能量調節技術在車載液壓系統的應用

劉澤，王收軍，李志博，鄒炳燕

(1.天津理工大學機械工程學院，天津 300384；2.天津中德應用技術大學基礎實驗實訓中心，天津 300350)

0 前言

車載液壓發電廣泛應用于應急救援、野外作業及軍事等多個領域，目前存在發電瞬態指標偏低、系統穩定性差的問題，解決這些問題是發展車載液壓發電產業的關鍵[1-2]。國內關于液壓發電的研究起步比國外晚，國內液壓行車發電研究還處于起步階段，瞬態指標普遍較低[3]，影響用電器具正常使用和安全。瞬態指標較高、穩定性較好的車載液壓發電系統成為亟待解決的問題[4-5]。近年來，國內許多研究人員對車載液壓發電進行了研究。

對于車載液壓行車發電，河南省某公路養護公司設計了一種采取PID控制的車載液壓發電傳動控制系統，采用容積式泵控馬達調速回路[6]讓液壓馬達轉速恒定，通過發動機傳遞給液壓泵的動力，驅動發電機發電，實現高品質電能輸出[7]。燕山大學某課題組對發動機變轉速和變負載擾動下馬達轉速波動展開研究，構建了泵控液壓馬達的數學模型，采用前饋控制和直接轉速閉環反饋控制使馬達穩速輸出，有效提高了系統的控制精度和穩定性[8]。

為提高車載液壓發電系統的瞬態指標，本文作者按基于能量調節的泵閥并聯液壓馬達調速回路的研制思路，構建12 kW車載行車液壓發電機組，設計一種泵閥并聯液壓馬達調速系統。利用比例閥高頻響的優點，提高車載液壓發電指標，解決車載液壓行車發電瞬態指標控制問題[9]。

1 液壓控制系統設計

1.1 液壓系統組成

液壓系統回路分為開式回路和閉式回路[10]，閉式回路液壓泵的吸油口直接與執行元件的回油口連接，為了補償泄漏，通常要用補油泵；開式回路液壓泵的吸油口直接連接油箱，執行元件的回油口連接油箱。對于同樣功率的液壓系統，閉式系統的最大優勢是油箱體積小、整體質量小，適合車載液壓系統。文中選用比例變量柱塞泵與定量馬達組成的閉式液壓回路。

圖1所示為變量泵定量馬達容積調速回路。比例變量柱塞泵4為主泵從液壓馬達9的回油口吸油，補油泵2用于給系統補油，以補償變量泵和定量馬達的內泄漏，并解決主泵的潤滑及冷卻問題。主泵提供液壓油給定量馬達，溢流閥8為主回路安全閥。溢流閥12為補油泵溢流閥，通常補油溢流閥的壓力為2 MPa。

圖1 基于能量調節的閥泵并聯液壓馬達調速系統原理

比例變量柱塞泵4和定量馬達9組成容積調速回路，可通過調節比例變量柱塞泵4的斜盤角度來控制它的排量，從而調節液壓馬達輸出轉速。當系統工作壓力不變時，液壓馬達輸出轉矩恒定。該回路不存在溢流損失和節流損失，因此系統效率較高，產生熱量少，系統工作壓力完全取決于負載，這在大功率系統中較為常見。

因為從定量馬達9的回油沒有流回油箱，而是直接供給比例變量柱塞泵4吸油口，會導致系統內部循環油液的溫度逐漸升高。為控制循環油液的溫度，設置沖洗閥11，沖洗閥可使系統中一部分溫度較高的油液從主回路分流回油箱，防止油溫過高。沖洗流量通過補油泵2補充，從而達到系統熱平衡。

1.2 液壓系統工作原理

當液壓系統開始工作時，發動機啟動，帶動液壓泵開始運轉，補油泵2提供油液給比例變量柱塞泵4，比例變量柱塞泵4提供油液給定量馬達9，定量馬達9通過聯軸器帶動發電機組工作，發電機組開始發電。

發電機組發電指標(電壓與頻率)和定量馬達9的轉速有關，定量馬達9的轉速取決于比例變量柱塞泵4提供的流量。該流量由變量柱塞泵4的排量和發動機轉速決定，比例變量柱塞泵4的排量與輸入電信號有關。

分析行車發電工況：發動機轉速增加時，減小比例變量柱塞泵4輸入的電信號，排量減小，柱塞泵4的輸出流量保持基本恒定時，可穩定定量馬達9轉速；發動機轉速下降時，增大比例變量柱塞泵4輸入電信號，排量增加，可穩定定量馬達9轉速。根據發動機轉速變化，通過控制比例變量柱塞泵4輸入電信號的大小，可以控制定量馬達9的轉速。

1.3 能量調節技術原理

利用蓄能器7可調節液壓馬達9的瞬時轉速，通過小排量恒壓變量泵5給蓄能器充壓力油，比例閥10控制蓄能器與液壓馬達的通路。當液壓馬達轉速突然減小時，通過比例閥控制蓄能器給液壓馬達高壓側快速補充壓力油，可以減小液壓馬達轉速下降幅度；當液壓馬達轉速增加時，通過比例閥控制液壓馬達高壓側油液短時接通油箱，可以減小液壓馬達轉速上升幅度，從而保持液壓馬達轉速恒定。

發電機空載時，液壓系統工作壓力低。突加負載時，由于液壓馬達與發電機相連，負載突然加大，液壓系統壓力會突然上升，液壓元件內泄漏會增加，油液體積壓縮，管路容積會增加，發動機轉速會突然下降，這些因素可造成液壓馬達轉速突然下降，進而使得發電機發電頻率下降。這時單靠比例變量柱塞泵調節，如增加比例變量柱塞泵輸入電信號調整馬達轉速時，系統響應時間較長，不能達到液壓發電突加指標。解決方案是通過高頻響比例閥，讓蓄能器儲存的油液短時間之內快速給液壓馬達供油路補油，減小液壓馬達轉速下降幅度，提高液壓發電瞬態指標。

發電機滿載時，液壓馬達工作壓力高。發電機突然減載時，液壓馬達負載突然減少，比例變量柱塞泵、液壓馬達泄漏量減少，發動機轉速會突然上升，使得液壓馬達轉速突然增加。這時單靠比例變量柱塞泵調節，如減小比例變量柱塞泵輸入的電信號調節馬達轉速時，系統響應時間較長，不足以達到發電突減指標。解決方案是通過高頻響比例閥，讓液壓馬達供油側管路短時間接通油箱，瞬時減小液壓馬達供油量，減少液壓馬達轉速上升幅度，以提高液壓發電突減指標。

上述兩種情況在行車發電和駐車發電時均適用。小排量恒壓變量泵排量很小，使得構成的泵控液壓系統的傳動效率高。由蓄能器、小排量恒壓變量泵、高頻響比例閥組成的能量調節裝置構成的閥控系統的響應速度快，能有效提高液壓發電瞬態指標。

2 液壓系統元件選擇

2.1 液壓馬達選擇

根據發電機發電功率，計算驅動發電機的液壓馬達的流量及壓差，根據流量及轉速計算液壓馬達的排量，選擇型號合適的液壓馬達。發電機的轉速為1 500 r/min，發電功率為12 kW，初選馬達壓差為25 MPa。

流量公式為

式中：P為定量馬達輸出功率(kW)；p為定量馬達工作壓差(MPa)；ηpv為定量馬達容積效率，取0.95；ηpm為定量馬達機械效率,取0.95。

將參數代入上式，可以計算出液壓馬達所需流量q為31.9 L/min。

排量公式為

將參數代入上式，可以計算出液壓馬達排量V為21.3 mL/r，則選擇排量為23 mL/r的A2FM23斜軸式柱塞液壓馬達。

按排量23 mL/r反算液壓馬達實際工作壓差，液壓馬達流量為34.5 L/min、液壓馬達實際工作壓差為23.1 MPa。

2.2 液壓泵選擇

文中馬達壓差為23.1 MPa，補油泵提供壓力2 MPa，比例變量柱塞泵工作壓力為25.1 MPa。液壓馬達流量q為34.5 L/min，發動機轉速為1 400 r/min。

2.3 沖洗閥和比例伺服閥的選型

作為閉式液壓系統，補油泵2、濾油器3、安全閥8、補油溢流閥12集成在液壓泵4上。為達到液壓系統熱平衡，在液壓馬達低壓側回路上增加一個沖洗閥，通過沖洗閥使主回路部分油液流回油箱，溫度相對比較低的油液通過補油泵補充進主回路，實現系統熱平衡。計算得沖洗流量為6 L/min，則選擇調速閥2FRM6作為沖洗閥。

作為能量調節器的組成部分，比例閥10要求響應速度快，瞬態指標調整的時間短，需要的流量小，所以選擇6 mm通徑的比例伺服閥，文中選用某公司4WRA6E。

3 試驗方法及試驗數據

進行液壓發電試驗，試驗數據按GB/T 2820.5—2009標準，具體發電技術指標見表1。

表1 往復式內燃機驅動的交流發電機組性能等級部分運行限值

分別按不使用能量調節技術和使用能量調節技術進行對比試驗。

表2為能量調節技術不起作用時，該交流液壓發電機組對應的相關國家標準的性能部分試驗數據。

表2 不采用能量調節技術的交流發電機組性能試驗數據(部分)

不使用能量調節技術時，發電機組突減負載及突加負載時的頻率曲線分別如圖2、圖3所示。

圖2 不采用能量調節技術的突卸頻率曲線 圖3 不采用能量調節技術的突加頻率曲線

由圖2和圖3可知：不采用能量調節技術時，發電指標不能達到國家標準中的最低值要求。

表3所示為能量調節技術起作用時，該交流液壓發電機組對應的相關國家標準的部分性能試驗數據。

表3 采用能量調節技術的交流發電機組性能試驗數據(部分)

使用能量調節技術后，發電機組突減負載及突加負載時的頻率曲線分別如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知：應用能量調節技術后，研制的車載交流發電機組的主要交流發電技術指標全面達到國家標準G2等級、接近國家標準G3等級要求。

圖4 采用能量調節技術的突卸頻率特性曲線 圖5 采用能量調節技術的突加頻率特性曲線

4 結論

采用基于能量調節的控制方法，在行車或駐車過程中發電機突加負載時，降低液壓馬達轉速波動幅度、提高發電機瞬態指標；利用卸荷原理，在發電機突減負載時，降低液壓馬達轉速波動幅度、提高發電機瞬態指標。

利用小排量變量泵、比例閥加蓄能器的能量調節技術提高泵控馬達系統的剛度及動態響應速度，以提高液壓行車發電瞬態指標。液壓系統正常工作時，風冷散熱，工作油溫控制在50～75 ℃，系統具有較高的傳動效率。