液電混合半主動驅(qū)動機械臂儲能系統(tǒng)設計及仿真

喬舒斐，郝云曉，權(quán) 龍，葛 磊，李澤鵬

(太原理工大學 新型傳感器與智能控制教育部重點實驗室，山西 太原 030024)

引言

液壓挖掘機和裝載機等工程裝備普遍采用集中液壓源供能、多路閥分配動力的方式驅(qū)動機械臂。機械臂在液壓缸的驅(qū)動下頻繁舉升和下放，下放過程中，機械臂集聚的大容量重力勢能經(jīng)控制閥節(jié)流作用被浪費掉，能量浪費嚴重[1-2]。

國內(nèi)外回收利用重力勢能主要采用電氣回收法和液壓回收法。電氣回收法中，重力勢能經(jīng)液壓缸轉(zhuǎn)換為液壓能驅(qū)動液壓馬達旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)換為機械能，液壓馬達進一步帶動發(fā)電機工作，將機械能轉(zhuǎn)換為電能存儲在電池組或超級電容中[3]，這種系統(tǒng)需要大規(guī)模液壓馬達和發(fā)電機。林添良等[4]將部分重力勢能以液壓能的形式存儲在蓄能器中，之后，儲存的能量進一步驅(qū)動液壓馬達和電機轉(zhuǎn)化為電能，從而減小液壓馬達和電機體積及裝機功率。然而，電氣回收法能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多，效率較低。液壓回收法指將重力勢能轉(zhuǎn)化為液壓能，直接儲存在蓄能器中[5]，儲存的液壓能可用于輔助動力源驅(qū)動主液壓泵，減小動力源功率和能耗。液壓回收法采用控制閥補償蓄能器充放壓力油對執(zhí)行器運行特性的影響，存在一定的節(jié)流損失。

液氣儲能平衡法指在原液壓缸驅(qū)動回路中增設平衡液壓缸，平衡液壓缸與蓄能器連通構(gòu)成儲能平衡系統(tǒng)，用于平衡機械臂自重并進行勢能回收利用。葛磊等[6]、林添良等[7]將該方法應用于液壓挖掘機，節(jié)能效果顯著。該方法能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)少，勢能回收利用效率高，但需要多個液壓缸布置，所占空間大。為此，權(quán)龍等[8]提出帶有儲能容腔的三腔液壓缸，儲能容腔與蓄能器連接，用于勢能的回收利用，節(jié)能效果顯著。

這些能量回收利用系統(tǒng)均屬于液壓驅(qū)動系統(tǒng)，由于液壓油的壓縮、泄漏、泵閥響應等非線性因素的影響，執(zhí)行器實際速度與預期速度存在一定差距，運行特性較差[9]。

電機械執(zhí)行器是一種通過減速器和滾珠絲杠副將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的直線執(zhí)行器[10]，效率高，運行特性好，被廣泛應用于航空航天領域。與液壓驅(qū)動系統(tǒng)相比，電機械執(zhí)行器不需通過閥的節(jié)流作用控制負載運動，無節(jié)流損失和溢流損失，能源效率很高，但電機械執(zhí)行器功重比低，難以驅(qū)動重載。

為此，本研究提出利用高功重比儲能平衡液壓缸輔助小功率電機械執(zhí)行器驅(qū)動機械臂運行，構(gòu)成液電混合半主動驅(qū)動儲能系統(tǒng)[11-12]。其中，電機械執(zhí)行器主動控制動臂運行，儲能平衡液壓缸用于平衡工作裝置自重，回收利用重力勢能，輔助電機械執(zhí)行器驅(qū)動機械臂。該系統(tǒng)可大幅減小節(jié)流損失與污染排放，高效回收利用重力勢能，可應用于挖掘機、裝載機、起重機等具有舉升機構(gòu)的工程裝備，應用前景廣泛。

1 液電混合驅(qū)動系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

圖1為提出的機械臂液電混合驅(qū)動系統(tǒng)原理圖，主要由液壓缸、蓄能器、溢流閥、電機械執(zhí)行器和其驅(qū)動器等組成。根據(jù)液壓缸和電機械執(zhí)行器不同的組合與布置形式，所提出的液電混合驅(qū)動系統(tǒng)可分為如圖1所示的3種不同組合方案，對應的機械結(jié)構(gòu)形式分別如圖2所示。

圖1 機械臂液電混合驅(qū)動系統(tǒng)原理圖

圖2 不同機械臂液電混合驅(qū)動系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)示意圖

單電機械執(zhí)行器+雙液壓缸液電混合驅(qū)動系統(tǒng)中，機械臂由并列布置的1個電機械執(zhí)行器和2個液壓缸共同驅(qū)動，電機械執(zhí)行器布置在中間，2個液壓缸對稱布置在兩側(cè)。雙電機械執(zhí)行器+單液壓缸驅(qū)動系統(tǒng)中，液壓缸布置在中間，2個電機械執(zhí)行器對稱布置在兩側(cè)，共同驅(qū)動機械臂。單電機械執(zhí)行器+單液壓缸驅(qū)動系統(tǒng)中，機械臂由前后并行布置的1個液壓缸和1個電機械執(zhí)行器共同驅(qū)動。

1.2 系統(tǒng)工作原理

小功率電機械執(zhí)行器利用其控制精度高的優(yōu)點對機械臂運動進行主動控制。液壓缸與蓄能器連通，構(gòu)成儲能平衡系統(tǒng)，機械臂下降時，重力勢能經(jīng)液壓缸轉(zhuǎn)化為液壓能直接存儲在蓄能器中，機械臂舉升時，蓄能器釋放能量，通過液壓缸輔助電機械執(zhí)行器驅(qū)動動臂，實現(xiàn)勢能高效利用，同時做相對電機械執(zhí)行器的跟隨運動。

2 理論分析

液電混合驅(qū)動系統(tǒng)動力學平衡方程為：

(1)

式中，N1——電機械執(zhí)行器數(shù)量

Fe——單個電機械執(zhí)行器輸出力

N2——液壓缸數(shù)量

Fh——單個液壓缸輸出力

m——機械臂的等效質(zhì)量

x——機械臂位移

B——系統(tǒng)阻尼系數(shù)

F——物料等效重力

f——包括摩擦力等的干擾力

其中，電機械執(zhí)行器輸出力為：

(2)

式中，i——電機械執(zhí)行器減速比

T——電機械執(zhí)行器伺服電機輸出扭矩

η——電機械執(zhí)行器的機械效率

L——電機械執(zhí)行器滾珠絲杠副導程

液壓缸輸出力為：

Fh=p1A1-p2A2

(3)

(4)

(5)

式中，p1，A1——分別為液壓缸無桿腔壓力和有效作用面積

p2，A2——分別為液壓缸有桿腔壓力和有效作用面積

D——活塞直徑

d——活塞桿直徑

由系統(tǒng)工作原理知，液壓缸輸出力用于平衡克服機械臂自重，機械臂未平衡等效重力為：

m′g=mg-N2(p1A1-p2A2)

(6)

根據(jù)式(1)～式(6)，電機械執(zhí)行器輸出力為：

(7)

因此，電機械執(zhí)行器僅需克服機械臂慣性力、物料重力、摩擦力等干擾力和機械臂未平衡等效重力即可，這些負載力相對機械臂原重力所占比重很小，故電機械執(zhí)行器輸出力較小，可實現(xiàn)小功率電機械執(zhí)行器驅(qū)動大功率機械臂。

3 參數(shù)匹配

由團隊前期對6 t挖掘機的參數(shù)分析和試驗研究知[13-14]，動臂液壓缸無桿腔和有桿腔有效作用面積分別為7850,4003 mm2，動臂在空載工況下以100 mm/s的速度勻速下降時，液壓缸無桿腔和有桿腔壓力分別約為7,0.5 MPa。由式(3)求得液壓缸輸出力約為53 kN，故動臂等效重力mg約為53 kN。動臂滿載舉升時，液壓缸無桿腔壓力為13 MPa左右，若以150 mm/s 的最大速度舉升，所需功率達15 kW。據(jù)此，對3種不同組合液電混合驅(qū)動系統(tǒng)進行參數(shù)匹配。

3.1 單電機械執(zhí)行器+雙液壓缸混合驅(qū)動系統(tǒng)

根據(jù)6 t級液壓挖掘機機械結(jié)構(gòu)尺寸及安裝空間限制，取液壓缸參數(shù)如表1所示，根據(jù)式(4)、式(5)計算得液壓缸無桿腔和有桿腔有效作用面積為3117.245,2312.998 mm2。液壓缸無桿腔與蓄能器直接連通，故無桿腔壓力p1與蓄能器壓力pa幾乎相等，液壓缸有桿腔與油箱直接連通，故有桿腔壓力p2可忽略不計。當儲能平衡系統(tǒng)恰好平衡克服動臂自重時，機械臂未平衡重力mg為0，由式(6)及相關參數(shù)計算得到此時蓄能器壓力即液壓缸無桿腔壓力約為8.6 MPa。

隨著動臂下降，蓄能器壓力升高，儲能平衡系統(tǒng)對動臂產(chǎn)生過平衡現(xiàn)象，為了盡量減小過平衡現(xiàn)象對電機械執(zhí)行器輸出力的影響，最終取蓄能器最小工作壓力pa1為8 MPa，最大工作壓力pa2為14 MPa，預充氣壓力pa0為6 MPa。由蓄能器容積公式(8)求得蓄能器公稱容積16.7 L，根據(jù)蓄能器規(guī)格，選取額定公稱容積20 L的蓄能器。

(8)

式中，Va——蓄能器公稱容積

ΔV——蓄能器最小工作壓力和最大工作壓力

時的容積差

pa0——預充氣壓力

pa1——最小工作壓力

pa2——最大工作壓力

n——氣體多變指數(shù)由于工作循環(huán)時間短，蓄能器中氣體變化可視為絕熱過程，故n取1.4

動臂以150 mm/s的速度運行時，由式(9)及蓄能器最小工作壓力，得儲能平衡系統(tǒng)輸出功率最小為7.4 kW，為滿足動臂舉升功率需求，電機械執(zhí)行器輸出功率至少為7.6 kW，選用額定功率8 kW，峰值功率16 kW的永磁同步伺服電機。

(9)

式中，Ph——液壓缸輸出功率

pa——蓄能器任意時刻的壓力

D——液壓缸活塞直徑

v——動臂運行速度

該液電混合驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 單電機械執(zhí)行器+雙液壓缸混合驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)

3.2 雙電機械執(zhí)行器+單液壓缸混合驅(qū)動系統(tǒng)

雙電機械執(zhí)行器+單液壓缸混合驅(qū)動系統(tǒng)中，液壓缸參數(shù)見表2。當儲能平衡系統(tǒng)恰好克服動臂自重時，由式(6)計算得蓄能器壓力為9.4 MPa。為了減小過平衡現(xiàn)象對電機械執(zhí)行器輸出力的影響，取蓄能器最小工作壓力8.5 MPa，最大工作壓力14 MPa，預充氣壓力7 MPa，進一步根據(jù)式(8)求得蓄能器公稱容積為15.6 L，最終選取額定公稱容積為16 L的蓄能器。根據(jù)式(9)及蓄能器最小工作壓力，求得儲能平衡系統(tǒng)輸出功率最小7.2 kW。為滿足動臂舉升功率需求，單個電機械執(zhí)行器輸出功率至少為3.9 kW，故電機械執(zhí)行器選用額定功率5 kW的伺服電機。該系統(tǒng)最終參數(shù)匹配如表2所示。

表2 雙電機械執(zhí)行器+單液壓缸混合驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)

3.3 單電機械執(zhí)行器+單液壓缸混合驅(qū)動系統(tǒng)

單電機械執(zhí)行器+單液壓缸混合驅(qū)動系統(tǒng)中，液壓缸及蓄能器參數(shù)匹配設計同3.2節(jié)分析一致。為滿足動臂舉升功率需求，電機械執(zhí)行器輸出功率至少為7.8 kW，故電機械執(zhí)行器選用額定功率8 kW，峰值功率16 kW的伺服電機。

4 仿真分析

在多學科聯(lián)合仿真軟件SimulationX中構(gòu)建如圖3所示的仿真模型，分別對所提出的3種不同液電混合驅(qū)動系統(tǒng)進行運行特性與能耗特性仿真分析，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 挖掘機動臂液電混合驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型

由圖4a所示的動臂運行速度曲線知，采用電機械執(zhí)行器控制運動，動臂可很好地按預期速度平穩(wěn)運行。動臂速度超調(diào)最大僅為6 mm/s，且?guī)缀鯚o速度波動，運行特性較好。但在實際作業(yè)中，雙電機械執(zhí)行器+單液壓缸驅(qū)動系統(tǒng)中的2個電機械執(zhí)行器輸出速度很難完全相同，2個電機械執(zhí)行器之間會存在一定的力紛爭，動臂運行特性也會受到一定影響。

圖4b所示為蓄能器功率及能量曲線，3種不同組合的液電混合驅(qū)動系統(tǒng)中，蓄能器功率、能量曲線趨勢及數(shù)值大小基本一致。動臂下降時，重力勢能通過液壓缸轉(zhuǎn)化為液壓能存儲在蓄能器中，蓄能器功率為正，峰值功率約為9 kW，共儲存能量約20 kJ左右。動臂舉升時，蓄能器釋放能量，功率為負，通過液壓缸輔助電機械執(zhí)行器驅(qū)動動臂，實現(xiàn)回收能量的高效利用。

由圖4c所示的伺服電機功率及能耗曲線知，動臂啟動加速下降階段，伺服電機做正功，克服動臂慣性力。雙電機械執(zhí)行器+單液壓缸驅(qū)動系統(tǒng)中伺服電機峰值功率之和達8 kW，其余組合驅(qū)動系統(tǒng)伺服電機峰值功率為6 kW。動臂下降初始階段，由于儲能平衡系統(tǒng)未能完全平衡動臂自重，動臂處于欠平衡狀態(tài)，部分重力勢能通過伺服電機制動電阻消耗掉，但該時間段很短且未平衡重力也較小，僅消耗約0.2 kJ的能量。隨著動臂下降，蓄能器壓力升高，儲能平衡系統(tǒng)對動臂產(chǎn)生過平衡現(xiàn)象，電機械執(zhí)行器與動臂自重共同克服儲能平衡系統(tǒng)輸出力，故蓄能器儲存能量包括了動臂重力勢能和部分電能兩部分能量。

根據(jù)團隊前期對6 t挖掘機動臂的節(jié)能研究知，采用節(jié)能效果顯著的帶有勢能回收的三腔液壓缸負載敏感控制系統(tǒng)，動臂空載舉升、下降一個循環(huán)工況，液壓泵需輸出能量18.71 kJ[14]。由圖4c知，相同工況下，液電混合半主動儲能驅(qū)動系統(tǒng)輸出能量為8.2～9 kJ，可進一步降低能耗達51%～56%，原因是負載敏感控制系統(tǒng)是靠閥的節(jié)流作用實現(xiàn)動臂的運動控制，存在較大的節(jié)流損失，而本研究提出的液電混合驅(qū)動系統(tǒng)是通過電機械執(zhí)行器控制動臂運行，系統(tǒng)節(jié)流損失很小。

圖4 液電混合驅(qū)動系統(tǒng)仿真結(jié)果曲線

5 結(jié)論

(1) 針對機械臂提出一種液電混合半主動儲能驅(qū)動系統(tǒng)，機械臂由電機械執(zhí)行器與液壓缸共同驅(qū)動。電機械執(zhí)行器用于主動控制運動；液壓缸與蓄能器連接構(gòu)成儲能平衡系統(tǒng)，用于機械臂勢能回收利用，保證電機械執(zhí)行器的承載力。在所提液電混合驅(qū)動系統(tǒng)下，機械臂運行特性較好，與節(jié)能效果顯著的三腔液壓缸負載敏感控制系統(tǒng)相比，可降低能耗達51%～56%。

(2) 單電機械執(zhí)行器+雙液壓缸組合驅(qū)動系統(tǒng)運行特性較好，能耗較小；雙電機械執(zhí)行器+單液壓缸驅(qū)動系統(tǒng)需要復雜的同步控制策略用以控制2個電機械執(zhí)行器的同步運動，且需要2個電機，成本較高；單電機械執(zhí)行器+單液壓缸驅(qū)動系統(tǒng)能耗偏大。