閥口獨(dú)立控制液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)特性

王 帆，黃偉男，權(quán) 龍

(太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030024)

0 引言

挖掘機(jī)在工程機(jī)械中扮演著重要的角色，被廣泛應(yīng)用于建筑施工、礦物開(kāi)采、水利興修、交通運(yùn)輸?shù)仁┕?chǎng)合[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，回轉(zhuǎn)動(dòng)作在挖掘機(jī)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作循環(huán)中的時(shí)間占比達(dá)到50%～70%，能耗占總能量的25%～35%[3]。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大且工作頻繁，回轉(zhuǎn)過(guò)程中的能量損失主要包括：回轉(zhuǎn)馬達(dá)起動(dòng)時(shí)，液壓泵提供的流量大于馬達(dá)所需流量而造成的溢流損失；制動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)臺(tái)的動(dòng)能以熱能的形式耗散造成能量浪費(fèi)[4]。

傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)采用四邊聯(lián)動(dòng)閥控馬達(dá)系統(tǒng)，存在進(jìn)出油口同時(shí)節(jié)流，節(jié)流和溢流損失嚴(yán)重的問(wèn)題，為了解決這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)閥口獨(dú)立技術(shù)進(jìn)行了大量研究。Choi等[5]將進(jìn)出口獨(dú)立和流量再生方法應(yīng)用于現(xiàn)有液壓挖掘機(jī)，仿真結(jié)果表明，動(dòng)臂和斗桿的節(jié)能效率分別達(dá)44%和21%。王慶豐[6]針對(duì)大慣性回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，提出了電液進(jìn)出口獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)的構(gòu)成、控制結(jié)構(gòu)和控制策略，改善回轉(zhuǎn)系統(tǒng)運(yùn)行特性。汪成文等[7]采用自抗擾控制原理解決進(jìn)出口獨(dú)立系統(tǒng)中多個(gè)控制自由度的耦合問(wèn)題，進(jìn)一步降低出油口的節(jié)流損失。熊城煒等[8]提出一種基于雙閥芯結(jié)構(gòu)的負(fù)載口獨(dú)立控制式并聯(lián)換向閥，降低了系統(tǒng)總穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力。權(quán)龍等[9-10]利用雙調(diào)速液壓泵按進(jìn)出口獨(dú)立系統(tǒng)方式控制差動(dòng)液壓缸，減少系統(tǒng)能耗和每臺(tái)泵的發(fā)熱，在此基礎(chǔ)上提出適用于多執(zhí)行器的泵閥復(fù)合流量匹配系統(tǒng)解決方案。

上述研究在挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)過(guò)程中，在很大程度上改善了挖掘機(jī)的能耗和運(yùn)行特性，但不足之處在于并未對(duì)挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量進(jìn)行回收利用。Lee等[11]利用蓄能器回收制動(dòng)階段油液，下次起動(dòng)時(shí)將高壓油釋放到馬達(dá)的進(jìn)油口，節(jié)能效果顯著。馬海英等[12]在回轉(zhuǎn)泵控液壓系統(tǒng)中采用高低壓蓄能器回收能量，提高了系統(tǒng)能效且縮短制動(dòng)時(shí)長(zhǎng)。王欣等[13]設(shè)計(jì)了一種閉式液壓節(jié)能系統(tǒng)，提出以蓄能器壓力、速度和外負(fù)載為判斷信號(hào)的控制策略，使節(jié)能系統(tǒng)中的流量與壓力穩(wěn)定。秦澤等[14]提出了一種可調(diào)節(jié)供油壓力恒定的雙皮囊蓄能器，與普通蓄能器相比多提供25%的能量。黃偉男等[15]和權(quán)龍等[16]提出了雙液壓馬達(dá)主被動(dòng)復(fù)合控制挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)原理，被動(dòng)系統(tǒng)與主動(dòng)系統(tǒng)的液壓馬構(gòu)成機(jī)械耦合方式，解決液壓耦合能量回收系統(tǒng)能量利用率低的問(wèn)題。

以上研究表明閥口獨(dú)立控制系統(tǒng)較傳統(tǒng)四邊節(jié)流閥控回路能減少大慣量回轉(zhuǎn)系統(tǒng)起動(dòng)階段節(jié)流和溢流損失，采用蓄能器回收制動(dòng)動(dòng)能方法，可以提高系統(tǒng)能效。因此，提出基于閥口獨(dú)立控制的液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，應(yīng)用泵閥復(fù)合、壓力流量匹配控制策略抑制傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)起動(dòng)階段節(jié)流和溢流損失，利用四閥芯閥口獨(dú)立控制系統(tǒng)多自由度的優(yōu)點(diǎn)，解決制動(dòng)階段回轉(zhuǎn)系統(tǒng)壓力沖擊和反轉(zhuǎn)問(wèn)題；采用液壓蓄能器回收制動(dòng)能量，并將回收的能量用于下一次起動(dòng)，實(shí)現(xiàn)能量的回收再利用，且通過(guò)增壓缸解決蓄能器空載制動(dòng)階段回收油液體積和壓力不足的問(wèn)題，使蓄能器在滿載起動(dòng)階段提供足夠的能量。

1 閥口獨(dú)立控制挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成和工作原理

所提出的基于閥口獨(dú)立控制液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)原理如圖1所示。系統(tǒng)中定轉(zhuǎn)速變量泵動(dòng)力源1的流量和壓力連續(xù)可調(diào)，變量泵的出口裝有流量傳感器2和壓力傳感器3-1檢測(cè)變量泵的流量和壓力；回轉(zhuǎn)馬達(dá)5兩腔裝有壓力傳感器3-2和3-3，陀螺儀6可檢測(cè)回轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速；電磁比例閥4-1、4-2、4-3、4-4構(gòu)成閥口獨(dú)立閥組。

1.動(dòng)力源; 2.流量傳感器; 3.壓力傳感器; 4.電磁比例閥; 5.馬達(dá); 6.陀螺儀; 7.蓄能器; 8.增壓缸; 9.DSPACE控制器;10.手柄

當(dāng)挖掘機(jī)滿載正轉(zhuǎn)起動(dòng)時(shí)，變量泵提供馬達(dá)所需的油液經(jīng)進(jìn)口電磁比例閥4-1進(jìn)入回轉(zhuǎn)馬達(dá)5 左腔，回轉(zhuǎn)馬達(dá)5右腔油液經(jīng)出口電磁比例閥4-4回油箱，挖掘機(jī)正轉(zhuǎn)起動(dòng)完成。挖掘機(jī)滿載正轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)，進(jìn)出口電磁比例閥全關(guān)，電磁比例閥4-5打開(kāi)，回轉(zhuǎn)馬達(dá)5的制動(dòng)油液通過(guò)電磁比例閥4-5存儲(chǔ)在蓄能器7中，實(shí)現(xiàn)能量回收。

當(dāng)挖掘機(jī)空載反轉(zhuǎn)起動(dòng)時(shí)，電磁比例閥4-6打開(kāi)，蓄能器中的油液經(jīng)電磁比例閥4-6釋放到變量泵出油口，輔助回轉(zhuǎn)馬達(dá)起動(dòng)，蓄能器油液放至最低工作壓力時(shí)，電磁比例閥4-6關(guān)閉，蓄能器輔助起動(dòng)結(jié)束。此時(shí)，變量泵繼續(xù)提供馬達(dá)所需的油液，經(jīng)進(jìn)口電磁比例閥4-2進(jìn)入回轉(zhuǎn)馬達(dá)5右腔，回轉(zhuǎn)馬達(dá)5左腔油液經(jīng)出口電磁比例閥4-3回油箱，挖掘機(jī)空載反轉(zhuǎn)起動(dòng)完成。挖掘機(jī)空載反轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)，進(jìn)出口電磁比例閥全關(guān)，電磁比例閥4-5打開(kāi)，回轉(zhuǎn)馬達(dá)5的制動(dòng)油液通過(guò)電磁比例閥4-5存儲(chǔ)在蓄能器7中，實(shí)現(xiàn)能量回收。

本研究考慮了挖掘機(jī)工作時(shí)上車回轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化大的問(wèn)題，當(dāng)空載制動(dòng)時(shí)，蓄能器回收的油液較少，下一次滿載起動(dòng)時(shí)不能提供足夠的油液和壓力，蓄能器壓力波動(dòng)大。因此，在空載制動(dòng)結(jié)束后，電磁比例閥4-7打開(kāi)，將變量泵提供的低壓油配合增壓缸8補(bǔ)充至蓄能器7，解決蓄能器空載制動(dòng)到滿載起動(dòng)階段提供能量不足的問(wèn)題。手柄10提供系統(tǒng)動(dòng)作信號(hào)，DSPACE控制器9管理系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程。

1.2 蓄能器選型和參數(shù)匹配

以某型6 t液壓挖掘機(jī)為研究對(duì)象，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 6 t挖掘機(jī)主要參數(shù)

選用皮囊式蓄能器回收挖掘機(jī)制動(dòng)動(dòng)能。蓄能器遵循氣體狀態(tài)方程：

(1)

式中：p0為蓄能器初始狀態(tài)時(shí)的壓力；p1為蓄能器最低工作壓力；V0、V1為預(yù)充氣體體積和最低工作壓力時(shí)的氣體體積；n為氣體多變指數(shù)。

p1=(0.6～0.85)p0

(2)

p2=(1.1～1.5)p0

(3)

式中：p2為蓄能器最高工作壓力。

可以計(jì)算蓄能器容積大小：

(4)

式中：ΔV為最高和最低工作壓力時(shí)的容量變化量；

為了滿足駕駛員的駕駛舒適性，設(shè)定6 t挖掘機(jī)滿載回轉(zhuǎn)時(shí)的最大轉(zhuǎn)速約為9 r/min，回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)間約為1.5 s。通過(guò)計(jì)算，滿載回轉(zhuǎn)時(shí)單次制動(dòng)蓄能器回收的油液體積為0.32 L，即ΔV為0.32 L，蓄能器初始狀態(tài)壓力為18.5 MPa，蓄能器容積為6 L。

1.3 控制策略

如圖2為能量回收系統(tǒng)控制策略，當(dāng)駕駛員擺動(dòng)手柄給出操作信號(hào)后，DSPACE控制器根據(jù)手柄擺角和方向判斷挖掘機(jī)工作模式，根據(jù)馬達(dá)動(dòng)作所需的流量，控制器相應(yīng)輸出閥口獨(dú)立閥組、變量泵、蓄能器等元件的控制信號(hào)，使挖掘機(jī)按照手柄給定信號(hào)作業(yè)，同時(shí)根據(jù)傳感器反饋的壓力、流量、馬達(dá)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制信號(hào)的大小，提高控制精度。

圖2 能量回收系統(tǒng)控制策略

如圖3為蓄能器充放液控制策略，控制器根據(jù)馬達(dá)的預(yù)期轉(zhuǎn)速ω、馬達(dá)排量Vm、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n和總傳動(dòng)比i等參數(shù)，控制變量泵排量Vp和其輸出流量qs，使馬達(dá)按預(yù)期工況動(dòng)作。根據(jù)陀螺儀測(cè)得的角速度ωr和角加速度αr的乘積判斷回轉(zhuǎn)馬達(dá)動(dòng)作，若ωr·αr>0，馬達(dá)處于起動(dòng)加速階段，否則處于勻速或制動(dòng)階段。

圖3 蓄能器充放液控制策略

若馬達(dá)處于起動(dòng)加速階段，且蓄能器壓力p大于最低壓力p1，蓄能器放液輔助回轉(zhuǎn)馬達(dá)起動(dòng)，蓄能器油液放至p1時(shí)停止放液。若ωr·αr<0，則馬達(dá)處于減速制動(dòng)階段，蓄能器回收馬達(dá)制動(dòng)油液，當(dāng)蓄能器油液回收至最高壓力p2時(shí)停止回收；空載制動(dòng)階段，蓄能器回收制動(dòng)能量后，蓄能器壓力仍小于p2，此時(shí)變量泵提供油液配合增壓缸給蓄能器補(bǔ)油，蓄能器壓力達(dá)到最高壓力p2時(shí)停止補(bǔ)油。

2 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)仿真模型

為驗(yàn)證所提控制策略的可行性，并對(duì)已設(shè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)現(xiàn)有某6 t小型挖掘機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)基本原理，在多學(xué)科仿真軟件 SimulationX中建立液壓挖掘機(jī)多體動(dòng)力學(xué)機(jī)電液聯(lián)合仿真模型，如圖4所示。

圖4 液壓挖掘機(jī)多體動(dòng)力學(xué)機(jī)電液聯(lián)合仿真模型

對(duì)所提出的閥口獨(dú)立控制液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，并與傳統(tǒng)無(wú)能量回收的四邊節(jié)流閥控回轉(zhuǎn)系統(tǒng)運(yùn)行特性和能耗特性進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 能量回收系統(tǒng)運(yùn)行特性研究

對(duì)傳統(tǒng)無(wú)能量回收的四邊節(jié)流閥控回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和基于閥口獨(dú)立控制的液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)進(jìn)行滿載-空載-滿載120°工況仿真分析。圖5為傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)與能量回收系統(tǒng)運(yùn)行特性曲線， 1～3.45 s挖掘機(jī)滿載正轉(zhuǎn)起動(dòng)，傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和能量回收系統(tǒng)回轉(zhuǎn)裝置均達(dá)到駕駛舒適速度9 r/min，

圖5 有無(wú)能量回收系統(tǒng)運(yùn)行特性曲線

3.45～4.75 s兩系統(tǒng)滿載制動(dòng)，4.75 s制動(dòng)結(jié)束時(shí)兩系統(tǒng)均達(dá)到期望轉(zhuǎn)角120°。傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)通過(guò)溢流閥建立背壓制動(dòng)，存在速度波動(dòng)和挖掘機(jī)反轉(zhuǎn)擺動(dòng)，馬達(dá)兩腔壓力沖擊大。能量回收系統(tǒng)采用4個(gè)電磁比例閥構(gòu)成閥口獨(dú)立控制回路，通過(guò)閥口獨(dú)立控制回路多自由度的優(yōu)點(diǎn)，在回轉(zhuǎn)裝置達(dá)到120°時(shí)，回油電磁比例閥打開(kāi)，解決了馬達(dá)轉(zhuǎn)速波動(dòng)和反轉(zhuǎn)擺動(dòng)現(xiàn)象。4.75～7 s兩系統(tǒng)不工作，7～9.45 s兩系統(tǒng)空載反轉(zhuǎn)起動(dòng)，9.45～10.75 s兩系統(tǒng)空載制動(dòng)回到初始工作位置0°，10.75～13 s兩系統(tǒng)不工作，13～16.75 s兩系統(tǒng)均進(jìn)行滿載正轉(zhuǎn)起動(dòng)制動(dòng)過(guò)程，16.75～18 s兩系統(tǒng)均不工作。

2.2 傳統(tǒng)系統(tǒng)與能量回收系統(tǒng)馬達(dá)兩腔壓力對(duì)比

圖6為馬達(dá)兩腔壓力特性曲線。

圖6 液壓馬達(dá)兩腔壓力特性曲線

傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和能量回收系統(tǒng)均在1～3.45 s和13～15.45 s為滿載正轉(zhuǎn)起動(dòng)階段，此時(shí)進(jìn)出口電磁比例閥全開(kāi)，回轉(zhuǎn)馬達(dá)A腔壓力增大，回轉(zhuǎn)馬達(dá)B腔壓力約為0.2 MPa，有利于挖掘機(jī)的加速起動(dòng)，在3.45～4.75 s和15.45～16.75 s滿載制動(dòng)階段，回轉(zhuǎn)馬達(dá)B腔壓力增大，建立背壓使回轉(zhuǎn)裝置制動(dòng)。在7～9.45 s空載反轉(zhuǎn)起動(dòng)階段，回轉(zhuǎn)馬達(dá)B腔壓力增大，回轉(zhuǎn)馬達(dá)A腔壓力為0.2 MPa，挖掘機(jī)加速起動(dòng)，9.45～10.75 s回轉(zhuǎn)馬達(dá)A腔壓力增大，建立背壓使回轉(zhuǎn)裝置制動(dòng)。傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)制動(dòng)階段，挖掘機(jī)上車回轉(zhuǎn)平臺(tái)擺動(dòng)，馬達(dá)兩腔壓力不斷波動(dòng)，且壓力峰值達(dá)到30 MPa，能量回收系統(tǒng)壓力波動(dòng)小，壓力峰值為26 MPa。

2.3 增壓缸補(bǔ)油能量回收特性影響

挖掘機(jī)滿載和空載制動(dòng)時(shí)，上車回轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化大，所以蓄能器回收的油液體積和壓力不同，用于輔助回轉(zhuǎn)起動(dòng)的能量也不同。圖7為有無(wú)補(bǔ)油蓄能器壓力和油液體積變化曲線，3.45～4.75 s挖掘機(jī)滿載正轉(zhuǎn)制動(dòng)蓄能器回收油液0.324 L，蓄能器壓力由初始20 MPa升至22.53 MPa，7～9.45 s蓄能器輔助空載反轉(zhuǎn)起動(dòng)，且在7.8 s蓄能器壓力為20 MPa時(shí)輔助起動(dòng)結(jié)束，變量泵繼續(xù)輸出油液使挖掘機(jī)達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)角。9.45～10.75 s挖掘機(jī)空載反轉(zhuǎn)制動(dòng)，由于空載上車回轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，蓄能器回收油液僅為0.179 L，壓力升至21.3 MPa。為使蓄能器滿足下一階段滿載起動(dòng)要求，通過(guò)變量泵配合增壓缸向蓄能器補(bǔ)充油液，將蓄能器油液補(bǔ)充至0.758 L，蓄能器壓力上升至22.53 MPa，空載制動(dòng)階段蓄能器補(bǔ)油體積為滿載制動(dòng)回收油液體積的44.7%，13～16.75 s挖掘機(jī)在蓄能器輔助下重復(fù)滿載起制動(dòng)過(guò)程。

圖7 有無(wú)補(bǔ)油時(shí)蓄能器油液體積和壓力變化曲線

2.4 傳統(tǒng)系統(tǒng)和能量回收系統(tǒng)功率能耗對(duì)比

傳統(tǒng)無(wú)能量回收的四邊節(jié)流閥控回轉(zhuǎn)系統(tǒng)在1～3.45 s和13～15.45 s滿載起動(dòng)、7～9.45 s空載起動(dòng)階段輸出功率和能量較大，制動(dòng)階段變量泵不提供油液，靠溢流閥建立背壓制動(dòng)，回轉(zhuǎn)平臺(tái)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能浪費(fèi)。能量回收系統(tǒng)通過(guò)蓄能器回收制動(dòng)階段能量，且用于下次起動(dòng)，降低了起動(dòng)階段變量泵的輸出功率和能量。圖8為兩系統(tǒng)能耗曲線，當(dāng)傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和能量回收系統(tǒng)完成相同的作業(yè)，傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)變量泵提供的最大輸出功率為13.1 kW，輸出能量為31.01 kJ；能量回收系統(tǒng)變量泵提供的最大輸出功率為12.7 kW，輸出能量為16.99 kJ，能耗降低45.2%。

圖8 系統(tǒng)功率能耗曲線

2.5 蓄能器能量回收效果

能量回收率：

(5)

能量再利用率:

(6)

能量總回收率:

η3=η1×η2×100%

(7)

式中：E1為蓄能器在回轉(zhuǎn)制動(dòng)過(guò)程回收的能量;E2為回轉(zhuǎn)制動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)能的損失量；E3為轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)能的增加量。

圖9 蓄能器能量與回轉(zhuǎn)動(dòng)能變化曲線

3 結(jié)論

1) 提出閥口獨(dú)立控制液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，采用泵閥復(fù)合、壓力流量匹配控制策略抑制回轉(zhuǎn)平臺(tái)起動(dòng)過(guò)程的節(jié)流和溢流損失，利用閥口獨(dú)立多自由度控制的優(yōu)點(diǎn)解決了制動(dòng)階段回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的壓力沖擊和反轉(zhuǎn)問(wèn)題，使轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行平穩(wěn)。

3) 滿載和空載階段回轉(zhuǎn)平臺(tái)動(dòng)能分別為8.65 kJ和4.62 kJ，滿載和空載制動(dòng)階段蓄能器回收的能量分別為6.7 kJ和3.63 kJ，滿載和空載制動(dòng)階段蓄能器能量回收率分別為77.4 %和77.8%；通過(guò)閥口獨(dú)立控制系統(tǒng)和蓄能器回收再利用制動(dòng)能量的結(jié)合，較傳統(tǒng)6 t級(jí)液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)能耗降低45.3%。