一種新型雙氣囊式蓄能系統的設計與仿真

鐘凡,鄭凱

(西安交通工程學院,陜西 西安 710300)

0 引言

氣囊式蓄能器因其結構簡單、反應靈敏、性能可靠,被廣泛應用于液壓系統,尤其是在大型液壓系統中,面對高壓油直接流回油箱的現象,通過蓄能器的回收再利用提高了能量的轉換效率,節約了大量能源[1-2]。但傳統單一的囊式蓄能器在放能過程中,隨著油液的釋放,蓄能器壓力則逐漸降低,當降到負載壓力時停止向外排油,進而造成放能過程中的壓力波動問題[3-5]。本文設計了一種新型雙氣囊式蓄能系統。通過雙氣囊、比例換向閥、傳感器構成的雙氣囊式蓄能系統達到了壓力補償的目的,增強了蓄能器的穩定性。

1 設計目標

1)在保證蓄能裝置正常工作的同時,降低放能過程中的壓力損失。

2)能夠成比例釋放壓力,降低壓力損失,保持蓄能裝置能量釋放的穩定性。

3)穩定非對稱(非對稱液壓泵、非對稱液壓缸)液壓系統的工作壓力。

2 雙氣囊式蓄能系統的結構與工作原理

2.1 總體結構

雙氣囊式蓄能系統的結構如圖1所示,氣囊式蓄能器基本參數如表1所示。

表1 氣囊式蓄能器核心參數

圖1 雙氣囊式蓄能系統的結構

2.2 工作原理

利用AMESim軟件構建雙氣囊式蓄能系統,如圖2所示。

1—主蓄能器;2—副蓄能器;3、4—傳感器;5—電磁比例換向閥;6—單向閥;7—比例環節。圖2 雙氣囊式蓄能系統

恒壓源向液壓系統提供一定的系統壓力,此時主蓄能器1、副蓄能器2開始蓄能;當液壓系統油路處于工作狀態時,傳感器3、4分別檢測主、副蓄能器的蓄能壓力。當液壓系統油路存在壓力變化量時,比較器對傳感器3、4的檢測信號進行比較處理,并驅動比例反饋環節,按照一定比例系數向電磁比例換向閥5輸入適當強度的電流,使主、副蓄能器1、2成比例釋放壓力,進而達到穩定系統油路工作壓力的目的。

2.3 蓄能系統在液壓回路中的分析

利用非對稱泵、液壓缸,組成液壓系統回路,并將雙蓄能系統應用于非對稱液壓系統,如圖3所示。

圖3 液壓系統回路

如圖3所示,非對稱軸向柱塞泵配流盤在傳統柱塞泵配流盤基礎上增加一個配流窗口,A窗口連接液壓缸無桿腔,B窗口連接液壓缸有桿腔,為匹配非對稱單出桿液壓缸兩腔流量,3個配流窗口面積之比為SA∶SB∶SC= 1∶λ∶(1-λ),其中液壓缸無桿腔面積與有桿腔面積之比與A、B兩配流窗口面積之比相等,C口連接雙蓄能系統。

2.4 系統壓力的偏差分析

結合圖2、圖3中的仿真模型,得到了雙氣囊式蓄能系統在不同工作壓力下主、副蓄能器的壓力值,如表2所示。

表2 雙氣囊式蓄能系統壓力值參數 單位:MPa

設液壓系統工作壓力P與主、副蓄能器的壓力偏差量ΔP之間的比例關系為

P=k×ΔP

(1)

式中k為比例系數。

本文在表1的基礎上,結合式(1)構建了比例系數k的數學模型,并利用MATLAB[6-7]分析得到了比例系數。

(2)

可得k≈3.579。

3 控制系統的設計

本文以PID算法[8-9]中的比例環節為基礎,設計控制流程如圖4所示。

圖4 控制系統流程

控制系統的主要功能是通過壓力傳感器對主、副蓄能器的壓力進行檢測,得到主、副蓄能器的壓力。當工作油路存在負載變化,主、副蓄能器壓力產生ΔP時,比較器驅動比例反饋環節,按照比例系數k向電磁比例換向閥輸入適當強度的電流,使蓄能器成比例釋放壓力,進而達到穩定系統壓力的目的。

4 系統的設計與仿真

運用AMESim軟件,通過繪制系統草圖、建立子模型、參數設置、運行仿真4個環節,分別建立了一般帶傳輸系統與智能補償帶傳輸系統的仿真模型,并進行了仿真實驗,得到了相應的特性曲線。

4.1 單蓄能系統的仿真模型

1)建立單蓄能系統的仿真模型,如圖5所示。

1—蓄能器;2—單向閥;3—恒壓源;4—液壓泵;5—液壓馬達系統油路。圖5 單蓄能系統的仿真模型

2)設定子模型參數,如表3所示。

表3 一般帶傳輸系統的仿真模型參數

3)工作過程

當工作油路處于工作狀態時,液壓馬達5帶動負載轉動,若負載發生突變時,蓄能器1補償系統壓力,保證其負載能力,維持工作油路的運行。

4.2 雙氣囊式蓄能系統的仿真模型

1)建立雙氣囊式蓄能系統的仿真模型,如圖6所示。

1—主蓄能器;2—副蓄能器;3、4—壓力傳感器;5—電磁比例換向閥;6—單向閥;7—液壓源;8—比例環節;9—液壓馬達系統油路。圖6 雙氣囊式蓄能系統的仿真模型

2)設定子模型參數,如表4所示。

表4 智能補償系統的仿真模型參數

3)工作過程

當工作油路處于工作狀態時,液壓馬達9帶動負載轉動,若負載發生突變時,主、副蓄能器1、2補償系統壓力,這時系統中的壓力傳感器3、4開始工作,將采集到的信號經比較器處理,若存在壓力變化量ΔP時,比例環節8工作,并按照預定算法向補償系統中的電磁比例換向閥5輸入相應比例的控制電流,向工作油路成比例輸入壓力,進而達到平衡工作油路系統壓力、減少壓力變化的目的,提高工作油路的穩定性。

5 系統仿真與分析

本文以“液壓馬達油路”作為驗證系統,分別將單蓄能系統與雙氣囊式蓄能系統應用于驗證系統進行仿真實驗。

5.1 系統壓力變化曲線

依據4.1、4.2中的仿真模型,按照表3、表4中的參數進行設置并進行仿真,得到相應的系統壓力特性變化曲線,如圖7所示。

圖7 系統壓力特性變化曲線

5.2 系統流量變化曲線

依據4.1、4.2中的仿真模型,按照表2、表3中的參數進行設置并進行仿真,得到相應的系統流量特性變化曲線,如圖8所示。

圖8 系統流量變化曲線

5.3 結果分析

1)由圖7可知,在0.28 s時雙氣囊式蓄能系統快速補償工作油路,并達到穩定狀態。而單蓄能系統則需要較長時間,即在2 s后工作油路(液壓馬達油路)達到穩定狀態。因此,雙氣囊式蓄能系統能夠快速補償工作油路,提高了工作油路(液壓馬達油路)的負載能力與穩定性。

2)由圖8可知,雙氣囊式蓄能系統在開始階段就能夠快速提高工作油路的流量,并快速達到穩定狀態。在保證蓄能裝置正常工作的同時,降低放能過程中的流量損失。

通過分析證明:雙囊式蓄能系統起到了較好的壓力補償作用,保持了工作系統(液壓馬達油路)所需壓力的穩定供給。

6 結語

本文首先介紹了雙囊式蓄能系統的結構與工作原理,通過分析與仿真發現,當工作系統負載連續變化時,造成一定的系統壓力損失。其次,針對壓力損失這一問題,文中以比例換向閥、傳感器、蓄能器為硬件核心設計了一種具有比例反饋環節的智能補償系統,通過雙囊式蓄能器向工作系統成比例進行壓力輸入,進而達到壓力補償的作用。最后,以AMESim為手段搭建了單蓄能系統與雙氣囊式蓄能系統的仿真模型,并進行了仿真運算。通過結果的對比分析表明:雙氣囊式蓄能系統起到了壓力補償作用,提高了工作系統的負載能力,保持了工作系統的穩定性,具有一定的應用價值。