开式容积与储能平衡协同控制挖掘机动臂的能效

2020-03-13

液压与气动 2020年3期

(太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室，山西太原 030024)

引言

液压挖掘机是最主要的工程机械之一，在我国的建设与发展中起着重要的作用，但其特点是能耗高、排放差，多年来提高挖掘机等工程机械的能量利用率一直是该领域的研究热点[1-2]。研究表明液压挖掘机的发动机输出能量利用率仅约20%[3]，因此采用效率更高的电动机代替柴油发动机驱动液压挖掘机可以显著提升能效，国内外众多学者对挖掘机的电动化开展了研究。电动挖掘机需配备价格昂贵的电池，且受限于安装空间，电池容量不能过大，导致机器作业时间较短，因此必须提升整机能效，在电池容量有限的前提下尽可能延长挖掘机工作时间。现有的研究工作可分为两个方面，一是提升挖掘机动力源能效，二是降低挖掘机执行机构峰值功率和能耗。

关于提升动力源效率的研究，主要在改变电动机或液压泵类型方面。现有的电动挖掘机绝大多数是采用定转速异步电机驱动变量泵作为动力源，需要通过改变液压泵的摆角控制输出流量匹配负载需求，但是电机始终以额定转速运行，存在非工作周期能耗，且负载越低时电动机效率也越低，葛磊等[4]的研究表明当负载功率低于额定功率的50%时，异步电机的效率显著下降。变量泵在小排量工况时能效也较差[5-6]，LUX等[7]的研究表明变量泵在25%排量下效率峰值仅为60%。另一种方案是采用异步电机驱动定量泵，通过改变电动机的转速控制液压泵的输出流量匹配负载需，为了实现压力控制，动力源输出流量必须始终高于需求，在回路中仍然采用控制阀控制压力，造成能量浪费，而且异步电机动态响应较慢，刘辉等[8]在定量泵出口增设蓄能器并将其油液引入液压泵入口，以提高动态响应，但是增加了系统的复杂性。采用伺服电机代替异步电机驱动，可降低能耗并提升动态响应。HELDUSER[9]对比研究了异步电机驱动变量泵和伺服电机驱动定量泵这两种动力源的能耗，结果表明一个设定工作周期内后者相比前者可降低能耗约10%，这正是由于轻载和怠速时动力源能效的提升。梁涛等[10]提出伺服电机驱动定量泵的流量匹配控制系统，与负载独立流量分配系统相比可降低挖掘机动臂运行一个周期能耗约13.6%。

关于降低挖掘机执行机构峰值功率和能耗的研究，很多工作是针对挖掘机动臂展开的，因为在动臂下放过程中，大容量的重力势能经液压缸转换为液压能再经节流阀转换为热能耗散掉，造成了能量浪费。管成等[11]提出一种油液混合动力挖掘机动臂势能回收系统，在动臂下降时通过控制阀将压力油引入蓄能器，在动臂上升时蓄能器释放高压油液辅助驱动负载，与普通挖掘机相比节能44.3%，但是这种方案在势能回收和再利用时仍然通过控制阀，存在节流损失。夏连鹏等[12]提出三腔液压缸与蓄能器构成的液气储能驱动一体化方案，对挖掘机动臂势能直接回收和高效再利用，能量传递链短、转换效率高，与普通方案相比节能48.5%，若果将此方案运用在大型液压挖掘机上，节能效果更加显著[13]。

为此，在现有研究工作的基础上，提出一种采用伺服电机驱动定量泵作为动力源的开式容积与储能平衡协同控制液压挖掘机动臂原理，建立试验样机测试该原理驱动挖掘机动臂的能效，并与采用定转速异步电机驱动变量泵作为动力源驱动进行试验对比分析，在保证良好运行特性的前提下，进一步提升整机效率、降低能耗。

1 系统工作原理

图1所示为开式容积与储能平衡协同控制挖掘机动臂的回路原理，动臂液压缸采用三腔液压缸，液压缸A腔、B腔通过三位四通控制阀与液压泵、油箱连接，C腔与液压蓄能器连接，工作过程中，电动机驱动液压泵向系统供油，动臂上升时，控制阀切换至右位，压力油进入液压缸A腔驱动挖掘机动臂上升，蓄能器释放能量进行辅助驱动；动臂下降时，控制阀切换至左位，液压缸在动臂等工作装置重力作用下收回，重力势能经液压缸转换为液压能直接存储在蓄能器中，供下次举升使用，泵输出的油液通过控制阀进入B腔防止吸空，动力源部分研究了两种方案，当采用定转速异步电机驱动变量泵作为动力源时，通过改变变量泵的摆角控制输出流量；当采用变转速伺服电机驱动定量泵作为动力源时，通过改变伺服电机的转速控制输出流量。

图1 开式容积与储能平衡协同控制挖掘机动臂回路原理

2 系统数学模型

根据三腔液压缸结构和液压系统回路原理推导数学模型，三腔液压缸的力平衡方程为：

pASA+pCSC-pBSB=ma+Bv+f+F

(1)

式中，pA，pB，pC—— 分别为液压缸A腔、B腔、C腔的压力

SA，SB，SC—— 分别为液压缸A腔、B腔、C腔的横截面积

m—— 工作装置质量

a—— 液压缸加速度

B—— 阻尼系数

v—— 液压缸速度

f—— 液压缸摩擦力

F—— 液压缸负载力

以动臂液压缸一个典型的“伸出-收回”工况为例进行分析。动臂上升时，液压缸为阻抗伸出工况，如果采用“定转速异步电机+变量泵”作为动力源驱动，流量计算公式为：

vSA=qA=nV

(2)

式中，qA—— 液压缸A腔流量

n—— 异步电动机额定转速

V—— 变量泵排量

由式(2)可知，当液压缸需求速度已知，可计算出流量需求，异步电机转速为定值，故调节变量泵排量即可实现输出流量匹配负载需求。

如果采用“变转速伺服电机+定量泵”作为动力源驱动，流量计算公式为：

vSA=qA=nSMVC

(3)

式中，nSM—— 伺服电机转速

VC—— 定量泵排量

由式(3)可知，当液压缸需求速度已知，可计算出流量需求，定量泵排量为定值，故调节伺服电机转速即可实现输出流量匹配负载需求。

动臂下降时，液压缸在动臂自身重力作用下收回，为超越收回工况，需要通过控制液压阀的开度进行速度控制，流量计算公式为：

(4)

式中，Cd—— 流量系数

Sv—— 阀口面积梯度

Δp—— 阀两端压差

ρ—— 液压油密度

此时液压泵需向B腔补充油液防止吸空，如果采用“定转速异步电机+变量泵”作为动力源驱动，流量计算公式为：

vSB=qB=nV

(5)

式中，qB为液压缸B腔的流量。

如果采用“变转速伺服电机+定量泵”作为动力源驱动，流量计算公式为：

vSB=qB=nSMVC

(6)

3 试验研究

首先，分别测试了实验室现有的变量液压泵和伺服电机的响应速度，然后，测试了定转速异步电机驱动变量泵和变转速伺服电机驱动定量泵这两种动力源在不同负载压力和流量时的效率，最后，构建了液压挖掘机动臂储能平衡试验测试系统，动臂液压缸为三腔液压缸，分别采用这两种动力源驱动该试验样机，对比分析其能效特性。

图2所示为SYDFEE-71电比例液压泵和U31007F.20.3伺服电机响应的试验测试曲线，在变量泵的测试中，在0.1 s时给变量泵摆角分别输入5个控制信号，获得变量泵排量随时间变化的曲线，可以看出，变量泵从最小排量上升到0.2Vmax，0.4Vmax，0.6Vmax，0.8Vmax和Vmax分别需要0.015, 0.026, 0.042, 0.061, 0.077 s，动态响应较快，可以满足驱动挖掘机动臂的响应需求。在伺服电机的测试中，在0.1 s时给电机输入不同的转速控制信号，可以看出伺服电机从零速上升到400, 800, 1200, 1600 r/min分别需要0.06, 0.08, 0.12, 0.14 s，动态响应满足驱动挖掘机动臂的响应需求。

图2 变量泵与伺服电机动态响应测试曲线

图3所示为定转速异步电机驱动变量泵、变转速伺服电机驱动定量泵这两种动力源在不同负载压力时的效率随流量变化的试验测试曲线。

图3 伺服电机变量泵、异步电机变量泵效率测试曲线

从图中曲线可以看出，压力为20 MPa时，伺服电机驱动定量泵的效率与异步电机驱动变量泵的效率都较高，但是压力为4 MPa时，伺服电机驱动定量泵的效率比异步电机驱动变量泵的效率高15%～30%，这是由于电动机效率随着负载的降低而降低，通过降低转速可以使电动机工作在高效区，提升其效率。也可以看出，动力源效率总是随着流量的减少而降低，但是伺服电机驱动定量泵的效率下降较慢，这是由于在流量需求较小时通过降低转速减少输出流量，而异步电机驱动变量泵通过减小泵排量减少输出流量，变量泵在小排量时效率较低，因此效率下降较快。

用上述两种动力源分别驱动动臂液压缸为三腔液压缸的6 t级液压挖掘机，采用压力传感器测试三腔液压缸各腔压力，采用MTS磁致伸缩位移传感器测试三腔液压缸的位移和速度，采用流量计测试液压泵出口的压力和流量，采用功率仪测试电动机的功率，采用dSPACE1103硬件在环控制系统对试验测试系统进行控制和信号采集，试验样机如图4所示。

图4 开式容积与储能平衡协同控制挖掘机动臂试验样机

图5所示为采用定转速异步电机+变量泵作为动力源驱动挖掘机动臂的速度及位移曲线，2～6 s动臂上升，液压缸位移为300 mm，10～14 s动臂下降，液压缸回到起始位置，一个工作循环耗时16 s，可以看出液压缸运行平稳，波动较小，动态响应较快。

图5 异步电机变量泵驱动动臂速度及位移测试曲线

图6所示为异步电机的功率及能量曲线，其中异步电功率曲线直接由功率仪测试并记录，可以看出一个周期内异步电机峰值功率为7.46 kW，由于电动机始终以额定转速运行，在液压缸静止不动时电动机仍然输出2.7 kW左右的功率，造成能量浪费。通过对功率曲线积分获得能量曲线，一个周期能量消耗为65.34 kJ。

图6 异步电机变量泵驱动动臂功率及能耗测试曲线

图7所示为采用变转速伺服电机+定量泵作为动力源驱动挖掘机动臂的速度及位移曲线，工况与采用定转速异步电机+变量泵作为动力源时相同，可以看出液压缸运行平稳，波动较小，与采用异步电机+变量泵驱动时相似，动态响应满足工作需求。

图7 伺服电机定量泵驱动动臂速度及位移测试曲线

图8所示为伺服电机的功率及能量曲线，其中伺服电功率曲线直接由功率仪测试并记录，可以看出一个周期内伺服电机峰值功率为5.98 kW，在液压缸静止不动时电动机功率几乎为0，减少了动力源空转能耗，通过对功率曲线积分获得能量曲线，可以看出能量曲线在液压缸静止时几乎水平，一个周期能量消耗为26.99 kJ，与采用定转速异步电机+变量泵作为动力源驱动机器相比，峰值功率降低19.8%，一个周期能耗降低58.7%，节能效果显著。