閥口獨立控制液壓挖掘機回轉(zhuǎn)制動能量回收系統(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實驗室，太原 030024)

0 引言

挖掘機在工程機械中扮演著重要的角色，被廣泛應(yīng)用于建筑施工、礦物開采、水利興修、交通運輸?shù)仁┕龊蟍1-2]。據(jù)統(tǒng)計，回轉(zhuǎn)動作在挖掘機一個標(biāo)準(zhǔn)工作循環(huán)中的時間占比達到50%～70%，能耗占總能量的25%～35%[3]?；剞D(zhuǎn)機構(gòu)轉(zhuǎn)動慣量大且工作頻繁，回轉(zhuǎn)過程中的能量損失主要包括：回轉(zhuǎn)馬達起動時，液壓泵提供的流量大于馬達所需流量而造成的溢流損失；制動過程中，轉(zhuǎn)臺的動能以熱能的形式耗散造成能量浪費[4]。

傳統(tǒng)液壓挖掘機采用四邊聯(lián)動閥控馬達系統(tǒng)，存在進出油口同時節(jié)流，節(jié)流和溢流損失嚴(yán)重的問題，為了解決這一問題，國內(nèi)外專家學(xué)者對閥口獨立技術(shù)進行了大量研究。Choi等[5]將進出口獨立和流量再生方法應(yīng)用于現(xiàn)有液壓挖掘機，仿真結(jié)果表明，動臂和斗桿的節(jié)能效率分別達44%和21%。王慶豐[6]針對大慣性回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，提出了電液進出口獨立調(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)運行特性。汪成文等[7]采用自抗擾控制原理解決進出口獨立系統(tǒng)中多個控制自由度的耦合問題，進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)的負載口獨立控制式并聯(lián)換向閥，降低了系統(tǒng)總穩(wěn)態(tài)液動力。權(quán)龍等[9-10]利用雙調(diào)速液壓泵按進出口獨立系統(tǒng)方式控制差動液壓缸，減少系統(tǒng)能耗和每臺泵的發(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。

上述研究在挖掘機回轉(zhuǎn)過程中，在很大程度上改善了挖掘機的能耗和運行特性，但不足之處在于并未對挖掘機的回轉(zhuǎn)制動能量進行回收利用。Lee等[11]利用蓄能器回收制動階段油液，下次起動時將高壓油釋放到馬達的進油口，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)能效且縮短制動時長。王欣等[13]設(shè)計了一種閉式液壓節(jié)能系統(tǒng)，提出以蓄能器壓力、速度和外負載為判斷信號的控制策略，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]提出了雙液壓馬達主被動復(fù)合控制挖掘機回轉(zhuǎn)原理，被動系統(tǒng)與主動系統(tǒng)的液壓馬構(gòu)成機械耦合方式，解決液壓耦合能量回收系統(tǒng)能量利用率低的問題。

以上研究表明閥口獨立控制系統(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)起動階段節(jié)流和溢流損失，采用蓄能器回收制動動能方法，可以提高系統(tǒng)能效。因此，提出基于閥口獨立控制的液壓挖掘機回轉(zhuǎn)制動能量回收系統(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)起動階段節(jié)流和溢流損失，利用四閥芯閥口獨立控制系統(tǒng)多自由度的優(yōu)點，解決制動階段回轉(zhuǎn)系統(tǒng)壓力沖擊和反轉(zhuǎn)問題；采用液壓蓄能器回收制動能量，并將回收的能量用于下一次起動，實現(xiàn)能量的回收再利用，且通過增壓缸解決蓄能器空載制動階段回收油液體積和壓力不足的問題，使蓄能器在滿載起動階段提供足夠的能量。

1 閥口獨立控制挖掘機回轉(zhuǎn)制動能量回收系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成和工作原理

所提出的基于閥口獨立控制液壓挖掘機回轉(zhuǎn)制動能量回收系統(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檢測變量泵的流量和壓力；回轉(zhuǎn)馬達5兩腔裝有壓力傳感器3-2和3-3，陀螺儀6可檢測回轉(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)成閥口獨立閥組。

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

當(dāng)挖掘機滿載正轉(zhuǎn)起動時，變量泵提供馬達所需的油液經(jīng)進口電磁比例閥4-1進入回轉(zhuǎn)馬達5 左腔，回轉(zhuǎn)馬達5右腔油液經(jīng)出口電磁比例閥4-4回油箱，挖掘機正轉(zhuǎn)起動完成。挖掘機滿載正轉(zhuǎn)制動時，進出口電磁比例閥全關(guān)，電磁比例閥4-5打開，回轉(zhuǎn)馬達5的制動油液通過電磁比例閥4-5存儲在蓄能器7中，實現(xiàn)能量回收。

當(dāng)挖掘機空載反轉(zhuǎn)起動時，電磁比例閥4-6打開，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)馬達起動，蓄能器油液放至最低工作壓力時，電磁比例閥4-6關(guān)閉，蓄能器輔助起動結(jié)束。此時，變量泵繼續(xù)提供馬達所需的油液，經(jīng)進口電磁比例閥4-2進入回轉(zhuǎn)馬達5右腔，回轉(zhuǎn)馬達5左腔油液經(jīng)出口電磁比例閥4-3回油箱，挖掘機空載反轉(zhuǎn)起動完成。挖掘機空載反轉(zhuǎn)制動時，進出口電磁比例閥全關(guān)，電磁比例閥4-5打開，回轉(zhuǎn)馬達5的制動油液通過電磁比例閥4-5存儲在蓄能器7中，實現(xiàn)能量回收。

本研究考慮了挖掘機工作時上車回轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)動慣量變化大的問題，當(dāng)空載制動時，蓄能器回收的油液較少，下一次滿載起動時不能提供足夠的油液和壓力，蓄能器壓力波動大。因此，在空載制動結(jié)束后，電磁比例閥4-7打開，將變量泵提供的低壓油配合增壓缸8補充至蓄能器7，解決蓄能器空載制動到滿載起動階段提供能量不足的問題。手柄10提供系統(tǒng)動作信號，DSPACE控制器9管理系統(tǒng)運行過程。

1.2 蓄能器選型和參數(shù)匹配

以某型6 t液壓挖掘機為研究對象，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 6 t挖掘機主要參數(shù)

選用皮囊式蓄能器回收挖掘機制動動能。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。

可以計算蓄能器容積大?。?/p>

(4)

式中：ΔV為最高和最低工作壓力時的容量變化量；

為了滿足駕駛員的駕駛舒適性，設(shè)定6 t挖掘機滿載回轉(zhuǎn)時的最大轉(zhuǎn)速約為9 r/min，回轉(zhuǎn)制動時間約為1.5 s。通過計算，滿載回轉(zhuǎn)時單次制動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)駕駛員擺動手柄給出操作信號后，DSPACE控制器根據(jù)手柄擺角和方向判斷挖掘機工作模式，根據(jù)馬達動作所需的流量，控制器相應(yīng)輸出閥口獨立閥組、變量泵、蓄能器等元件的控制信號，使挖掘機按照手柄給定信號作業(yè)，同時根據(jù)傳感器反饋的壓力、流量、馬達轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，實時調(diào)節(jié)控制信號的大小，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)馬達的預(yù)期轉(zhuǎn)速ω、馬達排量Vm、發(fā)動機轉(zhuǎn)速n和總傳動比i等參數(shù)，控制變量泵排量Vp和其輸出流量qs，使馬達按預(yù)期工況動作。根據(jù)陀螺儀測得的角速度ωr和角加速度αr的乘積判斷回轉(zhuǎn)馬達動作，若ωr·αr>0，馬達處于起動加速階段，否則處于勻速或制動階段。

圖3 蓄能器充放液控制策略

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

2 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)仿真模型

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

圖4 液壓挖掘機多體動力學(xué)機電液聯(lián)合仿真模型

對所提出的閥口獨立控制液壓挖掘機回轉(zhuǎn)制動能量回收系統(tǒng)進行仿真分析，并與傳統(tǒng)無能量回收的四邊節(jié)流閥控回轉(zhuǎn)系統(tǒng)運行特性和能耗特性進行對比分析。

2.1 能量回收系統(tǒng)運行特性研究

對傳統(tǒng)無能量回收的四邊節(jié)流閥控回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和基于閥口獨立控制的液壓挖掘機回轉(zhuǎn)制動能量回收系統(tǒng)進行滿載-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)運行特性曲線， 1～3.45 s挖掘機滿載正轉(zhuǎn)起動，傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和能量回收系統(tǒng)回轉(zhuǎn)裝置均達到駕駛舒適速度9 r/min，

圖5 有無能量回收系統(tǒng)運行特性曲線

3.45～4.75 s兩系統(tǒng)滿載制動，4.75 s制動結(jié)束時兩系統(tǒng)均達到期望轉(zhuǎn)角120°。傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)通過溢流閥建立背壓制動，存在速度波動和挖掘機反轉(zhuǎn)擺動，馬達兩腔壓力沖擊大。能量回收系統(tǒng)采用4個電磁比例閥構(gòu)成閥口獨立控制回路，通過閥口獨立控制回路多自由度的優(yōu)點，在回轉(zhuǎn)裝置達到120°時，回油電磁比例閥打開，解決了馬達轉(zhuǎn)速波動和反轉(zhuǎn)擺動現(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，9.45～10.75 s兩系統(tǒng)空載制動回到初始工作位置0°，10.75～13 s兩系統(tǒng)不工作，13～16.75 s兩系統(tǒng)均進行滿載正轉(zhuǎn)起動制動過程，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)馬達兩腔壓力對比

圖6為馬達兩腔壓力特性曲線。

圖6 液壓馬達兩腔壓力特性曲線

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)起動階段，此時進出口電磁比例閥全開，回轉(zhuǎn)馬達A腔壓力增大，回轉(zhuǎn)馬達B腔壓力約為0.2 MPa，有利于挖掘機的加速起動，在3.45～4.75 s和15.45～16.75 s滿載制動階段，回轉(zhuǎn)馬達B腔壓力增大，建立背壓使回轉(zhuǎn)裝置制動。在7～9.45 s空載反轉(zhuǎn)起動階段，回轉(zhuǎn)馬達B腔壓力增大，回轉(zhuǎn)馬達A腔壓力為0.2 MPa，挖掘機加速起動，9.45～10.75 s回轉(zhuǎn)馬達A腔壓力增大，建立背壓使回轉(zhuǎn)裝置制動。傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)制動階段，挖掘機上車回轉(zhuǎn)平臺擺動，馬達兩腔壓力不斷波動，且壓力峰值達到30 MPa，能量回收系統(tǒng)壓力波動小，壓力峰值為26 MPa。

2.3 增壓缸補油能量回收特性影響

挖掘機滿載和空載制動時，上車回轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)動慣量變化大，所以蓄能器回收的油液體積和壓力不同，用于輔助回轉(zhuǎn)起動的能量也不同。圖7為有無補油蓄能器壓力和油液體積變化曲線，3.45～4.75 s挖掘機滿載正轉(zhuǎn)制動蓄能器回收油液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，且在7.8 s蓄能器壓力為20 MPa時輔助起動結(jié)束，變量泵繼續(xù)輸出油液使挖掘機達到預(yù)定轉(zhuǎn)角。9.45～10.75 s挖掘機空載反轉(zhuǎn)制動，由于空載上車回轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)動慣量小，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要求，通過變量泵配合增壓缸向蓄能器補充油液，將蓄能器油液補充至0.758 L，蓄能器壓力上升至22.53 MPa，空載制動階段蓄能器補油體積為滿載制動回收油液體積的44.7%，13～16.75 s挖掘機在蓄能器輔助下重復(fù)滿載起制動過程。

圖7 有無補油時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)功率能耗對比

傳統(tǒng)無能量回收的四邊節(jié)流閥控回轉(zhuǎn)系統(tǒng)在1～3.45 s和13～15.45 s滿載起動、7～9.45 s空載起動階段輸出功率和能量較大，制動階段變量泵不提供油液，靠溢流閥建立背壓制動，回轉(zhuǎn)平臺動能轉(zhuǎn)換為熱能浪費。能量回收系統(tǒng)通過蓄能器回收制動階段能量，且用于下次起動，降低了起動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)制動過程回收的能量;E2為回轉(zhuǎn)制動過程轉(zhuǎn)臺動能的損失量；E3為轉(zhuǎn)臺動能的增加量。

圖9 蓄能器能量與回轉(zhuǎn)動能變化曲線

3 結(jié)論

1) 提出閥口獨立控制液壓挖掘機回轉(zhuǎn)制動能量回收系統(tǒng)，采用泵閥復(fù)合、壓力流量匹配控制策略抑制回轉(zhuǎn)平臺起動過程的節(jié)流和溢流損失，利用閥口獨立多自由度控制的優(yōu)點解決了制動階段回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的壓力沖擊和反轉(zhuǎn)問題，使轉(zhuǎn)臺運行平穩(wěn)。

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