基于回油補(bǔ)償?shù)呢?fù)載口獨(dú)立系統(tǒng)節(jié)能特性分析

曾億山，黃河，劉常海，劉旺，劉睿

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

0 前言

現(xiàn)有的解決多執(zhí)行器流量飽和的方法主要是LS技術(shù)，其原理是控制液壓泵輸出壓力比最高負(fù)載高2～3 MPa，在控制閥前或閥后設(shè)置壓差補(bǔ)償器，實(shí)現(xiàn)對(duì)各聯(lián)控制閥前后壓差的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流入各執(zhí)行器流量的控制，使各執(zhí)行器動(dòng)作不受負(fù)載差異影響。該技術(shù)是目前國(guó)際上較先進(jìn)產(chǎn)品廣泛采用的技術(shù)。負(fù)載敏感技術(shù)分為閥前壓力補(bǔ)償、閥后壓力補(bǔ)償(Lastdruck Unabh?ngige Durchfluss Verteilung，LUDV)和回油路壓力補(bǔ)償3種類型。

楊華勇等設(shè)計(jì)了一種閥前壓力補(bǔ)償系統(tǒng)的抗流量飽和控制器，使LS系統(tǒng)具有抗流量飽和功能。WU等研究了當(dāng)LS系統(tǒng)有多個(gè)執(zhí)行器時(shí)3個(gè)不同穩(wěn)態(tài)工作區(qū)域的頻域不穩(wěn)定性和補(bǔ)償閥的動(dòng)態(tài)特性。劉偉等人基于LUDV系統(tǒng)，針對(duì)負(fù)載較低的執(zhí)行器閥后壓力補(bǔ)償，提出一種新型控制器控制主閥通流面積，實(shí)現(xiàn)流量按需分配。日本東芝公司研發(fā)了一種回油補(bǔ)償LS系統(tǒng)，各執(zhí)行器回油路上布置了壓力補(bǔ)償閥進(jìn)行壓力補(bǔ)償，從而使各執(zhí)行器進(jìn)油路控制閥前后壓差相同，具有抗流量飽和功能。張浩杰基于回油補(bǔ)償系統(tǒng)，增設(shè)液壓蓄能器實(shí)現(xiàn)回油路能量回收，避免回油路上的節(jié)流損失，仿真結(jié)果表明提高了系統(tǒng)能量效率。

在實(shí)現(xiàn)抗流量飽和功能的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者還致力于改善LS系統(tǒng)的節(jié)能特性和控制特性。CETINKUNT提出了一種通過(guò)延遲閥門指令的實(shí)時(shí)控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵和閥門的同步控制。HU等在傳統(tǒng)LS系統(tǒng)回路上增加了一個(gè)三通比例減壓閥，實(shí)時(shí)調(diào)整液壓泵與負(fù)載之間的壓差，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此系統(tǒng)可改善動(dòng)態(tài)特性和節(jié)能特性。AXIN等研制了一種新型壓力補(bǔ)償器，從液壓元件層面提高了系統(tǒng)的流量匹配精度，還提出了一種基于壓力裕度和李雅普諾夫函數(shù)的流量壓力混合控制方案，改善了系統(tǒng)控制特性。RUGGERI和GUIDETTI將傳統(tǒng)負(fù)載敏感泵控制閥的控制方式改為先導(dǎo)控制，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)泵與最大負(fù)載之間的壓差，提高了系統(tǒng)控制特性。DU等提出了一種基于負(fù)載預(yù)測(cè)的機(jī)械臂節(jié)能控制技術(shù)，以調(diào)節(jié)泵流量，降低能耗。XU等在流量匹配負(fù)載的基礎(chǔ)上提出一種壓力流量混合控制系統(tǒng)，提高了流量分配精度和能量效率。LOVREC、PLUTA、CHENG等利用變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量液壓泵，代替?zhèn)鹘y(tǒng)LS變量液壓泵，實(shí)現(xiàn)電液負(fù)載敏感控制，改善了系統(tǒng)控制特性。

上述研究抗流量飽和的過(guò)程中，大多學(xué)者采用控制各執(zhí)行器主閥進(jìn)出口壓差的方法，因此存在一些缺陷。一方面，為了控制主閥的壓差，大多學(xué)者采用了復(fù)雜的電液補(bǔ)償方法，對(duì)控制器性能要求高；另一方面，沒有從根本上減小閥口節(jié)流損失，LS系統(tǒng)仍有很大的節(jié)能潛力。IM(Independent Metering)技術(shù)打破了傳統(tǒng)LS系統(tǒng)進(jìn)油路與回油路的機(jī)械連接，利用多個(gè)控制閥獨(dú)立控制，在完成節(jié)流調(diào)速控制的同時(shí)，可以減小系統(tǒng)背壓，從而避免了傳統(tǒng)LS系統(tǒng)中重復(fù)的節(jié)流損失。為進(jìn)一步提高LS系統(tǒng)的節(jié)能性和降低系統(tǒng)的控制難度，本文作者將負(fù)載口獨(dú)立控制(IM)技術(shù)應(yīng)用于LS系統(tǒng)，利用機(jī)液壓差補(bǔ)償方法，提出一種新型抗流量飽和的IM系統(tǒng)，并建立該系統(tǒng)節(jié)能特性模型，對(duì)其節(jié)能特性進(jìn)行分析和仿真驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)節(jié)能特性模型

將新IM系統(tǒng)的工作原理簡(jiǎn)化為如圖2所示，其中液壓缸都為阻抗伸出，其他工況類似。

1.1 閥口節(jié)流損失特性

進(jìn)口閥與出口閥型號(hào)相同，都為滑閥且性能參數(shù)完全相同，則根據(jù)壓力-流量方程，流過(guò)進(jìn)口閥節(jié)流孔V1和出口閥節(jié)流孔V2的流量可以分別表示為

(1)

(2)

其中：為泵壓力;為一聯(lián)液壓缸無(wú)桿腔壓力;為流入一聯(lián)液壓缸無(wú)桿腔的流量;為一聯(lián)液壓缸有桿腔壓力;為二位二通比例換向閥流量系數(shù);為二位二通比例換向閥面積梯度(m)；為流出一聯(lián)液壓缸有桿腔的流量；為一聯(lián)壓力補(bǔ)償閥的閥前壓力;為二位二通比例換向閥閥口最大開口度(m)；為一聯(lián)進(jìn)口閥開口比例(%)；為一聯(lián)出口閥開口比例(%)。

圖1 回油補(bǔ)償負(fù)載口獨(dú)立控制系統(tǒng)原理簡(jiǎn)化圖

由于通過(guò)一聯(lián)進(jìn)油路節(jié)流孔的流量流入一聯(lián)液壓缸無(wú)桿腔，流出一聯(lián)液壓缸無(wú)桿腔的流量通過(guò)一聯(lián)回油路節(jié)流孔，聯(lián)立式(1)(2)可得：

(3)

其中:為一聯(lián)液壓缸無(wú)桿腔面積；為一聯(lián)液壓缸有桿腔面積；為一聯(lián)液壓缸運(yùn)動(dòng)速度。

定義開口比和面積比：

(4)

(5)

將式(3)平方后整理可得：

(6)

一聯(lián)執(zhí)行器為阻抗伸出，則負(fù)載的平衡方程為

=+

(7)

其中：為一聯(lián)液壓缸外負(fù)載。

由式(6)(7)可得一聯(lián)液壓缸無(wú)桿腔和有桿腔壓力分別為

(8)

(9)

1.2 補(bǔ)償閥閥口節(jié)流損失特性

系統(tǒng)中的壓力補(bǔ)償閥完全相同，且都是滑閥，通過(guò)壓力補(bǔ)償閥的流量為

(10)

(11)

其中：為壓力補(bǔ)償閥流量系數(shù)；為壓力補(bǔ)償閥的面積梯度(m)；為壓力補(bǔ)償閥最大開口比例(m)；為一聯(lián)壓力補(bǔ)償閥閥芯的位移(m)；為二聯(lián)壓力補(bǔ)償閥閥芯的位移(m)；為油箱壓力。忽略壓力補(bǔ)償器閥芯受到的液動(dòng)力，一聯(lián)和二聯(lián)壓力補(bǔ)償閥閥芯的力平衡方程可以表示為

--=0

(12)

--=0

(13)

其中：為壓力補(bǔ)償閥閥芯受力面積(m)；為壓力補(bǔ)償閥彈簧剛度(N/m)。忽略弱彈簧力，由式(12)(13)可得:

==

(14)

和分別為系統(tǒng)開始工作后壓力補(bǔ)償閥閥芯移動(dòng)前的無(wú)桿腔壓力。當(dāng)<時(shí)，二聯(lián)壓力補(bǔ)償閥閥芯在復(fù)位彈簧作用下使閥口完全開啟，一聯(lián)壓力補(bǔ)償閥閥芯移動(dòng)減小閥口開啟面積，直到系統(tǒng)穩(wěn)定。假設(shè)=0，由式(11)整理得二聯(lián)壓力補(bǔ)償閥閥前壓力為

(15)

定義系數(shù)為

(16)

由式(7)(14)可得：

(17)

整理式(2)可得：

(18)

定義系數(shù)為

(19)

依據(jù)同樣推導(dǎo)方法可得

(20)

由式(17)—(19)可得

(21)

當(dāng)>時(shí)同理，在此不贅述。

1.3 液壓系統(tǒng)節(jié)能效率特性

液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率可以表示為

(22)

其中：為泵源的輸出功率；為液壓缸的輸出功率。進(jìn)一步可以表示為

(23)

由式(1)(8)整理可得：

(24)

系統(tǒng)節(jié)能效率的表達(dá)式為

(25)

其中：為L(zhǎng)S系統(tǒng)的泵源壓力(MPa)；為IM系統(tǒng)的泵源壓力(MPa)；為L(zhǎng)S系統(tǒng)的泵源流量(m/s)；為IM系統(tǒng)的泵源流量(m/s)。

觀察式(25)可知，若想降低液壓系統(tǒng)的能耗，則必須減小液壓泵的輸出壓力。因此，減小液壓泵的輸出壓力是降低液壓系統(tǒng)能耗的主要途徑。

2 系統(tǒng)節(jié)能特性分析

將式(23)(24)應(yīng)用于傳統(tǒng)LS系統(tǒng)和IM系統(tǒng)。在傳統(tǒng)LS系統(tǒng)中，對(duì)稱閥的進(jìn)出閥口開啟比==1。IM系統(tǒng)在實(shí)際工作中，進(jìn)口閥開口比例由液壓缸活塞桿目標(biāo)速度決定，將出口閥開口比例開到最大，則==1。

系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示，設(shè)=40 000 N、=10 000 N、=0.1 m/s、=0.2 m/s、油箱壓力=0。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)

將一聯(lián)執(zhí)行器與二聯(lián)執(zhí)行器工況分成4種工作模式。模式1：一聯(lián)阻抗伸出，二聯(lián)阻抗伸出；模式2：一聯(lián)阻抗伸出，二聯(lián)阻抗縮回；模式3：一聯(lián)阻抗縮回，二聯(lián)阻抗伸出；模式4：一聯(lián)阻抗縮回，二聯(lián)阻抗縮回。4種工作模式下的系統(tǒng)效率分析結(jié)果如圖2所示。

由圖2(a)可知：系統(tǒng)為模式1時(shí)，IM系統(tǒng)的出口閥開到最大減小背壓，降低了泵源壓力，提高了系統(tǒng)效率,開口比例=0.5時(shí)效率最高，為29.1%，相比較傳統(tǒng)LS系統(tǒng)，效率提高1.26%；=0.31時(shí)，IM系統(tǒng)節(jié)能效果最明顯，節(jié)能效率為1.69%。由圖2(b)可知：模式2時(shí)，由于二聯(lián)液壓缸縮回時(shí)流入有桿腔的流量小于相同速度伸出時(shí)流入無(wú)桿腔的流量，比模式1的整體效率更高；開口比例=0.5時(shí)效率最高，=43.97%，比傳統(tǒng)LS系統(tǒng)提高了1.88%；=0.31時(shí)節(jié)能效果最明顯，節(jié)能效率為2.54%。由圖2(c)可知：系統(tǒng)為模式3時(shí)，開口比例=0.5時(shí)效率最高，=23.51%，比傳統(tǒng)LS系統(tǒng)提高了5.12%；=0.21時(shí)節(jié)能效果最明顯，節(jié)能效率為10.53%。由圖2(d)可知：系統(tǒng)為模式4時(shí)，由于二聯(lián)液壓缸縮回時(shí)流入有桿腔的流量小于相同速度伸出時(shí)流入無(wú)桿腔的流量，比模式2的整體效率更高；開口比例=0.5時(shí)效率最高，=37.91%，比傳統(tǒng)LS系統(tǒng)提高了8.25%，=0.21時(shí)節(jié)能效果最明顯，節(jié)能效率為15.97%。

圖2 4種工作模式下的效率特性曲線

綜上所述，IM系統(tǒng)的泵源壓力低于傳統(tǒng)LS系統(tǒng)泵源壓力。在實(shí)際工作中，忽略的差距，負(fù)載及液壓缸活塞桿目標(biāo)速度為設(shè)定值，面積比和為常數(shù)且=1，所以泵源壓力與進(jìn)口閥開口比例負(fù)相關(guān)，開口比例越大，泵源壓力越小。然而在IM系統(tǒng)中，進(jìn)出口閥開口比例和的調(diào)節(jié)是分別獨(dú)立的，當(dāng)進(jìn)口閥開口比例根據(jù)目標(biāo)速度調(diào)整時(shí)，出口閥可以開到最大即=100%，從而降低泵源壓力，減少液壓泵能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能作用。

因此，所提出的IM系統(tǒng)相比傳統(tǒng)LS系統(tǒng)在各種工況下普遍具有更好的效率，當(dāng)系統(tǒng)處于一聯(lián)阻抗縮回和二聯(lián)阻抗縮回工況時(shí)，IM系統(tǒng)節(jié)能效果最明顯，節(jié)能效率為15.97%。

3 仿真驗(yàn)證

在AMESim軟件中對(duì)LS和IM系統(tǒng)進(jìn)行建模，利用液壓元件庫(kù)建立壓力補(bǔ)償器模型,如圖3所示，IM、LS系統(tǒng)模型分別如圖4和圖5所示。

圖3 壓力補(bǔ)償器的仿真建模

圖4 IM系統(tǒng)的仿真模型

圖5 LS系統(tǒng)的仿真模型

在仿真模型中進(jìn)行驗(yàn)證，負(fù)載與第2節(jié)一致，在模式1和模式2時(shí)，設(shè)=0.31、=1，仿真結(jié)果分別如圖6、圖7所示；在模式3和模式4時(shí)，設(shè)=0.21、=1，仿真結(jié)果分別如圖8、圖9所示。

由圖6可知：系統(tǒng)在0.2 s內(nèi)波動(dòng)，穩(wěn)定后，IM系統(tǒng)效率為18.2%，LS系統(tǒng)效率為16.5%，節(jié)能效率為1.41%。由圖7可知：系統(tǒng)在0.15 s內(nèi)波動(dòng)，穩(wěn)定后，IM系統(tǒng)效率為26.3%，LS系統(tǒng)效率為25.8%，節(jié)能效率為2.06%。由圖8可知：系統(tǒng)在0.22 s內(nèi)波動(dòng)，穩(wěn)定后，IM系統(tǒng)效率為12.6%，LS系統(tǒng)效率為6.3%，節(jié)能效率為9.88%。由圖9可知：系統(tǒng)在0.17 s內(nèi)波動(dòng)，穩(wěn)定后，IM系統(tǒng)效率為18.9%，LS系統(tǒng)效率為12.1%，節(jié)能效率為15.03%。

圖6 工作模式1的仿真結(jié)果

圖7 工作模式2的仿真結(jié)果

圖8 工作模式3的仿真結(jié)果

圖9 工作模式4的仿真結(jié)果

因此，仿真結(jié)果與節(jié)能模型最佳節(jié)能效率計(jì)算結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了此節(jié)能模型的正確性。

4 結(jié)論

本文作者針對(duì)抗流量飽和研究中傳統(tǒng)LS系統(tǒng)節(jié)流損失大、電液壓差補(bǔ)償控制復(fù)雜的問題，將IM技術(shù)應(yīng)用于LS系統(tǒng)，在回油路上進(jìn)行機(jī)液壓差補(bǔ)償，設(shè)計(jì)了一種基于回油補(bǔ)償?shù)呢?fù)載口獨(dú)立系統(tǒng)。對(duì)該系統(tǒng)建立了節(jié)能特性模型，并與傳統(tǒng)LS系統(tǒng)進(jìn)行了節(jié)能特性對(duì)比。結(jié)果表明：新型IM系統(tǒng)的效率優(yōu)于傳統(tǒng)LS系統(tǒng)，其中當(dāng)系統(tǒng)處于一聯(lián)阻抗縮回和二聯(lián)阻抗縮回工況時(shí)，IM系統(tǒng)節(jié)能效果最明顯，節(jié)能效率計(jì)算結(jié)果為15.97%，節(jié)能效率仿真結(jié)果為15.03%，驗(yàn)證了其節(jié)能模型的正確性。研究結(jié)果為提高LS系統(tǒng)節(jié)能效率、降低抗流量飽和控制難度提供了參考。