基于蓄能器的節(jié)能回路控制策略研究

王 欣，孫 新，王盼盼2，姜振楠

(1.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.大連益網(wǎng)科技有限公司，遼寧 大連 116023)

引言

當(dāng)前，能源問題日益嚴(yán)重，工程機(jī)械產(chǎn)品的節(jié)能化要求也在不斷更新發(fā)展。工程機(jī)械產(chǎn)品中的能量回收和能量的再利用是能夠達(dá)到節(jié)能的有效途徑。因而，針對這兩方面的液壓系統(tǒng)設(shè)計研究工作越來越引起人們的關(guān)注。

在國內(nèi)，諸多高校和企業(yè)都取得了一定的進(jìn)展。劉曉永等[1]針對90 t港口移動式起重機(jī)進(jìn)行了研究，提出了以蓄能器壓力和二次元件排量為判斷參數(shù)的控制策略，實現(xiàn)了節(jié)能回路和主回路的接入與退出的自動控制。王冰冰等[2]設(shè)計了一種以蓄能器為動力源液壓電機(jī)系統(tǒng)，并根據(jù)蓄能器工作過程變壓力的特點，提出了蓄能器變壓力實時補(bǔ)償?shù)腜ID控制方法，達(dá)到了較好的轉(zhuǎn)速控制效果。李楓等[3]設(shè)計了一種基于柱塞式蓄能器和泵/馬達(dá)二次元件的起升節(jié)能閉式系統(tǒng)，并提出了兩種可提高系統(tǒng)效率的控制策略。張春峰等[4]設(shè)計了蓄能器式輔助動力源快速起豎系統(tǒng)實驗平臺，提出了合理的控制策略，解決了開閉環(huán)切換時的壓力沖擊問題。許高倫等[5]提出了用2個初始壓力不同的蓄能器作為儲能單元的方法，分析了蓄能器各個主要參數(shù)對再生制動過程的影響。張建等[6]構(gòu)建了新型裝載機(jī)定變量液壓系統(tǒng)，分析了裝載機(jī)變量液壓系統(tǒng)的工作原理及能耗問題。葉鵬彥[7]針對起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)進(jìn)行研究，將新型負(fù)載敏感平衡閥應(yīng)用在該系統(tǒng)中，達(dá)到良好的節(jié)能效果。國外方面，芬蘭MINAVTA等[8]對液壓叉車進(jìn)行了負(fù)載勢能回收再利用節(jié)能研究，結(jié)果表明能量利用率提高約31%。韓國TRIED等[9]設(shè)計了一種蓄能器與閉式液壓系統(tǒng)結(jié)合的液壓油路，采用高、低壓蓄能器配合回收系統(tǒng)能量的方法，并采用了模糊自整定滑膜控制方法控制，結(jié)果表明可提升22%～59%的效率。德國利勃海爾公司開發(fā)出Pactronic閉式液壓系統(tǒng)，采用大容積蓄能器對負(fù)載勢能進(jìn)行回收再利用，油耗降低30%[10]。

可以看出，液壓系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)發(fā)展很快，節(jié)能方式也很多樣化，其中以蓄能器為儲能元件的節(jié)能應(yīng)用更多，因為蓄能器是比較高效的儲能元件，但蓄能器在工作過程中存在的壓力變化特性，使得其在節(jié)能中的應(yīng)用受到一定制約。為此，本研究以閉式液壓試驗臺為研究對象，設(shè)計了蓄能器為動力元件的節(jié)能回路。考慮其工作過程中這種壓力變化的特性，研究相應(yīng)的控制策略，引入電磁比例減壓閥，使回路壓力呈階梯式穩(wěn)定變化，同時調(diào)整二次元件排量，與回路壓力相適應(yīng)，從而保證比例換向閥的前后壓差保持不變，進(jìn)而穩(wěn)定輸出流量，也能適應(yīng)不同負(fù)載與速度的需求。

1 系統(tǒng)組成及液壓原理設(shè)計

與傳統(tǒng)開式液壓系統(tǒng)相比，閉式液壓系統(tǒng)具有效率高、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)易于布置、油液污染幾率小等特點，在起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)中應(yīng)用越來越廣泛。起升機(jī)構(gòu)在下降過程中需要發(fā)動機(jī)吸收負(fù)載產(chǎn)生的負(fù)功率，發(fā)動機(jī)此時仍需要有功率輸入。如果能夠?qū)⒇?fù)載下放產(chǎn)生的勢能回收并進(jìn)行再利用，則將減少發(fā)動機(jī)的功率輸入，提升節(jié)能效果?；诖耍O(shè)計了以蓄能器為液壓源的節(jié)能回路和閉式回路并聯(lián)的勢能回收再利用系統(tǒng)，液壓原理圖如圖1所示，主要參數(shù)如表1所示。

表1 試驗臺主要參數(shù)

1.油箱 2.變量泵 3.泵變量機(jī)構(gòu) 4.補(bǔ)油泵 5.補(bǔ)油溢流閥 6.高壓溢流閥 7.壓力切斷閥 8.沖洗閥 9.二次元件變量機(jī)構(gòu) 10.泵/馬達(dá)二次元件 11.單向閥 12.比例換向閥 13.蓄能器 14.充能比例換向閥 15.電磁比例減壓閥 16.釋能比例換向閥 17.壓力安全閥圖1 勢能回收再利用液壓系統(tǒng)原理圖

該勢能回收再利用系統(tǒng)由主回路和節(jié)能回路組成，主回路由變量泵2、比例換向閥12、單向閥11、二次元件10組成。節(jié)能回路由蓄能器13、電磁比例減壓閥15、釋能比例換向閥16及充能比例換向閥14組成。系統(tǒng)可分為主回路動作、節(jié)能回路動作和主回路與節(jié)能回路共同動作3種動作方式。

負(fù)載起升時，若節(jié)能回路單獨工作，則釋能比例換向閥16會根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速要求打開到指定位置，系統(tǒng)控制器根據(jù)蓄能器壓力值決定輸入電磁比例減壓閥15的控制信號，進(jìn)而調(diào)整電磁比例減壓閥15的出口油壓力。油液由蓄能器13流出，經(jīng)過節(jié)能回路驅(qū)動二次元件起升，并由沖洗閥8流回油箱。同時，泵排量可降低至最低值，減少功率輸入。若主回路單獨動作時，釋能比例換向閥16關(guān)閉，節(jié)能回路不供油。油液由變量泵2經(jīng)過單向閥11直接驅(qū)動二次元件起升。若主回路與節(jié)能回路共同工作時，釋能比例換向閥16開啟，驅(qū)動二次元件起升的油液由泵產(chǎn)生的油液和蓄能器釋放的油液合流組成。

負(fù)載下降時，泵變量控制推桿越過零點，油液的流向與起升時相反。此時，二次元件10處于泵狀態(tài)，供油側(cè)為低壓，回油側(cè)為高壓。若蓄能器內(nèi)油液壓力較低，可以儲存能量，則比例換向閥12關(guān)閉，充能比例換向閥14打開。此時負(fù)載重力勢能轉(zhuǎn)化為蓄能器內(nèi)部油液壓力能。若蓄能器內(nèi)油液壓力較高，不能再儲存能量，則充能比例換向閥14關(guān)閉。同時，比例換向閥12增大開度，大部分重力勢能由發(fā)動機(jī)吸收，其余能量以熱能形式散發(fā)。

2 系統(tǒng)控制策略研究

從上述工作原理描述中可以看到，本系統(tǒng)可針對不同起升負(fù)載實現(xiàn)升降動作，并且依據(jù)手柄位置來獲知速度的需求，從而控制系統(tǒng)實現(xiàn)速度上的變化。當(dāng)節(jié)能回路參與或獨立為負(fù)載提供動力時，由于蓄能器在工作過程中的變壓力特性，易使得回路壓力不穩(wěn)定，進(jìn)而影響負(fù)載動作與速度。因此，合理的控制策略對回路的壓力與流量的穩(wěn)定至關(guān)重要。為此，本研究以節(jié)能回路獨立為負(fù)載起升提供動力為例，研究分析相應(yīng)的控制策略，不僅保證壓力與流量的穩(wěn)定，而且也適應(yīng)負(fù)載與速度變化的需求。

當(dāng)節(jié)能回路為負(fù)載提供動力時，二次元件處于馬達(dá)工作狀態(tài)，負(fù)載扭矩可表示為：

(1)

式中，pm—— 進(jìn)油口壓力

Vm—— 排量

G—— 負(fù)載

i—— 減速機(jī)的減速比，i=37.6

d—— 卷筒直徑，d=500 mm

從式(1)可以看出，負(fù)載扭矩決定回路壓力。而回路壓力由蓄能器提供，但蓄能器壓力會因其油液體積變化而變化，因此通過電磁比例減壓閥15來對蓄能器壓力的輸出進(jìn)行階梯式處理，滿足各階梯內(nèi)的壓力穩(wěn)定，如圖2所示。為便于能量更好的利用，各階梯間的壓力差值設(shè)為2 MPa，則電磁比例減壓閥15的壓力調(diào)定差值即為2 MPa。電磁比例減壓閥15的出口壓力為階梯式變化，需要二次元件的入口壓力也隨之進(jìn)行階梯式的跟隨變化，才能保證釋能比例換向閥16前后壓差的恒定與流量的穩(wěn)定。這可通過改變二次元件的排量，實現(xiàn)其入口壓力的變化。而二次元件的入口壓力與負(fù)載有關(guān)，因此負(fù)載也要與蓄能器壓力具有階梯式匹配與劃分，見表2。

圖2 節(jié)能回路油液壓力輸出形式

由此實施的控制策略如圖3所示。通過負(fù)載可推出二次元件在最大排量下的入口壓力，釋能比例換向閥16的流量特性(式(2))及穩(wěn)定的流量，就可推出電磁比例減壓閥15的出口壓力。而根據(jù)蓄能器的壓力，亦可推出電磁比例減壓閥15的出口壓力。兩者推得的電磁比例減壓閥15出口壓力應(yīng)匹配，才能使負(fù)載動作。具體來說，如果后者小于前者，則蓄能器無法提供負(fù)載所需壓力，不能使負(fù)載動作。如果后者大于前者，則可以提供負(fù)載動作。但如果差值過大，超過2 MPa，說明二次元件未能很好跟隨電磁比例減壓閥15的出口壓力，則需要減小二次元件排量，以增加其入口壓力，使得前者數(shù)值與后者數(shù)值接近，實現(xiàn)負(fù)載動作。如果負(fù)載速度有變化需求，可以改變釋能比例換向閥16的閥口開度來實現(xiàn)。

(2)

式中，C—— 流量系數(shù)

A—— 釋能比例換向閥16閥口開度

ρ—— 油液密度

3 節(jié)能回路仿真模型

根據(jù)上述控制策略，建立節(jié)能回路的AMESim仿真模型，以研究不同工況下執(zhí)行元件速度平穩(wěn)特性。其中，電磁比例減壓閥的壓力控制特性在該節(jié)能回路中具有重要作用，因此對電磁比例減壓閥進(jìn)行了詳細(xì)的建模，并確定合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表2 蓄能器內(nèi)油液壓力與負(fù)載匹配表

圖3 節(jié)能回路控制策略框圖

3.1 減壓閥模型仿真及參數(shù)選擇

通過AMESim的機(jī)械庫、信號控制庫、液壓庫(包括管道模型)和液壓元件設(shè)計庫(HCD)構(gòu)成了電磁比例減壓閥模型仿真模型，如圖4所示。

1.電磁鐵電信號 2.阻尼孔 3.出油口 4.復(fù)位彈簧 5.進(jìn)油口圖4 電磁比例減壓閥仿真模型

在理想情況下，當(dāng)輸入壓力變化時減壓閥出口壓力應(yīng)保持恒定，但實際由于閥口出油口壓力受影響的因素較多，其輸出壓力會發(fā)生變化，在釋能比例換向閥開口量一定時，起升速度也會發(fā)生變化，在選擇減壓閥的具體參數(shù)時應(yīng)對此進(jìn)行考慮，減少減壓閥的出口壓力的變化，保持起升速度恒定[11]。

設(shè)定蓄能器油液壓力為16.0 MPa，按照減壓閥出口壓力為14.0 MPa輸入電磁信號。

1) 閥芯質(zhì)量的選擇

閥芯質(zhì)量對閥的出口壓力的影響如圖5所示。從曲線中可以看出，隨著閥芯質(zhì)量的增加，閥出口壓力出現(xiàn)震蕩，且震蕩誤差變大，因此盡可能選擇小質(zhì)量的閥芯，在此取閥芯的質(zhì)量為0.08 kg。

圖5 不同閥芯質(zhì)量時減壓閥的出口壓力-時間曲線

2) 調(diào)壓彈簧剛度的選擇

彈簧剛度對閥的出口壓力的影響如圖6所示。從曲線中可以看出，隨著彈簧剛度的增加，閥的出口壓力誤差也有所增加，但幅度不大，且穩(wěn)定時間基本相同，在此取彈簧剛度為5 N/mm。

圖6 不同彈簧剛度時減壓閥的出口壓力-時間曲線

3) 阻尼孔直徑的選擇

阻尼孔直徑對閥出口壓力的影響如圖7所示。從仿真曲線可以看到，當(dāng)阻尼孔取不同值時，閥的動態(tài)特性變化較明顯。若孔徑偏小，則阻尼孔起較大的阻尼作用，穩(wěn)定時間變長；若取較大直徑，則阻尼作用較弱，出現(xiàn)較大幅度的振蕩，在此取阻尼孔直徑為0.3 mm。

圖7 不同阻尼孔直徑時減壓閥的出口壓力-時間曲線

3.2 節(jié)能回路建模

采用AMESim-Simulink聯(lián)合仿真手段，在AMESim中建立聯(lián)合仿真模型如圖8所示，在MATLAB/Simulink中建立仿真模型如圖9所示。

圖8 節(jié)能回路AMESim仿真模型

圖9 MATLAB/Simulink仿真模型

4 節(jié)能回路系統(tǒng)仿真及分析

針對不同負(fù)載和目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真實驗，仿真結(jié)果及分析如下[12]。仿真模型中參數(shù)按照表3進(jìn)行設(shè)置，仿真時間設(shè)置為100 s。在MATLAB/Simulink環(huán)境下建立控制策略算法模型，通過MATLAB Function模塊中的程序語句進(jìn)行邏輯控制，并將算法模型與液壓系統(tǒng)的AMESim仿真模型進(jìn)行聯(lián)合仿真。

表3 AMESim仿真模型主要參數(shù)

1) 負(fù)載15 kN，二次元件目標(biāo)轉(zhuǎn)速600 r/min時的仿真分析

按照表1、表3中數(shù)據(jù)輸入仿真參數(shù)得到負(fù)載15 kN，二次元件目標(biāo)轉(zhuǎn)速600 r/min情況下的仿真曲線如圖10所示。

圖10 15 kN-600 r/min時的仿真結(jié)果

從仿真曲線中可以看出，當(dāng)蓄能器內(nèi)油液壓力為23.0 MPa，根據(jù)式(1)，得出負(fù)載轉(zhuǎn)矩在二次元件最大排量時進(jìn)油口產(chǎn)生的壓力為7.8 MPa，滿足pa>pm條件，控制器判斷節(jié)能回路可進(jìn)行動作。

電磁比例減壓閥在得到電信號后，將該支路的出油壓力穩(wěn)定在22.0 MPa左右。同時，控制器發(fā)出指令減小二次元件的排量，使得二次元件進(jìn)油口以21.0 MPa的壓力進(jìn)行驅(qū)動，減小釋能比例換向閥處的能量損失。

在36 s時，蓄能器壓力下降至22.0 MPa，電磁比例減壓閥接受新的電信號，重新調(diào)整閥的出口壓力至20.0 MPa,二次元件排量也同時改變，使得二次元件進(jìn)油口壓力變?yōu)?9.0 MPa。釋能比例換向閥兩端的壓力差繼續(xù)保持在1.0 MPa左右，根據(jù)流量式(2)可計算出閥口開度，進(jìn)而控制二次元件以與目標(biāo)轉(zhuǎn)速一致的速度運行。該處產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速突變是由于減壓閥在進(jìn)行信號切換過程中所造成的瞬時液壓流量不穩(wěn)定所造成的。但速度不穩(wěn)定的持續(xù)時間較短，為0.5 s左右，對負(fù)載運行的平穩(wěn)性影響較小，切換動作完成后，速度穩(wěn)定。

2) 負(fù)載15 kN，二次元件目標(biāo)轉(zhuǎn)速400 r/min時的仿真分析

輸入仿真參數(shù)得到負(fù)載15 kN，二次元件目標(biāo)轉(zhuǎn)速400 r/min情況下的仿真曲線如圖11所示。

圖11 15 kN-400 r/min時的仿真結(jié)果

此工況下的控制器控制方式與上一工況類似，不再詳細(xì)說明。電磁比例減壓閥電信號切換時間在53 s左右，低于負(fù)載15 kN，二次元件目標(biāo)轉(zhuǎn)速為600 r/min的工況。這是因為二次元件目標(biāo)轉(zhuǎn)速低，則蓄能器釋放的油液少，根據(jù)氣體狀態(tài)方程可以知道，蓄能器單位時間內(nèi)壓力下降得少，即蓄能器內(nèi)油液壓力下降至22.0 MPa的時間變長，這里為53 s。

3) 負(fù)載30 kN，二次元件目標(biāo)轉(zhuǎn)速400 r/min時的仿真分析

輸入仿真參數(shù)得到負(fù)載30 kN，二次元件目標(biāo)轉(zhuǎn)速400 r/min情況下的仿真曲線如圖12所示。

圖12 30 kN-400 r/min時的仿真結(jié)果

此工況下的控制器控制方式與上一工況類似，不再詳細(xì)說明。從仿真曲線中可以看出，2次不同調(diào)定壓力的電磁信號切換時間在分別在27，82 s。這是因為當(dāng)負(fù)載增加時，由式(1)可以看出，為使二次元件進(jìn)油口壓力為固定值時(21.0，19.0 MPa)，需增加二次元件的排量，在目標(biāo)轉(zhuǎn)速相同時，蓄能器內(nèi)油液的釋放量會增加，內(nèi)部壓力下降變快，因此會較快下降到22.0，20.0 MPa，即支路切換時間提前，分別在27，82 s 時電磁比例減壓閥調(diào)整出口壓力。

從上述仿真結(jié)果及分析中可以看出，不同的起升速度和負(fù)載的要求，會影響電磁比例減壓閥的出口壓力切換時間。雖然在切換時，由于油液壓力的突變導(dǎo)致流量發(fā)生突變，進(jìn)而二次元件的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，但在0.5 s左右之后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速能夠迅速達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。

5 結(jié)論

本研究針對實際工況中不同負(fù)載、不同蓄能器內(nèi)油液壓力及不同二次元件目標(biāo)轉(zhuǎn)速的情況，提出以蓄能器油源為動力源驅(qū)動起升機(jī)構(gòu)的控制策略，可依據(jù)節(jié)能回路不同狀態(tài)進(jìn)行起升動作，同時分析了重要元件的實際參數(shù)對整個節(jié)能回路的影響。仿真結(jié)果表明，所提出的控制策略在不同負(fù)載下，能使起升機(jī)構(gòu)以較平穩(wěn)的速度起升，并且使蓄能器回收的能量以較高利用率工作，提高了節(jié)能回路在工程機(jī)械領(lǐng)域中應(yīng)用的可行性。

后續(xù)工作中將會針對閉式系統(tǒng)主回路與節(jié)能回路協(xié)同動作、下降工況蓄能器能量回收方法以及電磁比例減壓閥出口壓力切換時的流量突變控制等問題進(jìn)行研究，以期使該節(jié)能系統(tǒng)的應(yīng)用更具廣泛性和實用性。