開式容積與儲能平衡協同控制挖掘機動臂的能效

(太原理工大學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

液壓挖掘機是最主要的工程機械之一，在我國的建設與發展中起著重要的作用，但其特點是能耗高、排放差，多年來提高挖掘機等工程機械的能量利用率一直是該領域的研究熱點[1-2]。研究表明液壓挖掘機的發動機輸出能量利用率僅約20%[3]，因此采用效率更高的電動機代替柴油發動機驅動液壓挖掘機可以顯著提升能效，國內外眾多學者對挖掘機的電動化開展了研究。電動挖掘機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，導致機器作業時間較短，因此必須提升整機能效，在電池容量有限的前提下盡可能延長挖掘機工作時間。現有的研究工作可分為兩個方面，一是提升挖掘機動力源能效，二是降低挖掘機執行機構峰值功率和能耗。

關于提升動力源效率的研究，主要在改變電動機或液壓泵類型方面。現有的電動挖掘機絕大多數是采用定轉速異步電機驅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載需求，但是電機始終以額定轉速運行，存在非工作周期能耗，且負載越低時電動機效率也越低，葛磊等[4]的研究表明當負載功率低于額定功率的50%時，異步電機的效率顯著下降。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驅動定量泵，通過改變電動機的轉速控制液壓泵的輸出流量匹配負載需，為了實現壓力控制，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，而且異步電機動態響應較慢，劉輝等[8]在定量泵出口增設蓄能器并將其油液引入液壓泵入口，以提高動態響應，但是增加了系統的復雜性。采用伺服電機代替異步電機驅動，可降低能耗并提升動態響應。HELDUSER[9]對比研究了異步電機驅動變量泵和伺服電機驅動定量泵這兩種動力源的能耗，結果表明一個設定工作周期內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]提出伺服電機驅動定量泵的流量匹配控制系統，與負載獨立流量分配系統相比可降低挖掘機動臂運行一個周期能耗約13.6%。

關于降低挖掘機執行機構峰值功率和能耗的研究，很多工作是針對挖掘機動臂展開的，因為在動臂下放過程中，大容量的重力勢能經液壓缸轉換為液壓能再經節流閥轉換為熱能耗散掉，造成了能量浪費。管成等[11]提出一種油液混合動力挖掘機動臂勢能回收系統，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動負載，與普通挖掘機相比節能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，存在節流損失。夏連鵬等[12]提出三腔液壓缸與蓄能器構成的液氣儲能驅動一體化方案，對挖掘機動臂勢能直接回收和高效再利用，能量傳遞鏈短、轉換效率高，與普通方案相比節能48.5%，若果將此方案運用在大型液壓挖掘機上，節能效果更加顯著[13]。

為此，在現有研究工作的基礎上，提出一種采用伺服電機驅動定量泵作為動力源的開式容積與儲能平衡協同控制液壓挖掘機動臂原理，建立試驗樣機測試該原理驅動挖掘機動臂的能效，并與采用定轉速異步電機驅動變量泵作為動力源驅動進行試驗對比分析，在保證良好運行特性的前提下，進一步提升整機效率、降低能耗。

1 系統工作原理

圖1所示為開式容積與儲能平衡協同控制挖掘機動臂的回路原理，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，電動機驅動液壓泵向系統供油，動臂上升時，控制閥切換至右位，壓力油進入液壓缸A腔驅動挖掘機動臂上升，蓄能器釋放能量進行輔助驅動；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，重力勢能經液壓缸轉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入B腔防止吸空，動力源部分研究了兩種方案，當采用定轉速異步電機驅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；當采用變轉速伺服電機驅動定量泵作為動力源時，通過改變伺服電機的轉速控制輸出流量。

圖1 開式容積與儲能平衡協同控制挖掘機動臂回路原理

2 系統數學模型

根據三腔液壓缸結構和液壓系統回路原理推導數學模型，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—— 工作裝置質量

a—— 液壓缸加速度

B—— 阻尼系數

v—— 液壓缸速度

f—— 液壓缸摩擦力

F—— 液壓缸負載力

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

vSA=qA=nV

(2)

式中，qA—— 液壓缸A腔流量

n—— 異步電動機額定轉速

V—— 變量泵排量

由式(2)可知，當液壓缸需求速度已知，可計算出流量需求，異步電機轉速為定值，故調節變量泵排量即可實現輸出流量匹配負載需求。

如果采用“變轉速伺服電機+定量泵”作為動力源驅動，流量計算公式為：

vSA=qA=nSMVC

(3)

式中，nSM—— 伺服電機轉速

VC—— 定量泵排量

由式(3)可知，當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，故調節伺服電機轉速即可實現輸出流量匹配負載需求。

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行速度控制，流量計算公式為：

(4)

式中，Cd—— 流量系數

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“定轉速異步電機+變量泵”作為動力源驅動，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“變轉速伺服電機+定量泵”作為動力源驅動，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有的變量液壓泵和伺服電機的響應速度，然后，測試了定轉速異步電機驅動變量泵和變轉速伺服電機驅動定量泵這兩種動力源在不同負載壓力和流量時的效率，最后，構建了液壓挖掘機動臂儲能平衡試驗測試系統，動臂液壓缸為三腔液壓缸，分別采用這兩種動力源驅動該試驗樣機，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伺服電機響應的試驗測試曲線，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，動態響應較快，可以滿足驅動挖掘機動臂的響應需求。在伺服電機的測試中，在0.1 s時給電機輸入不同的轉速控制信號，可以看出伺服電機從零速上升到400, 800, 1200, 1600 r/min分別需要0.06, 0.08, 0.12, 0.14 s，動態響應滿足驅動挖掘機動臂的響應需求。

圖2 變量泵與伺服電機動態響應測試曲線

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

圖3 伺服電機變量泵、異步電機變量泵效率測試曲線

從圖中曲線可以看出，壓力為20 MPa時，伺服電機驅動定量泵的效率與異步電機驅動變量泵的效率都較高，但是壓力為4 MPa時，伺服電機驅動定量泵的效率比異步電機驅動變量泵的效率高15%～30%，這是由于電動機效率隨著負載的降低而降低，通過降低轉速可以使電動機工作在高效區，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，但是伺服電機驅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速減少輸出流量，而異步電機驅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動動臂液壓缸為三腔液壓缸的6 t級液壓挖掘機，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的功率，采用dSPACE1103硬件在環控制系統對試驗測試系統進行控制和信號采集，試驗樣機如圖4所示。

圖4 開式容積與儲能平衡協同控制挖掘機動臂試驗樣機

圖5所示為采用定轉速異步電機+變量泵作為動力源驅動挖掘機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，一個工作循環耗時16 s，可以看出液壓缸運行平穩，波動較小，動態響應較快。

圖5 異步電機變量泵驅動動臂速度及位移測試曲線

圖6所示為異步電機的功率及能量曲線，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異步電機峰值功率為7.46 kW，由于電動機始終以額定轉速運行， 在液壓缸靜止不動時電動機仍然輸出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 異步電機變量泵驅動動臂功率及能耗測試曲線

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

圖7 伺服電機定量泵驅動動臂速度及位移測試曲線

圖8所示為伺服電機的功率及能量曲線，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伺服電機峰值功率為5.98 kW，在液壓缸靜止不動時電動機功率幾乎為0，減少了動力源空轉能耗，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，與采用定轉速異步電機+變量泵作為動力源驅動機器相比，峰值功率降低19.8%，一個周期能耗降低58.7%，節能效果顯著。

圖8 伺服電機定量泵驅動動臂功率及能耗測試曲線

4 結論

采用變轉速伺服電機驅動定量泵作為動力源的開式容積與儲能平衡協同控制液壓挖掘機動臂，并與定轉速異步電機驅動變量泵作為動力源的測試結果進行對比分析，研究結果表明：

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

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