1 液壓系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖和閥結(jié)構(gòu)圖

增加油缸無(wú)桿腔再生油液可降低其負(fù)壓,通過(guò)理想條件狀態(tài)方程來(lái)說(shuō)明,即

PV=nRT

(1)

式中:P為無(wú)桿腔內(nèi)壓力;V為無(wú)桿腔體積;n為物質(zhì)的量;R為物質(zhì)常數(shù);T為無(wú)桿腔溫度。假設(shè)T無(wú)變化,油缸無(wú)桿腔密封性良好。當(dāng)液壓閥流量再生功能未開(kāi)啟時(shí),PV等于常數(shù),工作裝置在自身重力的作用下快速下降至地面,V增大,P減小。當(dāng)液壓閥流量再生功能開(kāi)啟后,再生油液進(jìn)入油缸無(wú)桿腔,n增加,V受油缸行程限制保持不變,P增大使負(fù)壓減少,通過(guò)增加油缸無(wú)桿腔再生油液可降低其負(fù)壓。

1.2 閥性能分析

油缸與流量再生液壓閥直接連接,再生流量難以直接測(cè)量,可通過(guò)間接測(cè)量與計(jì)算的方法獲得,再生流量供油體積、供油率和非再生油液能量損失的計(jì)算式為

(2)

(3)

(4)

式中:Vin為泵供油體積;ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;Vg=117 mL/r為泵的排量;ηv=0.9為泵容積效率;i=0.855為傳動(dòng)比;t為快降時(shí)間;η為流量再生供油率;V1=19.905 L為油缸無(wú)桿腔體積;V0=12.13 L為油缸有桿腔體積;Eloss為非再生油液能量損失;t0為生成非再生油液開(kāi)始時(shí)間;tf為生成非再生油液結(jié)束時(shí)間;P2、Q2為非再生油液的壓力、流量。

測(cè)試儀器為Hydrotechink5060和HT-PD壓力傳感器,以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne=800,1 900 r/min、油溫為(50±5) ℃、工作裝置于最高位置快速下降為測(cè)試條件。不同轉(zhuǎn)速下油缸無(wú)桿腔壓力曲線如圖2所示,在此基礎(chǔ)上的計(jì)算結(jié)果如表1所示。由圖2可知:流量再生液壓閥供油率約為58%,再生油液少;非再生流量能量損失和無(wú)桿腔負(fù)壓較高,同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)液壓閥流量再生性能影響非常小。

(a)ne=800 r/min (b)ne=1 900 r/min圖2 不同轉(zhuǎn)速下油缸無(wú)桿腔壓力曲線

ne/r·min-1Vin/Lt/sη/%Pmin/MPaEloss/J80012.8087.858.5-0.061 63 9251 90012.873.358-0.063 03 974

(a)仿真模型

(b)壓力流量曲線圖3 仿真模型和壓力流量曲線

(a)影響權(quán)重及主效應(yīng)

(b)因子交互效應(yīng)圖4 改進(jìn)前各項(xiàng)效應(yīng)的顯著性分析

為更好地對(duì)液壓閥流量再生性能進(jìn)行分析,建立了系統(tǒng)仿真模型并標(biāo)定,如圖3所示。通過(guò)析因分析,各因子和因子組合對(duì)流量再生供油率的影響權(quán)重β如圖4所示。由圖4可知,非再生流量回路的固定液阻參數(shù)b、d以及兩者交互作用對(duì)液壓閥流量再生供油率為顯著負(fù)相關(guān)效應(yīng),減小b、d能有效提高液壓閥流量再生供油率,同時(shí)增加工作裝置上升時(shí)非再生回路中的能量損失。

對(duì)流量再生液壓閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,4個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的約束條件為:6.5 mm≤a≤8.5 mm,6 mm≤b≤10 mm,5 N/mm≤k≤9 N/mm,11 mm≤d≤15 mm。優(yōu)化后數(shù)據(jù)a=6.5 mm,b=6 mm,k=5 N/mm,d=11 mm,最大流量再生供油率ηmax=72.86%,相對(duì)偏低,同時(shí)液阻參數(shù)b、d的減小增加了非再生回路液阻和工作裝置上升時(shí)的能量損失。

2 液阻差動(dòng)聯(lián)控液壓閥的設(shè)計(jì)思路

高負(fù)壓液壓油缸系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖5所示,油缸有桿腔液壓回路由可變液阻再生回路和固定液阻非再生回路Q0、Q1、Q2組成,非再生回路固定液阻R2由b、d組成。為更好地提高液壓閥流量再生供油率,降低非再生油液和工作裝置提升時(shí)的能量損失,對(duì)流量再生液壓閥進(jìn)行再設(shè)計(jì)。本文所提液壓系統(tǒng)將非再生流量回路固定液阻R2設(shè)計(jì)為可變液阻,并與再生油路可變R1差動(dòng)聯(lián)控。通過(guò)液壓閥結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使液阻R1、R2反方向變化,位置0為閥芯初始位置,位置①表示液阻R1增大同時(shí)液阻R2減小,位置②表示液阻R1減小同時(shí)液阻R2增大。工作裝置自重壓力P0、P2形成的壓差驅(qū)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng),調(diào)節(jié)液阻R1、R2大小,從而控制再生流量與非再生流量的分配。再設(shè)計(jì)的液壓閥可實(shí)現(xiàn)工作裝置下降時(shí)非再生油路可變液阻R2的最大化,同時(shí)減少工作裝置上升時(shí)的能量損失。

(a)改進(jìn)前 (b)改進(jìn)后 圖5 改進(jìn)前、后的液壓系統(tǒng)

3 液阻差動(dòng)聯(lián)控液壓閥再設(shè)計(jì)

再設(shè)計(jì)的流量再生液壓閥結(jié)構(gòu)圖和仿真模型如圖6所示。閥芯結(jié)構(gòu)整體化,可實(shí)現(xiàn)再生回路可變液阻和非再生回路可變液阻的差動(dòng)聯(lián)控。在再設(shè)計(jì)閥中原結(jié)構(gòu)參數(shù)k、d保持不變,再設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)為k1、k2、l1、l2,其中k1與再生流量可變液阻直接相關(guān),k2與非再生流量可變液阻直接相關(guān),l1為再生流量開(kāi)啟尺寸且與液壓閥密封性有關(guān),l2為非再生流量控制參數(shù)。

(a)再設(shè)計(jì)閥結(jié)構(gòu)

(b)仿真模型圖6 再設(shè)計(jì)閥結(jié)構(gòu)和仿真模型

為更好地分析液壓閥流量再生供油率與其結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系以及優(yōu)化該閥的流量再生性能,首先對(duì)流量再生液壓閥閥芯和流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模,使試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)與影響因素明確化;然后通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,分析各項(xiàng)效應(yīng)的顯著性,采用響應(yīng)面方法建立響應(yīng)面模型,解決自由度多、計(jì)算量大的問(wèn)題;最后在響應(yīng)面模型基礎(chǔ)上對(duì)其性能優(yōu)化。再生閥再設(shè)計(jì)流程如圖7所示,通過(guò)建立閥結(jié)構(gòu)與流量再生性能的數(shù)理模型,使閥使用性能和結(jié)構(gòu)性能得到了綜合優(yōu)化。

圖7 流量再生閥再設(shè)計(jì)流程圖

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及參數(shù)敏感性

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne對(duì)流量再生供油率影響甚微,通過(guò)仿真模型ne=1 900 r/min時(shí)獲取試驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。選取結(jié)構(gòu)參數(shù)k1、k2、l1、l2作為試驗(yàn)設(shè)計(jì)的4個(gè)因子,進(jìn)行全因子析因設(shè)計(jì),以液壓閥流量再生供油率作為響應(yīng),試驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

基于Pareto圖的各因子和因子組合對(duì)流量再生供油率的影響權(quán)重如圖8所示,可知l2、k2為顯著負(fù)相關(guān)主效應(yīng),k2、l2為顯著負(fù)相關(guān)2階交互效應(yīng)。

3.2 流量再生供油率響應(yīng)面模型

通過(guò)析因設(shè)計(jì)及分析,結(jié)合響應(yīng)面方法,建立了流量再生供油率響應(yīng)面模型,并選用15組數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行校正。響應(yīng)面模型和系數(shù)R2的計(jì)算公式為

(5)

(6)

式中:m0、mi、nij為待定系數(shù);X為結(jié)構(gòu)參數(shù)變量;z為結(jié)構(gòu)參數(shù)變量數(shù);yrsm(i)、y(i)為各點(diǎn)的響應(yīng)面函數(shù)值、仿真數(shù)值;y為各點(diǎn)仿真值的均值;N為檢驗(yàn)點(diǎn)數(shù)。判定系數(shù)R2反映響應(yīng)面模型與仿真值之間的差異程度,數(shù)值越接近1,近似表達(dá)精度越高。

(a)影響權(quán)重及主效應(yīng)圖

(b)因子交互效應(yīng)圖圖8 改進(jìn)后各項(xiàng)效應(yīng)的顯著性分析

通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面方法相結(jié)合得到的再設(shè)計(jì)液壓閥流量再生供油率響應(yīng)面模型為

η=1.324 34-0.006 056k1+0.015 415k2+

0.002 108l1-0.027 647l2+0.000 505k1l2-

0.001 313k2l2-0.000 108l1l2

(7)

通過(guò)式(6)可得R2=0.999 8,說(shuō)明響應(yīng)面模型與仿真模型基本一致。使用響應(yīng)面模型作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),能有效解決自由度多、計(jì)算量大的問(wèn)題。

3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分析

設(shè)計(jì)變量X=[k1k2l1l2]T,各變量取值范圍考慮如下因素:流量再生供油率和非再生流量能量損失;在工作裝置上升時(shí)非再生回路的能量損失;再生回路中閥芯與閥體遮蓋量與密封性;液壓閥空間結(jié)構(gòu)的限制。優(yōu)化模型為

minf(X)=1-η

(8)

使用minitab響應(yīng)優(yōu)化器進(jìn)行優(yōu)化,再設(shè)計(jì)流量再生液壓閥結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果和加工尺寸如表3所示,流量再生供油率ηmax約為88.45%。

表3 優(yōu)化前后數(shù)值對(duì)比

4 試驗(yàn)及討論

4.1 試驗(yàn)分析

再設(shè)計(jì)液壓閥在同一臺(tái)推土機(jī)上進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試,該機(jī)以滿載、短距離作業(yè)工況進(jìn)行驗(yàn)證,工作裝置升降頻繁,液壓閥流量再生性能驗(yàn)證頻次增加。前500 h內(nèi)每100 h測(cè)試1次,500 h后每300 h測(cè)試1次,每次采集10組數(shù)據(jù)。選取的一段油缸無(wú)桿腔壓力曲線如圖9所示,測(cè)試以及通過(guò)式(2)～(4)計(jì)算的數(shù)據(jù)結(jié)果如表4所示。由表4可知:再設(shè)計(jì)閥的供油率與響應(yīng)面函數(shù)最大誤差為1%,符合設(shè)計(jì)要求;工作裝置快降過(guò)程作業(yè)時(shí)間t、無(wú)桿腔負(fù)壓Pmin和非再生油液能量損失Eloss均減少;受時(shí)間t減少影響,泵供油體積Vin減小;在ne=800,1 900 r/min時(shí),Vin、Pmin、Eloss和η值基本一致。

(a)ne=800 r/min (b)ne=1 900 r/min圖9 不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下油缸無(wú)桿腔壓力曲線

ne/r·min-1Vin/Lt/sη/%Pmin/MPaEloss/J8009.285.6587.6-0.0439.91 9009.242.3787.9-0.040 839.2

不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下流量再生液壓閥再設(shè)計(jì)前后系統(tǒng)性能指標(biāo)提升百分比如圖10所示。由圖10可知:再設(shè)計(jì)流量再生液壓閥使工作裝置下降過(guò)程作業(yè)效率提高27%以上,流量再生油液體積Δ(V1-Vin)、供油率η分別增加47%、29%以上,油缸無(wú)桿腔負(fù)壓降低約35%,非再生流量油液的能量損失減少99%,進(jìn)一步驗(yàn)證了流量再生液壓閥的再設(shè)計(jì)能有效提高工作裝置快降作業(yè)效率、降低油缸無(wú)桿腔負(fù)壓和減少非再生油液的能量損失。

圖10 不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)性能指標(biāo)提升百分比

4.2 討論

ne=1 900 r/min時(shí)液壓閥再設(shè)計(jì)前后非再生油液的壓力和流量時(shí)間歷程如圖11所示。由圖11可知:工作裝置快降開(kāi)始階段,閥再設(shè)計(jì)前后非再生油液的壓力和流量比較接近;隨著閥芯運(yùn)動(dòng),非再生流量回油可變液阻快速減小,使得壓力和流量迅速下降。與原閥相比,再設(shè)計(jì)閥非再生流量和壓力均非常小,故非再生油液的能量損失顯著減少。

①:原液壓閥非再生油液流量曲線;②:原液壓閥非再生油液壓力曲線;③:再設(shè)計(jì)閥閥芯位移曲線;④:再設(shè)計(jì)液壓閥非再生油液流量曲線;⑤:再設(shè)計(jì)液壓閥非再生油液壓力曲線圖11 非再生油液能效分析圖

圖12 液壓閥再設(shè)計(jì)前后剖視結(jié)構(gòu)

采用本文再設(shè)計(jì)方法的理念和流程,對(duì)某土方機(jī)械油缸用流量再生液壓閥進(jìn)行再設(shè)計(jì),液壓閥再設(shè)計(jì)前、后剖視結(jié)構(gòu)如圖12所示。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試與驗(yàn)證,流量再生供油率和快降作業(yè)效率分別提高了20%、15%以上,進(jìn)一步驗(yàn)證了本文方法的可行性。

5 結(jié) 論

(1)高負(fù)壓液壓油缸系統(tǒng)中流量再生液壓閥的再設(shè)計(jì)能夠提高機(jī)器工作裝置快降作業(yè)效率和降低非再生回路的能量損失,使工作裝置的部分勢(shì)能得到利用。

(2)液壓回路中液阻差動(dòng)聯(lián)控的設(shè)計(jì)理念擴(kuò)展了工作裝置勢(shì)能利用中流量再生式的方法。

(3)對(duì)于液壓閥流量再生供油率與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的復(fù)雜關(guān)系,借助試驗(yàn)設(shè)計(jì)與響應(yīng)面方法,可使復(fù)雜映射關(guān)系的理論表達(dá)更直觀,有利于再設(shè)計(jì)分析。

(4)目前,對(duì)再設(shè)計(jì)閥的驗(yàn)證已超過(guò)2 000 h以上,再生供油率等性能穩(wěn)定,證明本文方法在一定程度上能有效解決高負(fù)壓帶來(lái)的問(wèn)題。