叉車電液升降驅動系統的動態特性及循環效率分析

于平 張倩

摘要：提出了一種具有勢能回收特性的叉車升降電液驅動系統，利用Matlab/Simulink軟件對叉車升降電液驅動系統的提升階段、下降階段及整個工作循環系統進行建模及動態特性仿真研究，并分析不同負載時叉車升降電液驅動系統的循環效率。

關鍵詞：電液叉車;升降系統;Simulink模型;能效回收

叉車作為倉庫車間、港口作業、配送中心等場合主要的短途運輸工具，其舉升機構可實現貨物運輸、擺放及裝卸等，又因操作簡單方便、噪聲小及故障率低等特點在各類工業領域被廣泛應[1]。針對舉升機構系統，國內專家學者們展開了研究。王連志等[2]針對寬體自卸車的舉升系統，采用MATLAB/Simulink和AMESim軟件進行聯合仿真研究，分析舉升角度、壓力等參數對舉升過程的影響。仲崇峰[3]通過對現有的機械式搬運器舉升機構的研究，詳細闡述了其舉升機構的特點及性能。段馨蕊[4]通過對專用車舉升機構的舉升力、干涉角等參數進行仿真分析和優化設計，為舉升機構主要部位的結構參數優化提供參考。張義壯等[5]對電動叉車舉升機構的貨叉、門架及叉架結構進行了最大應力值及變形量計算，完成了剛度和強度的理論校核。

貨叉升降機構幾乎都是高功率且每天連續工作，貨叉升降工況是叉車工作循環中必不可缺的環節，無論帶載或空載，貨叉升降的安全性和操控性能非常重要，特別是速度的控制。目前，市場上普遍的燃油叉車絕大部分依然使用傳統的閥控方式來控制貨叉速度，但閥控方式存在很多問題。因此，提出了一種具有升降勢能回收特性的叉車電液驅動系統，采用具有體積小、功率大、過載能力強、效率高、可靠性高等優點的永磁同步電機和雙向液壓泵/馬達作為能量轉換裝置代替傳統叉車中的伺服閥驅動控制，并建立了叉車整個工作循環的綜合仿真模型，研究其系統的動態特性。

1?工作原理

圖1所示為叉車電液驅動系統工作原理圖，主要由油箱、永磁同步電動機、液壓泵/馬達、卸壓閥、換向閥、液壓缸、電機控制器、蓄電池等元件組成。在提升過程中，作為液壓泵元件，液壓泵轉速直接由電機控制，液壓泵旋轉將油箱中的油輸送到液壓提升回路;下降過程中，作為液壓馬達元件，外界負載所有的重力勢能通過換向閥和液壓馬達，帶動電機旋轉而發電，產生的電動勢經過整流濾波轉化為直流電，儲存在蓄電池中，實現能量回收。叉車升降電液驅動系統采用勢能回收特性后，升降工作模式具有傳統的節流控制模式和液壓馬達的發電機控制模式。系統中換向閥的作用是使負載保持靜止狀態，防止叉車臂意外運動，并將油引導至正確的方向。

2?數學模型

叉車電液驅動系統是一種混合循環系統，為了得到升降過程中液壓泵/馬達的速度、轉矩，液壓缸的壓力、位置，建立液壓缸和液壓泵/馬達的數學模型。

2.1?液壓缸模型

基于動態壓力方程和活塞運動方程，建立液壓缸的數學模型。根據流量連續性方程可得：

式中，體積模量Be=1.4×109Pa;ps為系統壓力，Pa;V為液壓缸容積，m3;Qin為輸入流量，m3/s。

式中，V0為液壓缸初始體積，m3;Sp為活塞橫截面積，m2;xp為活塞位移，m。

活塞的運動方程由牛頓第二定律推導可得：

式中，m為總質量，kg;mL為有效負載質量，kg;mp為活塞質量，kg;Ff為摩擦力，N;FL為負載產生的力，N;ap為活塞加速度，m/s2。

2.2?液壓泵/馬達模型

液壓泵的流量方程如下：

式中，Q為液壓泵輸出流量，m3/s;ω為旋轉角速度，rad/s;Vt為液壓泵理論體積排量，m3/rev;ηv為容積效率，等于0.95。

液壓泵的力矩平衡方程：

式中，Jp為液壓泵的總等效慣量，kg·m2;Tm為驅動扭矩，N·m;Tp為壓縮流體所需的理論扭矩，N·m;Tf為摩擦扭矩，N·m。

壓縮流體的理論扭矩如下：

式中，pr為油箱回油壓力，pa。

3?建立Matlab/Simulink仿真模型及結果分析

仿真設置永磁同步電動機（PMSM）驅動功率為10kW，外負載為920kg。

3.1?提升運動模型

基于每個組件的建模，建立了一個用于提升運動的系統，如圖2所示。

在提升過程中，分別給定一個減速、勻速和加速周期信號，PMSM模塊根據設置信號運行。液壓泵和電動機之間通過機械聯軸器傳遞扭矩。液壓泵將一定量的油輸送到液壓缸，使貨叉和外負載以設置速度移動，從而模擬了提升過程中負載的運動。

3.2?下降運動模型

圖3顯示了負載下降過程中的仿真模型。

模擬負載下降運動仿真主要從液壓缸無桿腔壓力的波動和貨叉下降速度的平穩性進行分析，從而了解下降階段系統的操控性能，采用永磁同步電機和變頻器確保了負載下降的速度與設置速度一致。

3.3?升降運動組合模型

上面的兩個模型可以組合起來構成一個完整周期的升降系統運動模型。圖4顯示了升降運動循環周期的模型。

3.4?結果分析

圖5為液壓泵/馬達轉速、扭矩和液壓缸壓力、位置的動態仿真結果。

由圖5可知，在0～8.5s液壓缸活塞處于舉升階段，液壓泵供油驅動液壓缸活塞上升至3.46m，初始階段由于閥芯由閉合到開啟，液壓缸無桿腔壓力產生一定波動;在8.5～17s液壓缸活塞處于下降階段，通過控制液壓馬達旋轉進而控制液壓缸活塞下降至0.48m;在閥芯開啟瞬間，液壓缸無桿腔壓力發生微小范圍降低及波動。

綜上所述，通過液壓馬達發電機控制負載下降速度的方式，負載下降速度和無桿腔壓力存在較小波動，但波動幅值小，對系統的操控性能基本沒有影響。

3.5?總循環效率分析

ηcycle為總循環效率;ηup為提升效率;ηsc為蓄電池放電效率;ηinv為控制器轉換效率;ηdown為下降效率。

負載為0kg時，循環效率最小為16%。負載為920kg時，循環效率最大為46%。

4結論

提出了一種具有勢能回收特性的叉車電液升降驅動系統，搭建了叉車提升、下降和整個系統的Matlab/Simulink仿真模型，研究了該系統的動態特性及循環效率。

參考文獻：

[1]聶波，張進.電液提升裝置能量回收系統設計及分析[J].中國工程機械學報，2019，?17（05）：455-460.

[2]王連志，趙北，劉龍，等.基于AMESim和MATLAB/Simulink聯合的舉升系統仿真分析[J].工程機械，2021，52（03）：73-77+10.

[3]仲崇峰.機械式停車設備搬運器舉升機構研究[J].起重運輸機械，2021（02）：33-36.

[4]段馨蕊.專用車舉升機構的仿真與優化設計[J].科技風，2011（16）：90.

[5]張義壯，馮川.電動叉車舉升機構設計及有限元分析[J].機械研究與應用，2020，33（03）：48-51.

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51875151）

作者簡介：于平（1970—??），男，本科，高工，九局機械設備專家，畢業于上海鐵道學院，中鐵九局六公司。

系統的總循環效率計算如下所示：