基于蓄能器儲能和綜合調度叉車勢能利用系統

束世辰，劉紅軍，路 珍，張青松，葛 磊

(1.北自所(北京)科技發展有限公司，北京 100120； 2.機械工業信息研究院，北京 100037；3.首都師范大學，北京 100048； 4.北京機械工業自動化研究所有限公司，北京 100120；5.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

隨著工業自動化快速發展，越來越多的輸送機器人應用于工業生產中，實現貨物的搬運和存儲。這些輸送機器人，目前多以叉車為原型機進行智能化改造，增加激光導航、位置控制以及綜合調度系統，實現自動調度和行走控制。

工作中，叉車具有兩種典型工作模式，一種是從工位取貨并移動到倉儲區域，通過液壓缸提升貨物到達指定貨架高度，進入貨架；另一種是從貨架高位將貨物取出，在貨物重力作用下貨物下降，并輸出到取貨位置。這兩種工作模式中，第一種是叉車動力轉化為貨物的重力勢能，第二種是貨物的重力勢能經液壓閥消耗掉。由此，叉車系統往復工作中，貨物的大容量重力勢能往往被浪費掉，導致大量的能源消耗。對于蓄電池供電的叉車，就意味著續航能力減少和充電次數的增加，大大降低電池壽命；對于發動機驅動的叉車，意味著大量的燃油被浪費。

為此，研究人員開展了大量關于叉車節能技術的研究。聶波[1]在叉車舉升系統中增設負載敏感平衡閥，降低了空載和輕載工況下降過程能量消耗。 RADICA G等[2]研究了燃料電池供能的電動叉車系統，為動力源節能提供了基礎。

對于叉車工作裝置勢能回收，主要研究工作有液壓回收方式和電能回收方式。

宗亞飛等[3]研究了直接通過蓄能器回收叉車重力勢能，并通過液壓泵吸油口再利用的方案，系統節能率約為23.6%；朱建新等[4-5]對上述方案進行了仿真，并研究了蓄能器有效工作容積與節能效率的關系，隨后開展了試驗分析，證明能量回收效率約為34%；黃春榕等[6]也對上述方案進行了研究，系統節能效率約為17.1%；YU Y X等[7]仿真研究了這種方案，并采用主泵為蓄能器補油。由于蓄能器壓力非線性引入，直接采用蓄能器回收叉車的重力勢能要求在工作裝置下降時采用節流方式控制，或增大蓄能器壓力使其提供的力大于負載重力，并引入主動力源向有桿腔供油控制下降速度，這就導致速度控制特性相對較差。李云霞等[8]研究了增設一套液壓泵/馬達構成液壓混合動力系統，通過泵馬達將工作裝置重力勢能存入蓄能器。

武葉等[9]通過在叉車系統中增設液壓泵/馬達、電動發電機和超級電容回收叉車勢能；錢宇等[10]也對上述類似方案進行了研究，獲得23.34%的勢能回收效率；張克軍[11]針對上述方案，設計了電機轉速模糊控制和勢能回收系統控制策略，仿真結果表明勢能回收效率有很大提高，經試驗測試，增加能量回收系統的電動叉車工作時間可延長11.6%；黃素德等[12]研究了基于雙液壓馬達發電機的叉車勢能回收系統，在需求回收功率低時采用小功率的回收單元，并通過試驗證明所提方案的可行性；為了充分降低能量回收系統的復雜度，MINAV T等[13-14]設計電動開式容積叉車驅動系統，采用主電動機和液壓泵作為能量回收單元，并研究電動機功率對能量效率的影響。

綜上所述，采用液壓回收方式，即直接采用蓄能器回收難以控制下降速度，尤其是對于單臺叉車而言，該叉車持續舉升貨物工作或者下放貨物工作，回收的能量將無處可用，同時由于蓄能器容積有限，無法每次都回收勢能，總體效果有限；采用電能回收方式，同樣也受蓄電池SOC制約，尤其能量轉換環節相對于液壓方式更復雜，總體效率有限。另外采用電動/發電機回收叉車重力勢能，能量回收效率在很大程度上受發電機工作轉速限制，轉速為600 r/min時回收效率僅為27.87%，而當轉速1200 r/min時回收效率可達79.29%[15]。

為此，本研究設計了采用變速容積驅動定量泵馬達作為主驅動和能量轉換單元，將蓄能器接入液壓泵吸油口存儲回收能量；同時設計了基于自動調度系統協調的管理策略，優先調度已儲存能量的叉車承擔舉升工作，未儲存能量的叉車承擔下放工作，從而解決叉車回收能量的再利用問題。

1 叉車舉升及勢能回收系統原理

圖1為所提開式容積叉車舉升及勢能回收系統原理，包括變轉速電機1、定排量液壓泵2、補油單向閥3、蓄能器控制閥4、蓄能器5、舉升控制閥6、舉升液壓缸7以及調度控制器。

圖1 開式容積叉車舉升及勢能回收系統

舉升工作中，電動機接收調度控制器發送的指令，正向旋轉，驅動定排量液壓泵工作，當蓄能器控制閥4工作在上位時，液壓泵從蓄能器中吸油；當控制閥4工作在下位時，液壓泵經控制閥和補油單向閥從油箱吸油。液壓泵排出的油液經舉升控制閥左位進入舉升液壓缸，從而實現叉車舉升過程，從電動機和蓄能器共同取能，舉升貨物。

下放工作中，可細分為帶貨物下降、空載下降兩種典型工況。帶貨物下降時，在貨物重力作用下，舉升液壓缸7無桿腔內高壓油經舉升控制閥6左位進入液壓泵，電動機反轉，排出的油液經蓄能器控制閥4進入蓄能器，實現貨物重力勢能的回收；空載下降時，在貨叉重力作用下，無桿腔內壓力油經舉升控制閥6左位進入液壓泵，電動機反轉，排出的油液經蓄能器控制閥4下位排入油箱。

所設計系統，還可以在舉升系統閑時為蓄能器充液，保證蓄能器內一直存有足夠液壓能，從而保證舉升控制需求。

2 理論分析與參數設計

2.1 理論分析

1) 動力源

圖2所示為圖1所示系統的變轉速動力源原理。

圖2 變轉速動力源

如圖2所示，電動機正向旋轉時，液壓泵在電動機和液壓蓄能器共同作用下工作，忽略液壓泵效率，蓄能器供油時，液壓泵的力矩平衡方程可表示為：

(1)

式中，J為液壓泵的轉動慣量；Bm為旋轉阻尼。

液壓輸出流量可表示為：

qp=qacc=Dn

(2)

液壓泵穩態輸入輸出功率關系可表示為：

Pm-p=ppqp-paccqacc

(3)

2) 舉升液壓缸

圖3所示為圖1所示系統舉升液壓缸原理。

圖3 舉升液壓缸

根據受力平衡，建立液壓缸活塞的力平衡方程如式(4)所示：

(4)

式中，Bc為直線阻尼系數。

3) 液壓蓄能器

由于功率密度大、回收能量速度快等優點，液壓蓄能器被廣泛應用于液壓能量的回收中。圖4為圖1系統的液壓蓄能器5的3種狀態，狀態1為蓄能器初始狀態；狀態2為蓄能器預充后狀態，對應系統舉升結束階段和下放開始階段；狀態3為蓄能器存儲液壓能后的狀態，對應系統舉升開始階段和下放結束階段。

圖4 液壓蓄能器

根據波爾定律，液壓蓄能器的壓力平衡關系可以表示為：

(5)

(6)

則當蓄能器內壓力從p1變化為p2、容積從V1變化為V2，液壓蓄能器內液壓能量的變化可計算為：

(7)

蓄能器工作循環周期短，工作過程可視為絕熱過程，多變指數可以選擇為k=1.4。

2.2 蓄能器參數設計

本研究所分析叉車額定載重2 t，額定提升速度滿載、空載分別為0.11 m/s，0.34 m/s，舉升液壓缸活塞直徑、活塞桿直徑和行程分別為40 mm，30 mm和 1.5 m。液壓泵排量25 mL/r，電動機額定功率和轉速分別為6.0 kW和2000 r/min。

根據式(3)可知，如果蓄能器壓力與液壓泵輸出壓力一致，那么就不需要電機輸出功率驅動。根據前述理論分析和叉車的參數和式(4)可計算得舉升額定載荷穩態時，液壓缸無桿腔的壓力約為16 MPa。由此可初步確定蓄能器工作壓力為16 MPa，以盡可能減小電機輸出功率。

液壓缸總行程為1.5 m，根據計算，一次完整舉升單個液壓缸無桿腔體積變化為1.88 L，2個液壓缸無桿腔體積變化約為3.77 L。

為保證蓄能器總體積最小，單位容積儲存能量最大條件下，蓄能器預充壓力可計算為：

p0=0.471p2

(8)

按p2=16 MPa計算，p0約等于7.5 MPa。為保證工作過程中系統壓力變化相對較小，設計p1=0.85p2=13.6 MPa。

根據式(5)，蓄能器工作在絕熱過程其總容積可計算為：

(9)

根據舉升液壓缸體積變化量，則蓄能器有效體積可初定為4 L，根據式(9)可計算得蓄能器總容積為55 L。

3 調度系統

目前智能輸送機器人系統，在工廠內部已經形成了比較完善的智能控制系統。以單臺叉車存放貨架工作為例，總控單元接收工廠指令，給出轉載命令，叉車在導航系統控制下，到達指定位置，叉取貨物，并送貨到達貨倉貨架區域，按貨架空置區域提升貨物到達指定位置，放貨，下放叉車臂。

上述過程中，叉車的選擇原則是就近原則。根據引言中分析，叉車舉升貨物作業和下放貨物作業，大部分是兩個獨立的過程，因此導致下放貨物作業中大量勢能浪費，采用能量回收方式，也存在容量限制難以滿足回收和再利用需求。為此，本研究提出在叉車的智能調度系統中，增加蓄能器能量狀態的調度參數，優先調度已經回收能量的叉車去完成舉升貨物作業，未儲存能量的叉車優先安排下放貨物作業。

下面以3臺叉車的智能輸送系統為例，對工作流程進行簡介。圖5所示為設計的調度系統基本框架。

圖5 調度系統

總控系統從以太網上獲取叉車位置點、儲能狀態以及工廠需求，對叉車進行調度。如圖5所示，叉車1和2已經儲能，則優先安排其負責提升貨物，叉車3未儲能，則優先安排其負責下放貨物?？偪叵到y還可以根據積累的工程運行數據，按需控制已經儲能叉車的數量。

4 仿真建模與結果分析

為分析設計的能量回收系統運行特性，建立叉車舉升系統仿真模型，如圖6所示，仿真系統參數見表1。

圖6 叉車舉升系統仿真模型

表1 叉車舉升系統仿真模型參數

設置舉升裝置貨物重量為1600 kg，由于叉車采用滑輪系統，相當于舉升3200 kg貨物，因此設置仿真系統中貨物質量為3200 kg+貨架質量200 kg。上升和下降為一個周期，運行距離1.0 m。對系統進行仿真，獲得圖7所示設計系統運行特性曲線。

圖7 舉升系統速度和位移

由圖7可知，采用電機轉速可以很好的控制叉車的速度和位移，帶貨物下降時速度波動相對較大。

圖8為舉升系統各腔壓力和位移曲線。

圖8 舉升系統壓力和位移

由圖8可知，帶貨物下降時，液壓缸無桿腔壓力約為12.0 MPa，舉升時無桿腔壓力比下降略高，約為14.6 MPa，這種現象主要是門架的摩擦力阻礙貨叉運動所致。隨著液壓缸回縮，液壓蓄能器內油液壓力由初始的13.6 MPa升高為15.8 MPa；隨著液壓缸伸出，壓力又從15.8 MPa降為13.6 MPa，與理論設計相符。

圖9所示為新設計系統運行過程中各環節能量變化情況。

圖9 舉升系統能量變化與位移

由圖9可知，由于蓄能器初始壓力較高，在帶貨物下降時，電動機仍需要輸出能量驅動液壓泵工作，整個下降過程電機輸出能量7.77 kJ，貨物的重力勢能變化為33.47 kJ，液壓蓄能器存儲能量的變化為34.65 kJ，整個能量傳遞環節損失能量約為6.59 kJ，系統效率約為84.0%。這一過程中，電機和貨物共同作用，將能量存儲到蓄能器中。

舉升過程，由于蓄能器壓力較高，電機只需要輸出較小能量即可，約為0.76 kJ，蓄能器存儲能量變化為37.81 kJ，貨物重力勢能變化約為33.11 kJ，整個能量傳遞環節損失能量約為5.46 kJ，系統效率約為85.8%，這一過程中，蓄能器和電機共同作用驅動液壓泵帶貨物提升。

同時對原始系統進行了仿真分析，一次完整帶載升降電機輸出能量為37.07 kJ；而采用新設計能量回收系統，電動機僅需輸出8.53 kJ的能量，節能比例高達76.9%。產生如此高效率的原因主要包括：新的能量回收系統相對簡單，整個傳遞環節效率較高，回收的能量可以高效再利用；此外，新系統大部分工作時間液壓泵兩油口的壓力相對均衡，容積效率相比傳統方式要高。

4 結論

本研究針對智能化工廠中常用的叉車進行了研究，設計了叉車重力勢能高效回收再利用系統，并針對叉車舉升貨物和下放貨物時空的不一致，初步給出了結合調度系統的回收能量再利用方法，獲得了如下結論：

(1) 結合現有叉車調度系統，給出了叉車能量回收和再利用調度方法；

(2) 新設計的能量回收系統，整個升降過程能量效率較高，平均系統效率80%以上；

(3) 與傳統無回收系統相比，節能比例高達76.9%。