高低壓蓄能器在回轉(zhuǎn)泵控液壓系統(tǒng)中應(yīng)用及仿真

馬海英，張 鵬，郭志軍

(1.黃河交通學(xué)院汽車工程學(xué)院，河南武陟 454950； 2.河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院，河南洛陽 471003)

引言

現(xiàn)階段，發(fā)動(dòng)機(jī)可以為液壓馬達(dá)的運(yùn)行過程提供所需動(dòng)力，同時(shí)利用控制閥與管路實(shí)現(xiàn)能量分配與傳輸過程，為液壓執(zhí)行器提供動(dòng)力[1-4]。液壓回轉(zhuǎn)動(dòng)作會(huì)造成節(jié)流與溢流損耗，這些能量在回轉(zhuǎn)作業(yè)過程中最終轉(zhuǎn)變成熱量而散失，根據(jù)前期研究可知，許多學(xué)者通過降低節(jié)流損失與消除溢流的方式來提升液壓能量效率[5-9]。為有效控制低負(fù)載執(zhí)行器產(chǎn)生的壓力損耗，使液壓系統(tǒng)獲得更高能量效率，減少能量損耗[10-11]。泵控技術(shù)是通過控制泵容積的方式達(dá)到調(diào)速的功能，不會(huì)造成液壓系統(tǒng)能量的明顯損失，但需為其配備多個(gè)動(dòng)力源，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)成本增加，因此上述技術(shù)主要被應(yīng)用在功率與流量都較大的場(chǎng)所[12-13]。

REN等[14]將蓄能器應(yīng)用于閉式回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)回路中，使該系統(tǒng)獲得更高能量利用率；TIKKANEN等[15]則通過構(gòu)建雙泵混合動(dòng)力閉式回路液壓系統(tǒng)來達(dá)到降低液壓泵功率與轉(zhuǎn)矩的作用，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力源容量的明顯減小，獲得了更大的功率密度，利用液壓缸為活塞桿運(yùn)動(dòng)過程提供動(dòng)力，使泵/馬達(dá)達(dá)到不同的工作狀態(tài)。MINAV等[16]綜合運(yùn)用閉式泵控與二次調(diào)節(jié)的方法來達(dá)到控制回轉(zhuǎn)泵控液壓系統(tǒng)的運(yùn)行過程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄能器壓力的實(shí)時(shí)調(diào)控，顯著提升了回轉(zhuǎn)系統(tǒng)運(yùn)行效率。為了提高挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，通過引入高低壓蓄能器的方式提出了一種回轉(zhuǎn)泵控液壓系統(tǒng)，通過相互協(xié)同的方式來實(shí)現(xiàn)泵控過程，并在Simulink平臺(tái)開展了仿真分析。

1 回轉(zhuǎn)泵控液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

回轉(zhuǎn)泵控液壓系統(tǒng)屬于挖掘機(jī)的一個(gè)重要組成結(jié)構(gòu)，對(duì)能量的消耗也較大。進(jìn)行正常作業(yè)的過程中，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)通過控制閥對(duì)油液流量與方向進(jìn)行控制，導(dǎo)致工作階段形成明顯的節(jié)流損失；進(jìn)入加速起動(dòng)階段，液壓泵為回轉(zhuǎn)馬達(dá)提供油液，考慮到上車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，無法快速獲得最大的回轉(zhuǎn)速度，會(huì)形成一段接近勻加速狀態(tài)的過程，此時(shí)回轉(zhuǎn)馬達(dá)無法將泵流量充分吸收，未吸收的液壓油，只會(huì)經(jīng)溢流閥發(fā)生溢流，造成明顯的溢流損失。挖掘機(jī)不能快速制動(dòng)到0，在減速制動(dòng)階段，會(huì)引起回轉(zhuǎn)馬達(dá)的減速側(cè)形成更高的壓力，當(dāng)壓力升高至溢流閥的臨界值時(shí)便會(huì)開啟溢流閥，導(dǎo)致減速側(cè)壓力進(jìn)一步升高，使回轉(zhuǎn)馬達(dá)按照特定速度完成減速制動(dòng)過程[10]。

本研究選擇38 t的泵系統(tǒng)進(jìn)行正流量控制，使用川崎K5V軸向柱塞雙聯(lián)變量泵。將主液壓泵、先導(dǎo)齒輪泵以及發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸按照同軸方式進(jìn)行相連，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)動(dòng)力的傳輸功能。圖1給出了回轉(zhuǎn)泵控液壓系統(tǒng)的工作原理，通過相互協(xié)同的方式來實(shí)現(xiàn)泵控系統(tǒng)的工作過程。

1.電磁比例減壓閥 2.切換閥 3、6.調(diào)節(jié)柱塞 4.伺服閥5.變量缸 7.柱塞泵 8.溢流閥圖1 回轉(zhuǎn)泵控液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對(duì)回轉(zhuǎn)過程進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，只存在單動(dòng)作回轉(zhuǎn)的情況下，考慮到回轉(zhuǎn)系統(tǒng)是通過單泵單發(fā)的方式進(jìn)行控制，因此前液壓泵并不對(duì)回轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生影響，處于待機(jī)狀態(tài)下維持低流量，只通過后泵為液壓回轉(zhuǎn)提供流量與壓力。圖2顯示了在回轉(zhuǎn)階段泵排量隨負(fù)載壓力的變化。液壓泵的出口壓力經(jīng)壓力傳感器進(jìn)行采集，之后根據(jù)恒功率曲線獲得相應(yīng)的恒功率排量，可見隨負(fù)載壓力穩(wěn)定后泵具有穩(wěn)定的排量。

圖2 泵排量隨負(fù)載壓力的變化

1.2 高低壓蓄能器運(yùn)行原理

圖3給出了高低壓蓄能器工作原理，其中，高低壓蓄能器只調(diào)整蓄能器，而整個(gè)液壓系統(tǒng)則保持不變。高低壓蓄能器包含了高壓蓄能器、低壓蓄能器與各自的控制閥。在初始工作階段，只有高壓蓄能器實(shí)現(xiàn)能量回收功能，由此獲得較高的初始?jí)毫Γ瑢?duì)能量進(jìn)行一段時(shí)間持續(xù)回收后，高壓蓄能器處于最高能量狀態(tài)；將高壓和低壓蓄能器相連后，兩者共同構(gòu)成蓄能器組，由此形成了容積更大的蓄能器，之后蓄能器組的壓力持續(xù)減小。

圖3 高低壓蓄能器工作原理圖

將低壓蓄能器設(shè)定在20 MPa的最低值以及30 MPa 的最高值，驅(qū)動(dòng)模式實(shí)施調(diào)整如下：

(1) 加速釋放能量的階段，高、低壓蓄能器狀態(tài)值介于0～1之間，當(dāng)AOC值小于0時(shí)，關(guān)閉相應(yīng)的控制閥；

(2) 減速回收能量的階段，首先開啟高壓蓄能器控制閥，當(dāng)狀態(tài)值超過1時(shí)，開啟相應(yīng)的控制閥并回收能量，高、低壓蓄能器狀態(tài)值同時(shí)為1時(shí)，關(guān)閉相應(yīng)的控制閥。

高低壓蓄能器能夠確保蓄能器能量釋放后依然處于高低壓狀態(tài)，進(jìn)行后續(xù)能量回收時(shí)同樣可以高效回收動(dòng)能并完成制動(dòng)功能。單蓄能器與高低壓蓄能器以固定模式保持勻速運(yùn)行狀態(tài)。發(fā)生減速制動(dòng)時(shí)，高低壓蓄能器開啟控制閥，通過液壓作用回收制動(dòng)能量，從而在更短時(shí)間內(nèi)完成制動(dòng)過程，獲得更優(yōu)的制動(dòng)效果。

2 仿真分析

2.1 泵模型的建立

根據(jù)樣本測(cè)試結(jié)果確定斗山36 t液壓參數(shù)，結(jié)果見表1，Simulink仿真模型見圖4。

通過蓄能器回收液壓回轉(zhuǎn)動(dòng)能時(shí)，在最初減速制動(dòng)階段形成了較大的轉(zhuǎn)速，降低轉(zhuǎn)速后，形成了更小的液壓上車回轉(zhuǎn)動(dòng)能。其中，蓄能器在最初減速制動(dòng)階段只形成了較小的液壓油壓力，在之后的減速制動(dòng)期間，形成了更高的液壓油壓力，同時(shí)制動(dòng)力矩也隨之增大，在減速制動(dòng)期間，隨著上車動(dòng)能的降低，蓄能器獲得了更大的制動(dòng)力矩。為克服上述問題，設(shè)計(jì)了一種高低壓蓄能器，優(yōu)化了單蓄能器的壓力變化過程，使制動(dòng)力矩變化與能量回收達(dá)到更好的匹配狀態(tài)。

表1 挖掘機(jī)參數(shù)

圖4 回轉(zhuǎn)泵控液壓系統(tǒng)的Simulink模型

圖5 單/雙蓄能器回轉(zhuǎn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速變化

2.2 單/雙蓄能器結(jié)果分析

圖5顯示了單/雙蓄能器回轉(zhuǎn)系統(tǒng)形成的轉(zhuǎn)速n變化。根據(jù)圖5可知，單蓄能器和雙蓄能器在各運(yùn)動(dòng)階段基本一致，形成了相同的能量釋放與保持特性。回收減速制動(dòng)能量時(shí)，受高低壓蓄能器的影響，制動(dòng)期間的被動(dòng)馬達(dá)出油口壓力在能量回收階段保持較高壓力，從而獲得了更優(yōu)的制動(dòng)效果。從8.5 s和18.5 s位置處可以看出，相對(duì)于單蓄能器，雙蓄能器回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的制動(dòng)時(shí)間縮短了約0.5 s。

圖6顯示了單/雙蓄能器回轉(zhuǎn)系統(tǒng)泵輸出功率P變化。通過分析發(fā)現(xiàn)，單蓄能器與雙蓄能器下形成了同樣的泵輸出功率，這是因?yàn)楦叩蛪盒钅芷鞲淖兊氖切钅芷鞯哪芰炕厥仗匦裕饕簤罕眠M(jìn)行制動(dòng)時(shí)不會(huì)輸出能量，因此泵保持恒定的輸出能量。

圖6 單/雙蓄能器回轉(zhuǎn)系統(tǒng)泵輸出功率變化

2.3 高低壓蓄能器結(jié)果分析

圖7給出了高低壓蓄能器回轉(zhuǎn)系統(tǒng)形成的壓力p變化。根據(jù)圖7可知，高壓蓄能器釋放能量的過程中，壓力快速降低，當(dāng)壓力值降低至24.5 MPa時(shí)，壓力信號(hào)被傳感器收集，觸發(fā)最低壓力，此時(shí)高壓蓄能器的液壓油口被切斷，壓力保持24.5 MPa的穩(wěn)定狀態(tài)，之后當(dāng)壓力減小到19.5 MPa時(shí)，低壓蓄能器油口被切斷。當(dāng)挖掘機(jī)發(fā)生減速制動(dòng)時(shí)，高壓蓄能器先進(jìn)行能量回收，壓力快速增大，高壓蓄能器壓力增大至30 MPa 時(shí)，此時(shí)開啟低壓蓄能器液壓油口，高壓與低壓蓄能器都進(jìn)入能量回收狀態(tài)，直至挖掘機(jī)完成制動(dòng)過程。挖掘機(jī)上車以同樣方式完成反向和正向運(yùn)行過程。

圖7 高低壓蓄能器回轉(zhuǎn)系統(tǒng)壓力變化

圖8顯示了高低壓蓄能器回轉(zhuǎn)系統(tǒng)液壓油的體積V變化。其中，低壓與高壓蓄能器分別預(yù)充19 MPa與24 MPa的氣體，因此高壓蓄能器形成了較小的油液充放范圍，接近1.7 L，但能夠達(dá)到較高的壓力，同時(shí)低壓蓄能器又可以起到彌補(bǔ)高壓蓄能器體積偏小，壓力快速變化的作用，因此低壓蓄能器形成了更大的液壓油變化體積，約為3.2 L，壓力與體積變化相對(duì)于高壓蓄能器顯著提高，實(shí)現(xiàn)了單蓄能器處于高壓狀態(tài)下也可以完成能量回收的功能。

圖8 高低壓蓄能器回轉(zhuǎn)系統(tǒng)體積變化

圖9給出了高低壓蓄能器回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的能量E變化。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，釋放能量過程中，高低壓蓄能器表現(xiàn)出與40 L單蓄能器相近的壓力變化特征，而當(dāng)高壓蓄能器經(jīng)過一段時(shí)間釋放并關(guān)閉后，由于低壓蓄能器需輸出達(dá)到單蓄能器2倍的流量，導(dǎo)致流量發(fā)生更快變化，同時(shí)能量變化速率也明顯加快。進(jìn)入減速制動(dòng)階段時(shí)，高壓蓄能器升高到最大壓力后，高低壓蓄能器開始回收能量，始終保持高壓狀態(tài)，可以更加高效回收能量，顯著縮短了制動(dòng)時(shí)間。

圖9 高低壓蓄能器回轉(zhuǎn)系統(tǒng)能量變化

3 結(jié)論

(1) 本研究設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)泵控液壓系統(tǒng)通過相互協(xié)同的方式來實(shí)現(xiàn)泵控過程，根據(jù)恒功率曲線獲得相應(yīng)的恒功率排量，隨負(fù)載壓力穩(wěn)定后泵具有穩(wěn)定的排量；

(2) 單蓄能器和雙蓄能器在各運(yùn)動(dòng)階段和泵輸出功率基本一致，形成了相同的能量釋放與保持特性，相對(duì)于單蓄能器，雙蓄能器回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的制動(dòng)時(shí)間縮短了約0.5 s；

(3) 高壓蓄能器形成較小的油液充放范圍，但能夠達(dá)到較高壓力，同時(shí)低壓蓄能器起到彌補(bǔ)高壓蓄能器體積偏小問題，減速制動(dòng)時(shí)，高壓蓄能器升高到最大壓力后高低壓蓄能器開始回收能量，可以更加高效回收能量，顯著縮短制動(dòng)時(shí)間。