基于變頻液壓技術(shù)的起豎系統(tǒng)節(jié)能研究

鄧飆，劉連偉

(第二炮兵工程大學(xué)，陜西西安 710025)

液壓傳動具有傳動平穩(wěn)、調(diào)速方便、功率體積比大等優(yōu)點(diǎn)［1］。同時(shí)，液壓產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造要考慮適應(yīng)環(huán)境生態(tài)發(fā)展的要求，開發(fā)研制環(huán)保、節(jié)能型產(chǎn)品是今后工程機(jī)械發(fā)展的趨勢［2］，研究液壓系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)具有重要的實(shí)際意義。某型導(dǎo)彈的車載發(fā)射裝置是一種采用液壓驅(qū)動的復(fù)雜機(jī)電液大型設(shè)備，其起豎系統(tǒng)液壓回路采用節(jié)流控制，通過各種閥控制液壓缸的輸入流量和壓力適應(yīng)負(fù)載的變化，實(shí)現(xiàn)大型設(shè)備快速平穩(wěn)起豎。節(jié)流控制時(shí)，系統(tǒng)存在較大節(jié)流損失和溢流損失［3-4］，因此系統(tǒng)的能量利用率不高，而且過大的節(jié)流和溢流損失還會導(dǎo)致嚴(yán)重的油液溫升，損害系統(tǒng)的使用壽命。變頻液壓技術(shù)是一種新型的節(jié)能傳動方式，它的結(jié)構(gòu)形式是變頻器+電機(jī)+定量泵，通過變頻器改變供電電源的頻率調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)驅(qū)動定量泵改變轉(zhuǎn)速，這樣就可以調(diào)整泵的輸出流量以適應(yīng)負(fù)載的流量變化，因此采用變頻液壓技術(shù)可以減小液壓回路的節(jié)流損失和溢流損失，提高系統(tǒng)的能量利用率［5-8］。

1 起豎系統(tǒng)介紹和建模

1.1 起豎系統(tǒng)工作原理

圖1 為起豎系統(tǒng)研究試驗(yàn)平臺工作原理簡圖，起豎系統(tǒng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液壓回路和控制系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由起豎臂、二級液壓缸組成，負(fù)責(zé)完成負(fù)載起豎和撤收回平;液壓回路由各類閥、電機(jī)、泵和變頻器組成，負(fù)責(zé)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供動力;控制系統(tǒng)由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、控制軟件、監(jiān)控診斷系統(tǒng)軟件、指令按鈕、信號調(diào)理箱以及通信單元組成，它的輸入信號來自于角位移傳感器采集的角度信號，輸出比例流量閥和變頻器的控制信號調(diào)整起豎臂的運(yùn)動狀態(tài)。

圖1 起豎系統(tǒng)工作原理簡圖

當(dāng)液壓回路開始工作時(shí)，三相電源由變頻器9 的輸入側(cè)接入，變頻器將380 V/50 Hz 的工頻電源轉(zhuǎn)換成特定頻率特定電壓的電壓信號供給異步電機(jī)10，電機(jī)10 帶動液壓泵11 旋轉(zhuǎn)，油泵11 輸出壓力油經(jīng)比例流量閥8、換向閥6、雙向平衡閥5 驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動，使負(fù)載由水平狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠鹭Q狀態(tài)，油缸反腔的低壓油經(jīng)雙向平衡閥5、換向閥6 流回油箱。根據(jù)安裝在起豎臂上的角度傳感器采集的信號，控制系統(tǒng)調(diào)整變頻器和比例流量閥的輸入信號，進(jìn)而控制起豎臂運(yùn)動狀態(tài)。

1.2 起豎系統(tǒng)的建模

根據(jù)系統(tǒng)的工作原理圖，利用AMESim 建立的起豎機(jī)械液壓系統(tǒng)模型如圖2 所示。

圖2 起豎機(jī)械液壓系統(tǒng)AMESim 模型

2 起豎系統(tǒng)傳統(tǒng)節(jié)流方案與復(fù)合方案介紹

2.1 起豎系統(tǒng)節(jié)流控制方案

起豎系統(tǒng)的傳統(tǒng)控制方案是節(jié)流控制方案，節(jié)流控制方案框圖如圖3 所示，Simulink 模型如圖4 所示。系統(tǒng)通過比例流量閥控制液壓缸輸入、輸出流量和壓力，從而驅(qū)動負(fù)載按照設(shè)定的規(guī)律運(yùn)動。這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)是控制方法相對簡單、控制精度高，但是它僅能在泵源以外的液壓回路范圍內(nèi)考慮節(jié)能問題。在起豎系統(tǒng)工作時(shí)，電機(jī)一直處于最大功率輸出狀態(tài)，但是實(shí)際的運(yùn)行過程中，大部分時(shí)間內(nèi)電機(jī)都處于欠負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)，因此系統(tǒng)能量利用率并不高。

圖3 節(jié)流控制方案框圖

圖4 Simulink 仿真模型

2.2 起豎系統(tǒng)復(fù)合控制方案

根據(jù)多級液壓缸起豎系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了復(fù)合控制方案，其框架如圖5 所示。復(fù)合控制方案將電機(jī)及其整個(gè)動力傳動鏈都考慮進(jìn)去，讓泵源的輸出功率與負(fù)載所需的功率相匹配，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。這種控制方法相對復(fù)雜，控制的難度也有所增加，但是它是從系統(tǒng)的角度和全局的觀點(diǎn)來考慮系統(tǒng)的節(jié)能問題。

圖5 復(fù)合控制方案框圖

設(shè)電機(jī)的輸入功率為N1，電機(jī)的輸出功率為N2，則電機(jī)的功率損失ΔN1為:

式中:ΔN1包括電機(jī)的銅損、鐵損及機(jī)械損耗等［6-8］。如設(shè)泵的容積效率為η1，機(jī)械效率為η2，則液壓泵的輸出功率N3為:

電機(jī)的輸出功率N2為:

泵的功率損失ΔN2為:

設(shè)缸的機(jī)械效率為η3，則缸的輸出功率N4為:

式中:p1為液壓缸正腔壓力;

p2為液壓缸反腔壓力;

Q2為液壓缸正腔流量;

Q3為液壓缸反腔流量。

液壓缸的功率損失和節(jié)流溢流損失ΔN3為:

系統(tǒng)總的功率損失ΔNq為:

為了計(jì)算的方便，忽略電機(jī)、泵和液壓缸的功率損失，則液壓回路的功率損失就是節(jié)流、溢流損失，其計(jì)算公式如下所示:

起豎運(yùn)動規(guī)律和負(fù)載相同的情況下，無論采用節(jié)流控制方案還是復(fù)合控制方案，負(fù)載功率是基本相同的，但是采用復(fù)合控制方案，可以減小泵源的輸出流量Q1和壓力pp，因而能夠減小節(jié)流和溢流功率損失，提高系統(tǒng)的功率效率。

3 起豎時(shí)間不同時(shí)節(jié)能效果研究

將變頻器輸入信號輸入到Simulink 模塊中，分別進(jìn)行40、50、70、80 s 起豎的聯(lián)合仿真，仿真結(jié)果如圖6 所示。

圖6 復(fù)合控制時(shí)液壓回路功率分配圖

采用節(jié)流控制方案，分別進(jìn)行40、50、60、70、80 s 起豎的聯(lián)合仿真，仿真所得的液壓回路功率分配圖如圖7 所示。

圖7 節(jié)流控制時(shí)液壓回路功率分配圖

根據(jù)圖6—7 可以得出結(jié)論:起豎系統(tǒng)采用節(jié)流控制方案時(shí)，平均泵源輸出功率維持在25 kW 左右;起豎系統(tǒng)采用復(fù)合控制時(shí)，平均泵源輸出功率減小到了15 kW 左右，功率節(jié)省比達(dá)到了35%以上。

4 結(jié)論

將變頻液壓技術(shù)應(yīng)用于起豎液壓系統(tǒng)，通過改變輸入變頻器的電壓使得泵源的輸出流量與負(fù)載所需的能量相適應(yīng)。從仿真的結(jié)果上看:與傳統(tǒng)的起豎液壓系統(tǒng)相比，采用變頻技術(shù)可以明顯減小節(jié)流和溢流損失，達(dá)到節(jié)能、提高系統(tǒng)能量利用率的目的。

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