風機液壓驅動系統(tǒng)設計與仿真研究

摘 要：本文設計了圍繞風機液壓驅動系統(tǒng)，旨在提升風機工作效率。采用系統(tǒng)建模技術，對液壓驅動系統(tǒng)進行分析，探索其在不同工況下性能表現(xiàn)，建立液壓系統(tǒng)數(shù)學模型，分析多個設計變量對系統(tǒng)效率的影響。仿真結果表明，改進后的液壓驅動系統(tǒng)在效率、響應速度和穩(wěn)定性等方面均有所提升，改進了風機整體性能，為液壓系統(tǒng)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

關鍵詞：風機；液壓驅動系統(tǒng)；仿真研究

中圖分類號：TM 315" " 文獻標志碼：A

風力發(fā)電效率與液壓驅動系統(tǒng)性能密切相關，液壓系統(tǒng)能夠精確控制風機葉片角度，響應風速變化，并優(yōu)化風能。傳統(tǒng)液壓驅動系統(tǒng)在實際應用中存在反應速度慢、維護復雜等問題，風機整體效率下降，運維成本增加，影響了風力發(fā)電項目經(jīng)濟效益[1]。因此本文對風機液壓驅動系統(tǒng)進行設計，對液壓系統(tǒng)動態(tài)特性進行深入分析，以優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，提高系統(tǒng)適應性、系統(tǒng)整體性能和風機運行效率，并降低能耗成本。

1 風機液壓驅動系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)架構

為提升風機液壓偏航驅動系統(tǒng)整體性能，本文基于AMESim仿真軟件優(yōu)化液壓驅動效率，以滿足現(xiàn)代風機在復雜環(huán)境下的需求。整個系統(tǒng)的關鍵組件包括變量液壓泵、液壓管路、定量液壓馬達和控制閥，組件協(xié)同工作，保證液壓系統(tǒng)能夠在不同工況下穩(wěn)定運行[2]。使用閥控馬達系統(tǒng)基本方程為后續(xù)仿真提供理論基礎，液壓馬達轉速N與流量Q間關系如公式（1）所示。

（1）

式中：K為液壓馬達常數(shù)；Q為流量，其變化直接影響馬達轉速，進而影響風機精度。

液壓系統(tǒng)運行過程中的壓力損失如公式（2）所示。

（2）

式中：ΔP為壓力損失；f為摩擦系數(shù)；L為液壓管路的長度；D為管路直徑；ρv2為密度；v為流速。

公式（2）能夠更準確地模擬液壓系統(tǒng)在運行過程中由管路阻力導致的壓力變化。本文基于上述理論基礎并結合實際工況需求，建立AMESim模型，模擬系統(tǒng)在不同工作條件下的表現(xiàn)，為后續(xù)系統(tǒng)優(yōu)化提供基礎。

1.2 控制策略

本文深入探討液壓驅動馬達啟停特性，分析負載扭矩與轉動慣量保證關系，研究不同控制策略，并優(yōu)化液壓系統(tǒng)的動態(tài)響應，使系統(tǒng)在各種工作條件下具有更高效的控制性能。采用經(jīng)典比例-積分-微分控制算法，旨在對液壓馬達速度進行精確調節(jié)，提升其響應速度，如公式（3）所示。

（3）

式中：u（t）為控制輸出；e（t）為誤差值；Kp、Ki、Kd分別為比例、積分、微分增益。

調整參數(shù)，改進系統(tǒng)在負載變化情況下的動態(tài)響應特性。比例增益決定系統(tǒng)對當前誤差的反應程度，較高的比例增益可以快速減少誤差，但是過高的比例增益會導致系統(tǒng)震蕩。積分增益用于消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，保證系統(tǒng)能夠在長時間運行后準確達到目標速度，過高的積分增益會導致系統(tǒng)響應過度，出現(xiàn)超調現(xiàn)象。微分增益用于預測系統(tǒng)未來行為，以減少系統(tǒng)在變化過程中的過度反應，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2 風機液壓驅動系統(tǒng)仿真研究

2.1 模型建立

利用AMESim軟件建立風機液壓偏航驅動系統(tǒng)仿真模型。該模型旨在評估系統(tǒng)在不同工況下的動態(tài)響應性能，利用仿真深入理解風機液壓驅動系統(tǒng)運行機制，提高風機整體效率。仿真模型結構如圖1所示。

油箱是液壓系統(tǒng)儲油裝置，能夠為液壓系統(tǒng)提供基本壓力源；液壓泵是系統(tǒng)動力源，能夠將機械能轉化為液壓能；液壓泵由電機驅動，電機功率和轉速設置會影響液壓泵輸出性能；單向閥能夠防止系統(tǒng)中的液壓油回流；壓力表能夠實時監(jiān)測系統(tǒng)內部壓力狀態(tài)；調速閥能夠調節(jié)液壓油流量，控制執(zhí)行元件的運動速度。利用該仿真模型，在AMESim多種工況下進行動態(tài)響應分析。

2.2 仿真設定

2.2.1 動態(tài)響應性能評估

為了評估系統(tǒng)的動態(tài)響應性能，本文在仿真中施加不同負載條件，即1000N、1500N和2000N，采用比例控制信號，將目標偏航角度設定為±15°。

當負載為1000N時，響應時間為0.5s，穩(wěn)態(tài)誤差為±0.5°。在該負載條件下，半秒內達到設定目標偏航角度且穩(wěn)態(tài)誤差較小，表明系統(tǒng)在較輕負載下能夠快速、準確地調整姿態(tài)，具有良好動態(tài)性能。

當負載為1500N時，響應時間為0.7s，穩(wěn)態(tài)誤差為±1.0°。表明系統(tǒng)在中等負載下的動態(tài)響應性能有所下降，由于增加負載導致系統(tǒng)慣性增大，因此調節(jié)過程相對緩慢。

當負載為2000N時，響應時間為1s，穩(wěn)態(tài)誤差為±1.5°。表明在較重負載下，系統(tǒng)動態(tài)性能下降，響應速度變慢，反映出系統(tǒng)高負載下的調節(jié)能力受限。隨著負載增加，系統(tǒng)動態(tài)響應時間、穩(wěn)態(tài)誤差呈現(xiàn)出不利趨勢，表明系統(tǒng)動態(tài)性能在高負載條件下逐漸下降，需要引入PID控制，提高系統(tǒng)在不同負載下的適應能力。

引入PID控制后，系統(tǒng)動態(tài)響應能力有所提高。未引入PID控制和引入PID控制的性能對比見表1。

從表1可以看出，隨著負載增加，未引入PID控制的系統(tǒng)響應時間和穩(wěn)態(tài)誤差均呈上升趨勢，表明在高負載條件下，系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性下降。例如在400kg負載下，未引入PID控制的響應時間為9.5s，穩(wěn)態(tài)誤差為±6.5%；引入PID控制后，系統(tǒng)響應時間縮短至5s，穩(wěn)態(tài)誤差也降至±1.5%，系統(tǒng)負載變化時響應速度有所提升。

2.2.2 故障模擬

為了評估液壓系統(tǒng)可靠性，對關鍵組件進行故障模擬。故障模擬目的是分析系統(tǒng)在異常情況下的表現(xiàn)。設定液壓泵故障，在故障模擬前明確液壓泵正常工作狀態(tài)和故障條件。正常工作狀態(tài)下液壓泵輸出流量為20L/min，當流量降至10L/min時為故障狀態(tài)，需要人為手動調節(jié)液壓泵流量，關閉閥門或增加系統(tǒng)阻力，使流量降至10L/min。在調節(jié)過程中實時監(jiān)測流量變化，保證流量達到預期故障狀態(tài)。在故障模擬過程中，使用流量計、壓力傳感器實時監(jiān)測液壓系統(tǒng)壓力變化，以便進行后續(xù)分析。在故障模擬過程中，液壓泵故障狀態(tài)流量從20L/min降至10L/min的原因是流量下降影響了轉速，進而導致系統(tǒng)動態(tài)響應性能下降，系統(tǒng)響應時間增至1.5s，表明系統(tǒng)在故障狀態(tài)下響應速度減慢，說明當液壓泵發(fā)生故障時，流量、轉速會直接導致系統(tǒng)響應和控制精度下降。

模擬液壓馬達內部泄漏。正常工作狀態(tài)下的馬達轉速為1200r/min，故障狀態(tài)下馬達的轉速為1200×（1-0.2）=960r/min，液壓馬達故障狀態(tài)下的流量保持在20L/min。由于內部泄漏，因此馬達轉速從1200r/min降至960r/min，表明馬達轉速降低，系統(tǒng)響應遲緩，對控制信號反應速度降低。

為了提高液壓系統(tǒng)可靠性，本文對關鍵組件實施冗余設計策略。冗余設計可以降低系統(tǒng)故障率，保證當關鍵部件出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能夠繼續(xù)正常運作，提高整體可用性。具體冗余設計措施如下所示。1） 增加備用泵。在液壓系統(tǒng)中，主液壓泵能夠提供所需的液壓流量和壓力。為了防止由主泵故障導致的停滯，需要增加備用泵。備用泵將與主泵并聯(lián)工作，平時處于待命狀態(tài)，如果檢測到主泵的流量或壓力低于設定閾值10L/min以下，系統(tǒng)會自動切換至備用泵。將備用泵流量設定為20L/min，使備用泵在運行后能夠立即提供相同的流量，保證系統(tǒng)在高負荷條件下正常運作。在測試中，將備用泵切換時間控制在1s以內，將切換過程中的壓力波動控制在5%以內，以減少對系統(tǒng)沖擊。2） 設計冗余液壓馬達。液壓馬達是液壓能轉換為機械能的核心組件，在主液壓馬達失效情況下，備用馬達迅速接入系統(tǒng)，以保證機械設備驅動能力，主、備馬達額定功率均為15kW，使二者在切換過程中能夠保持相同的輸出轉速和扭矩。

通過上述冗余設計，系統(tǒng)平均無故障時間提升了30%，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析，液壓泵和馬達故障率分別為10%、15%，實施冗余設計策略后，系統(tǒng)在單一組件故障狀態(tài)下可以保持正常運行，減少了生產停機時間，生產效率提高了20%。

2.2.3 液壓馬達轉速與流量的關系

在液壓馬達轉速與流量的關系中，當Q增加時，液壓馬達轉速N也會相應增加，常數(shù)k決定流量變化對轉速的影響程度。本文在液壓系統(tǒng)中進行試驗，記錄不同流量下的液壓馬達轉速，見表2。

以流量為10L/min為例，，使用相同方法計算其他數(shù)據(jù)點k值，發(fā)現(xiàn)所有情況下k值都接近0.1，表明流量與轉速間具有線性關系。確認存在線性關系后，采用線性回歸構建數(shù)學模型，如公式（4）所示。

N=a+bQ " " " " " " " " " "（4）

式中：a為截距；b為流量系數(shù)。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，當流量Q為0時，液壓馬達轉速N也為0，a=0，表明當沒有流量時，馬達不會轉動。為確定流量系數(shù)b，使用最小二乘法擬合數(shù)據(jù)，如公式（5）所示。

（5）

式中：Qi和Ni分別為試驗中測得的流量和轉速數(shù)據(jù)。

計算所得b值應接近于試驗中計算出的系數(shù)k值，表明數(shù)學模型具有可靠性。建立線性關系數(shù)學模型，能夠為液壓馬達控制策略提供理論基礎，還能在非試驗條件下根據(jù)設定流的量來預測液壓馬達的轉速，為液壓系統(tǒng)提供更大便利。

2.2.4 控制閥開度

控制閥開度指的是閥門開啟程度，用百分比表示，0%表示完全關閉，100%表示完全開啟?？刂崎y開度決定液壓油流向液壓缸的能力，進而影響液壓缸運動速度。液壓缸運動速度與流量成正比。根據(jù)流體力學原理，控制閥開度越大，通過閥門的流量越大，液壓缸速度也相應提高。例如液壓缸額定工作壓力為10MPa，液壓油流動黏度為32cSt，在不同開度下，流量等于液壓缸的橫截面積乘液壓缸速度。設控制閥開度為25%、50%和75%，相應流量和速度變化如下：開度25%，流量為10L/min，速度v=85.37mm/s；開度50%，流量為20L/min，速度v=170.74mm/s；開度75%，流量為30L/min，速度v=256.11mm/s。從數(shù)據(jù)可以看出，隨著控制閥開度增加，液壓缸的運動速度逐漸提高。

對試驗過程進行總結，可以得到以下3個結論。1） 當開度增加時，液壓油的流量增大，液壓缸的運動速度隨之提高。該結論在多個開度下的流量與速度計算中得到了驗證，例如從25%開度的85.37 mm/s到75%開度的256.11 mm/s，運動速度顯著提高。2） 在固定系統(tǒng)壓力下，控制閥開度對液壓缸輸出力并無直接影響。在不同開度下，液壓缸在10MPa工作壓力下始終保持19635 N的輸出力。因此在實際應用中，可以利用調節(jié)控制閥來實現(xiàn)運動速度的精確控制。3） 控制閥開度調節(jié)不僅影響液壓缸的速度，而且會影響系統(tǒng)的動態(tài)響應，例如過大開度可能導致系統(tǒng)壓力波動增加，從而影響整體的穩(wěn)定性。在設計控制系統(tǒng)過程中，需要綜合考慮各個因素，保證液壓驅動系統(tǒng)運行高效并具有良好的穩(wěn)定性。

2.2.5 溫度影響

本文分析了不同溫度條件對液壓油黏度、液壓驅動系統(tǒng)性能的影響。設定以下3種溫度條件，即低溫條件-20℃、常溫條件20℃和高溫條件80℃。根據(jù)設定的不同溫度條件，對液壓系統(tǒng)進行仿真分析，所得結果如下所示。1） 在-20℃條件下，系統(tǒng)最大流量為5L/min，液壓馬達啟動轉速為300r/min。由于液壓油黏度高，因此流體流動阻力增大，導致系統(tǒng)流量降低，液壓馬達啟動轉速受到限制，無法有效驅動。2） 在20℃條件下，系統(tǒng)最大流量為20L/min，液壓馬達轉速為1200r/min。液壓油黏度降低，系統(tǒng)流動性增強，流量提高，液壓馬達轉速達到正常工作水平，系統(tǒng)性能有所提升。3） 在80℃條件下，系統(tǒng)最大流量為35L/min，液壓馬達轉速為1800r/min。隨著溫度進一步升高，液壓油黏度降低，流量和液壓馬達轉速均達到最高水平。

由以上數(shù)據(jù)可以看出，隨著溫度升高，液壓油黏度降低，流量和馬達轉速提高，表明在高溫環(huán)境中，液壓系統(tǒng)具有更快的響應速度。為了保證液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性，在液壓系統(tǒng)中安裝溫度傳感器，以實時監(jiān)控液壓油的工作溫度，保證其在安全范圍內。根據(jù)工作環(huán)境溫度范圍選擇合適的液壓油，以保證系統(tǒng)的流動性。

2.3 仿真結果分析

本文利用仿真研究，對液壓系統(tǒng)在動態(tài)響應性能和故障模擬方面進行分析，所得結論如下所示。液壓系統(tǒng)動態(tài)響應性能受負載影響，在不同負載條件下，隨著負載增加，響應時間延長，穩(wěn)態(tài)誤差增大，表明在高負載環(huán)境下，液壓系統(tǒng)的控制能力不足以快速適應負載變化。針對高負載條件下的性能瓶頸，需要優(yōu)化系統(tǒng)調節(jié)策略，保證系統(tǒng)在各種工況下能夠保持良好的動態(tài)響應。本文在故障模擬試驗中識別出了影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素，為后續(xù)改進工作提供數(shù)據(jù)支持。引入PID控制算法并進行優(yōu)化后，液壓系統(tǒng)在各負載條件下的響應時間和穩(wěn)態(tài)誤差均有不同程度的提高。

未來研究還需要進一步優(yōu)化控制算法，例如模糊控制，并考慮不確定性和非線性特性，以提升控制效果。設計多變量控制系統(tǒng)，以更全面地應對不同工況下的變化。利用大數(shù)據(jù)分析技術，對歷史數(shù)據(jù)進行分析，識別出潛在故障模式，實施預防性維護，以降低故障發(fā)生概率。

3 結語

本文對風機液壓驅動系統(tǒng)進行了設計，構建了液壓驅動系統(tǒng)模型，評估分析了其動態(tài)響應性能、故障模擬和其他關鍵參數(shù)。仿真研究表明，在各種工況下，液壓驅動系統(tǒng)動態(tài)響應性能得到驗證，動態(tài)響應性能結果顯示，在額定負載下，液壓馬達的轉速變化與控制信號的響應時間呈線性關系，驗證了控制策略的有效性，提升了液壓驅動系統(tǒng)性能。

參考文獻

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