APP下载

主动配流式电磁直驱静液作动器液压系统能耗分析

2023-12-20陈雪炜葛文庆秦琪晶陆佳瑜路志浩谭草

机床与液压 2023年23期
关键词:柱塞泵单向阀柱塞

陈雪炜,葛文庆,秦琪晶,陆佳瑜,路志浩,谭草,

(1.山东理工大学交通与车辆工程学院,山东淄博 255049;2.山东中保康医疗器具有限公司,山东淄博 256407)

0 前言

电静液作动器具有功率密度大、控制精度高、负载能力强等优点,在汽车、机器人等领域逐步应用[1-2]。近年来,基于直线电机以及智能材料的电静液作动器成为新的研究热点[3-5]。

电静液作动器中液压元件的摩擦、泄漏和节流损失等会导致系统效率及工作稳定性降低,因此系统降耗十分必要。HU等[6]设计一种高效电动泵部件,提高了电静液作动器的效率。FU等[7]针对EMA中铜、铁等能量损失,提出系统级模型以排除热能损失。液压系统的热量主要来源于节流孔和阀对液流的节流和控制、柱塞泵的泄漏生热和摩擦生热等,导致液压油黏度降低,还会影响元件之间的配合间隙,故液压系统的降耗措施不可忽视。纪友哲等[8]进行了泵阀联合EHA的低温设计,采用变压力设计及提高负载压力设计值可有效降低系统温升。黄晓琛等[9]对高转速的EHA的轴向柱塞泵进行了性能测试,结果表明,降低各运动副之间的摩擦损失对降低轴向柱塞泵的损耗十分重要。何兆民、王少萍[10]建立了液压系统的液压马达、液压泵、管路、节流装置和混合装置的温度模型,并进行仿真计算,分析系统在典型状态下的温度变化情况,对液压系统降耗有一定参考价值。通过对国内外EHA液压系统能耗研究现状进行分析可以得知,在新的系统构架下,EHA液压系统的能耗机制尚需深入研究。

本文作者针对一种主动配流式电磁直驱静液作动器的能耗问题,建立液压系统各损耗元件的数学模型,基于AMESim和MATLAB/Simulink联合仿真平台搭建系统仿真模型,定量分析负载和柱塞泵工作频率变化对液压系统的能耗组成与分布规律的影响。

1 系统原理与建模

1.1 系统工作原理

电磁直驱静液作动器主要由电磁直线执行器、柱塞泵、主动单向阀组、液压缸、蓄能器、溢流阀以及管路组成。图1所示为主动配流式电磁直驱静液作动器的工作原理,其基本工作原理是:通电后,电磁直线执行器中的永磁体磁场与线圈磁场发生相互作用,活塞在电磁推力的作用下进行往复直线运动,借助单向阀组的配流作用,柱塞泵的两腔室在活塞双向运动的过程中分别实现吸排油工作。此系统兼顾使用电控直驱与泵控直驱技术,提升了系统的配流效率,提高了工作效率以及系统控制的灵活性与动态性能。

图1 主动配流式电磁直驱静液作动器工作原理

电磁直驱静液作动器液压系统的能量损耗分为以液压缸与柱塞泵组成的能量转换损耗以及液压回路损耗。能量转换损耗主要由液压缸与柱塞泵容积损耗和机械损耗构成,而液压回路损耗包括主动单向阀组的节流损耗和溢流阀的溢流损耗。

1.2 液压系统能耗元件建模

1.2.1 柱塞泵数学模型

柱塞泵的生热主要是柱塞副泄漏生热、柱塞的黏性摩擦生热以及容积压缩损失。柱塞泵的输入功率Plin、输出功率Plout和生热功率Pmh关系如下所示:

(1)

式中:Flin为电磁直线执行器对柱塞泵的驱动力;v为活塞的运动速度;qlout为泵的实际流速;Pf为液压缸的泄漏生热功率;Pl为液压缸的容积压缩损失;Pc为黏性摩擦产生的生热功率。柱塞副的泄漏量Q1为

(2)

式中:d1为柱塞直径;Δp1为柱塞副前后压差;μ为动力学黏度;δ1为柱塞副间隙;e1为偏心比;l1为柱塞副的密封长度。柱塞的容积压缩损失量Qc为

(3)

式中:ql为泵的理论流量;dp为柱塞腔内压力的变化值;k为油液的体积弹性模量。柱塞的黏性摩擦力Ff为

(4)

1.2.2 液压阀和管路数学模型

液压阀功率损失主要表现为局部压力损失。液压阀功率损失Phh1为

Phh1=ΔpAqA

(5)

式中:ΔpA为液压阀的压降;qA为流经主阀口的流量。在直管中流动时,液体存在黏性与管壁的摩擦形成的沿程压力损失Δpf;油液在实际流动时,由于管路的形状和尺寸的骤然变化产生局部压力损失Δpr。管路的生热功率Phh2为

(6)

式中:q3为管路中的油液流量;λp为管路沿程阻力系数;di为管路水力直径;li为管路长度;vi为管路中油液的平均流速;ρ为液压油密度;ξi为管路中各弯管局部损失系数;ky为液压元件压力系数。

1.2.3 液压缸数学模型

液压缸工作时,高压油进入活塞腔推动活塞进行往复直线运动,克服负载做功Pm,其功率损失主要有活塞杆与液压缸之间的黏性摩擦损失Pf0、因缸内泄漏形成的容积损失Pl0,液压缸缸内泄漏视为环状间隙流动,液压缸的泄漏量Ql0为

(7)

式中:d4为柱塞直径;Δp4为柱塞副前后压差;μ为动力学黏度;δ4为柱塞副间隙;e4为偏心比;l4为柱塞副的密封长度。

液压缸的功率平衡方程:

P4in=Pm+Phm

(8)

液压缸生热功率Phm为

Phm=Pl0+Pf0+Pc0

(9)

式中:Pf0为液压缸的泄漏生热功率;Pl0为液压缸的容积压缩损失;Pc0为黏性摩擦带来的生热功率。

1.3 液压系统仿真模型

EHA液压系统的仿真模型如图2所示。

图2 电磁直驱静液作动器仿真模型

电磁直线执行器驱动柱塞泵时,其运动曲线可规划为正弦运动:

x=Ssin(2πft)

(10)

式中:S为柱塞运动幅值;f为柱塞运动频率。电磁直驱静液作动器相关参数如表1所示。

表1 电磁直驱静液作动器相关仿真参数取值

2 液压系统能耗定量分析

2.1 负载影响分析

2.1.1 负载对能耗组成的影响

负载发生变化导致输入液压系统的驱动力改变,从而引起系统压力的变化。图3为液压系统的能耗组成随负载变化的关系,可以看出:液压回路损耗是损耗的主要组成部分,负载从0 N增长到200 N过程中,在动作阶段,液压回路的能耗增长4.7%,能量转换损耗增长了48.43%,停滞阶段液压回路的能耗增长了8.7%,能量转换损耗增长了4.34%。液压回路损耗主要由单向阀组和溢流阀损耗组成,主要与阀两侧的压降和流量相关,阀两侧的压降和流量都随负载的增加而增加,因此液压回路损耗会有所增加。

图3 能耗组成变化曲线

图4为液压系统的能量转换损耗占比与液压回路损耗占比的变化情况。空载时,液压系统的功率消耗中能量转换损耗与液压回路损耗的比例关系近似为3∶8,此时液压回路损耗占据主要部分损耗。随着负载的增大,动作阶段中能量转换的损耗占比逐渐增大,负载200 N时,能量转换损耗与液压回路损耗的比例关系近似为9∶16,液压回路损耗的比重有些许降低。由图4可知:能量转换损耗与液压回路损耗均有不同程度的增加,但液压回路损耗的占比却随负载的增加不断减小。因此,负载变化对能量转换损耗的影响较大,且其损耗占比始终大于27%。

图4 能耗占比随负载的变化

2.1.2 负载对能耗分布的影响

由图5可以得出,液压系统中最大的能量损耗在主动单向阀组、溢流阀和柱塞泵上,且各元件的能耗随着负载的增加呈增长趋势。负载从0 N增长到200 N过程中,系统总能耗增加了0.62 J,其中柱塞泵的损耗增长了25.44%,主动单向阀组的损耗增长了8.11%,液压缸的损耗增长了2.4倍,溢流阀的损耗增长了5.22%。负载增大,系统压力增加,柱塞泵与液压缸的容腔压力变化明显,从而加剧柱塞泵与液压缸的能耗。然而,柱塞泵的工作幅值随负载变化的增值较小,导致阀两侧的压降与流量随负载的增长较为缓慢,因此单向阀组与溢流阀的损耗变化不明显。

图5 各部件能耗随负载变化的曲线

图6为液压系统内部各元件能耗与输入功的比值随负载变化的关系。随着负载增大,能耗占比值下降值从大到小依次是单向阀、溢流阀、柱塞泵,而液压缸则上升了74%。由于柱塞泵与主动单向阀组的能耗始终占主要分布区域,溢流阀的能耗仅在停滞阶段出现,因此,对液压系统的降耗措施可从单向阀、柱塞泵及溢流阀着手。除液压缸外,液压系统总体的能耗占比呈下降趋势,说明了随着负载的增加,系统的有用功比重会不断提高,系统的工作效率得到有效提高。

图6 各部件能耗与输入功的比值随负载变化的曲线

2.2 柱塞泵工作频率影响分析

2.2.1 频率变化对能耗组成的影响

改变柱塞泵运动频率、负载不变、柱塞运动幅值相同时液压系统的能耗组成随频率变化的关系如图7所示。由于柱塞泵工作频率不同,导致液压缸位移响应也不同,故上述能耗数值均采用平均值的形式。随柱塞泵工作频率增加,系统总的能量损耗增加了1.1倍,在动作阶段以及停滞阶段,液压回路损耗均以近似二次函数式增加,而能量转换损耗随频率变化的增长值较小。频率从16 Hz增长到24 Hz,液压回路损耗在动作阶段上升至16 Hz的3.4倍,在停滞阶段上升了90.8%;能量转换损耗在动作阶段上升了74.9%,在停滞阶段上升了35.8%。故频率的改变可增加系统中液压回路的能耗。

图7 能耗组成变化曲线

图8为动作阶段液压系统的能量转换损耗与液压回路损耗占比的变化情况。16 Hz时,能量转换损耗与液压回路损耗的比例关系近似为2∶3;随着频率的增大,能量转换的损耗占比逐渐减小,频率为24 Hz时,能量转换损耗的占比下降了47%,而液压回路损耗的比重不断上升。由图7可知:能量转换损耗与液压回路损耗均有不同程度的增加,但能量转换损耗的占比却随频率的增加不断减小。因此,频率变化对液压回路损耗的影响较大,且其损耗占比始终大于59%。

图8 能耗占比随频率的变化

2.2.2 频率变化对能耗分布的影响

图9为整个工作过程中各元件的能耗分布关系随频率变化的情况。单向阀组、溢流阀、柱塞泵等能耗主要分布源的能耗随频率的增加而增长,频率从16 Hz增长至24 Hz的过程中,系统总能耗增加了7 J,占比平均每赫兹上升3.3%,其中单向阀组、溢流阀、柱塞泵、液压缸分别增长了3.5倍、4.3倍、81%和1.6倍。由此可见,频率上升加剧单向阀、溢流阀的能耗。频率增加,系统压力及流量随之增加,从而加大阀两侧压降,阀的能耗与阀的压降和流量相关,因此,阀的能耗呈上升趋势,且增长率不断增大。

图9 各部件的能耗随频率变化的关系曲线

图10展示了液压系统内部各元件能耗与输入功的比值随频率变化的关系。随着频率增大,柱塞泵能耗占比值下降了39.15%,液压缸则下降了11.57%,而单向阀组、溢流阀的能耗分别增加了50.45%、78.78%。进一步证明,单向阀组与溢流阀的能耗受频率影响较为严重,总的来说液压系统总体的能耗占比上升了26%,说明了随着频率的增加,系统的有用功比重会不断降低,系统的工作效率在下降。

图10 各部件的能耗与输入功的比值随频率变化的曲线

3 结论

建立了液压系统的机械-液压耦合模型,定量分析了液压系统的能耗组成与分布规律,明确了液压系统的能耗由液压缸与柱塞泵组成的能量转换损耗以及液压回路损耗构成。

(1)负载变化对能量转换损耗的影响较大。其中,柱塞泵与主动单向阀组的能耗始终占据主要分布区域。整个工作过程中,系统的有用功比重会随着负载的增加不断提高,系统的工作效率得到有效提高。

(2)频率的改变可有效增加系统中液压回路的能耗。随着频率的增加,液压系统的总能耗占比平均每赫兹上升3.3%,系统的有用功比重会不断降低,系统的工作效率在下降。

猜你喜欢

柱塞泵单向阀柱塞
基于HP滤波与ARIMA-GARCH模型的柱塞泵泄漏量预测
斜盘式柱塞泵柱塞副最佳间隙值的计算与仿真
一款弹簧式导向柱塞挡块替换方案设计
某型飞机液压柱塞泵弹簧断裂分析
连续柱塞气举工艺设计及在塔里木凝析气田的应用
PSO-BP网络模型在柱塞泵故障诊断中的应用
一种改进后空调器单向阀的节能技术分析
基于改进最小二乘支持向量机的柱塞泵故障诊断模型
三说单向阀
橡胶密封单向阀