能量调节技术在车载液压系统的应用

刘泽，王收军，李志博，邹炳燕

(1.天津理工大学机械工程学院，天津 300384；2.天津中德应用技术大学基础实验实训中心，天津 300350)

0 前言

车载液压发电广泛应用于应急救援、野外作业及军事等多个领域，目前存在发电瞬态指标偏低、系统稳定性差的问题，解决这些问题是发展车载液压发电产业的关键[1-2]。国内关于液压发电的研究起步比国外晚，国内液压行车发电研究还处于起步阶段，瞬态指标普遍较低[3]，影响用电器具正常使用和安全。瞬态指标较高、稳定性较好的车载液压发电系统成为亟待解决的问题[4-5]。近年来，国内许多研究人员对车载液压发电进行了研究。

对于车载液压行车发电，河南省某公路养护公司设计了一种采取PID控制的车载液压发电传动控制系统，采用容积式泵控马达调速回路[6]让液压马达转速恒定，通过发动机传递给液压泵的动力，驱动发电机发电，实现高品质电能输出[7]。燕山大学某课题组对发动机变转速和变负载扰动下马达转速波动展开研究，构建了泵控液压马达的数学模型，采用前馈控制和直接转速闭环反馈控制使马达稳速输出，有效提高了系统的控制精度和稳定性[8]。

为提高车载液压发电系统的瞬态指标，本文作者按基于能量调节的泵阀并联液压马达调速回路的研制思路，构建12 kW车载行车液压发电机组，设计一种泵阀并联液压马达调速系统。利用比例阀高频响的优点，提高车载液压发电指标，解决车载液压行车发电瞬态指标控制问题[9]。

1 液压控制系统设计

1.1 液压系统组成

液压系统回路分为开式回路和闭式回路[10]，闭式回路液压泵的吸油口直接与执行元件的回油口连接，为了补偿泄漏，通常要用补油泵；开式回路液压泵的吸油口直接连接油箱，执行元件的回油口连接油箱。对于同样功率的液压系统，闭式系统的最大优势是油箱体积小、整体质量小，适合车载液压系统。文中选用比例变量柱塞泵与定量马达组成的闭式液压回路。

图1所示为变量泵定量马达容积调速回路。比例变量柱塞泵4为主泵从液压马达9的回油口吸油，补油泵2用于给系统补油，以补偿变量泵和定量马达的内泄漏，并解决主泵的润滑及冷却问题。主泵提供液压油给定量马达，溢流阀8为主回路安全阀。溢流阀12为补油泵溢流阀，通常补油溢流阀的压力为2 MPa。

图1 基于能量调节的阀泵并联液压马达调速系统原理

比例变量柱塞泵4和定量马达9组成容积调速回路，可通过调节比例变量柱塞泵4的斜盘角度来控制它的排量，从而调节液压马达输出转速。当系统工作压力不变时，液压马达输出转矩恒定。该回路不存在溢流损失和节流损失，因此系统效率较高，产生热量少，系统工作压力完全取决于负载，这在大功率系统中较为常见。

因为从定量马达9的回油没有流回油箱，而是直接供给比例变量柱塞泵4吸油口，会导致系统内部循环油液的温度逐渐升高。为控制循环油液的温度，设置冲洗阀11，冲洗阀可使系统中一部分温度较高的油液从主回路分流回油箱，防止油温过高。冲洗流量通过补油泵2补充，从而达到系统热平衡。

1.2 液压系统工作原理

当液压系统开始工作时，发动机启动，带动液压泵开始运转，补油泵2提供油液给比例变量柱塞泵4，比例变量柱塞泵4提供油液给定量马达9，定量马达9通过联轴器带动发电机组工作，发电机组开始发电。

发电机组发电指标(电压与频率)和定量马达9的转速有关，定量马达9的转速取决于比例变量柱塞泵4提供的流量。该流量由变量柱塞泵4的排量和发动机转速决定，比例变量柱塞泵4的排量与输入电信号有关。

分析行车发电工况：发动机转速增加时，减小比例变量柱塞泵4输入的电信号，排量减小，柱塞泵4的输出流量保持基本恒定时，可稳定定量马达9转速；发动机转速下降时，增大比例变量柱塞泵4输入电信号，排量增加，可稳定定量马达9转速。根据发动机转速变化，通过控制比例变量柱塞泵4输入电信号的大小，可以控制定量马达9的转速。

1.3 能量调节技术原理

利用蓄能器7可调节液压马达9的瞬时转速，通过小排量恒压变量泵5给蓄能器充压力油，比例阀10控制蓄能器与液压马达的通路。当液压马达转速突然减小时，通过比例阀控制蓄能器给液压马达高压侧快速补充压力油，可以减小液压马达转速下降幅度；当液压马达转速增加时，通过比例阀控制液压马达高压侧油液短时接通油箱，可以减小液压马达转速上升幅度，从而保持液压马达转速恒定。

发电机空载时，液压系统工作压力低。突加负载时，由于液压马达与发电机相连，负载突然加大，液压系统压力会突然上升，液压元件内泄漏会增加，油液体积压缩，管路容积会增加，发动机转速会突然下降，这些因素可造成液压马达转速突然下降，进而使得发电机发电频率下降。这时单靠比例变量柱塞泵调节，如增加比例变量柱塞泵输入电信号调整马达转速时，系统响应时间较长，不能达到液压发电突加指标。解决方案是通过高频响比例阀，让蓄能器储存的油液短时间之内快速给液压马达供油路补油，减小液压马达转速下降幅度，提高液压发电瞬态指标。

发电机满载时，液压马达工作压力高。发电机突然减载时，液压马达负载突然减少，比例变量柱塞泵、液压马达泄漏量减少，发动机转速会突然上升，使得液压马达转速突然增加。这时单靠比例变量柱塞泵调节，如减小比例变量柱塞泵输入的电信号调节马达转速时，系统响应时间较长，不足以达到发电突减指标。解决方案是通过高频响比例阀，让液压马达供油侧管路短时间接通油箱，瞬时减小液压马达供油量，减少液压马达转速上升幅度，以提高液压发电突减指标。

上述两种情况在行车发电和驻车发电时均适用。小排量恒压变量泵排量很小，使得构成的泵控液压系统的传动效率高。由蓄能器、小排量恒压变量泵、高频响比例阀组成的能量调节装置构成的阀控系统的响应速度快，能有效提高液压发电瞬态指标。

2 液压系统元件选择

2.1 液压马达选择

根据发电机发电功率，计算驱动发电机的液压马达的流量及压差，根据流量及转速计算液压马达的排量，选择型号合适的液压马达。发电机的转速为1 500 r/min，发电功率为12 kW，初选马达压差为25 MPa。

流量公式为

式中：P为定量马达输出功率(kW)；p为定量马达工作压差(MPa)；ηpv为定量马达容积效率，取0.95；ηpm为定量马达机械效率,取0.95。

将参数代入上式，可以计算出液压马达所需流量q为31.9 L/min。

排量公式为

将参数代入上式，可以计算出液压马达排量V为21.3 mL/r，则选择排量为23 mL/r的A2FM23斜轴式柱塞液压马达。

按排量23 mL/r反算液压马达实际工作压差，液压马达流量为34.5 L/min、液压马达实际工作压差为23.1 MPa。

2.2 液压泵选择

文中马达压差为23.1 MPa，补油泵提供压力2 MPa，比例变量柱塞泵工作压力为25.1 MPa。液压马达流量q为34.5 L/min，发动机转速为1 400 r/min。

2.3 冲洗阀和比例伺服阀的选型

作为闭式液压系统，补油泵2、滤油器3、安全阀8、补油溢流阀12集成在液压泵4上。为达到液压系统热平衡，在液压马达低压侧回路上增加一个冲洗阀，通过冲洗阀使主回路部分油液流回油箱，温度相对比较低的油液通过补油泵补充进主回路，实现系统热平衡。计算得冲洗流量为6 L/min，则选择调速阀2FRM6作为冲洗阀。

作为能量调节器的组成部分，比例阀10要求响应速度快，瞬态指标调整的时间短，需要的流量小，所以选择6 mm通径的比例伺服阀，文中选用某公司4WRA6E。

3 试验方法及试验数据

进行液压发电试验，试验数据按GB/T 2820.5—2009标准，具体发电技术指标见表1。

表1 往复式内燃机驱动的交流发电机组性能等级部分运行限值

分别按不使用能量调节技术和使用能量调节技术进行对比试验。

表2为能量调节技术不起作用时，该交流液压发电机组对应的相关国家标准的性能部分试验数据。

表2 不采用能量调节技术的交流发电机组性能试验数据(部分)

不使用能量调节技术时，发电机组突减负载及突加负载时的频率曲线分别如图2、图3所示。

图2 不采用能量调节技术的突卸频率曲线 图3 不采用能量调节技术的突加频率曲线

由图2和图3可知：不采用能量调节技术时，发电指标不能达到国家标准中的最低值要求。

表3所示为能量调节技术起作用时，该交流液压发电机组对应的相关国家标准的部分性能试验数据。

表3 采用能量调节技术的交流发电机组性能试验数据(部分)

使用能量调节技术后，发电机组突减负载及突加负载时的频率曲线分别如图4、图5所示。

由图4、图5可知：应用能量调节技术后，研制的车载交流发电机组的主要交流发电技术指标全面达到国家标准G2等级、接近国家标准G3等级要求。

图4 采用能量调节技术的突卸频率特性曲线 图5 采用能量调节技术的突加频率特性曲线

4 结论

采用基于能量调节的控制方法，在行车或驻车过程中发电机突加负载时，降低液压马达转速波动幅度、提高发电机瞬态指标；利用卸荷原理，在发电机突减负载时，降低液压马达转速波动幅度、提高发电机瞬态指标。

利用小排量变量泵、比例阀加蓄能器的能量调节技术提高泵控马达系统的刚度及动态响应速度，以提高液压行车发电瞬态指标。液压系统正常工作时，风冷散热，工作油温控制在50～75 ℃，系统具有较高的传动效率。