劉 永, 谷立臣, 楊 彬, 吳振松, 陳 萌
(1.長安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院,陜西 西安 710064;2.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,湖北 十堰 442002;3.西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,陜西 西安 710054)
液壓傳動(dòng)系統(tǒng)具有傳動(dòng)平穩(wěn)、可無級(jí)調(diào)速、高負(fù)載率等特點(diǎn),在工業(yè)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。液壓容積調(diào)速回路效率比節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)高,按油液循環(huán)方式分為開式回路和閉式回路2種。變排量容積調(diào)速控制方式是通過改變變量泵的排量來調(diào)整系統(tǒng)流量,以實(shí)現(xiàn)改變執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)速;變轉(zhuǎn)速容積調(diào)速控制方式是通過改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)整系統(tǒng)流量,以實(shí)現(xiàn)改變執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)速。閉式泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)效率較高,主要應(yīng)用在大功率的場(chǎng)合,所以研究此類液壓系統(tǒng)的效率問題,在節(jié)能方面具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。
隨著電機(jī)變頻技術(shù)的發(fā)展,變頻電機(jī)加定量泵(或變量泵)容積調(diào)速技術(shù)在相關(guān)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[1]對(duì)變頻泵控缸系統(tǒng)的叉車舉升效率進(jìn)行了分析;文獻(xiàn)[2-3]將交流伺服電機(jī)加定量泵的泵控缸調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用到注塑機(jī)和大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片糾偏裝置中,通過模糊控制使泵控缸調(diào)速系統(tǒng)的效率和響應(yīng)性能得到很大的提高;文獻(xiàn)[4]對(duì)開式變轉(zhuǎn)速和變排量2種控制方式的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)模擬裝置的能耗進(jìn)行了研究,結(jié)果表明變轉(zhuǎn)速控制方式比變排量控制方式的效率高;文獻(xiàn)[5]對(duì)永磁同步電機(jī)和普通變頻三相異步電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)定量泵的系統(tǒng)效率進(jìn)行了對(duì)比研究分析,結(jié)果表明以永磁同步電機(jī)為動(dòng)力源的變轉(zhuǎn)速液壓驅(qū)動(dòng)方式效率要比普通變頻三相異步電動(dòng)機(jī)高;文獻(xiàn)[6-7]對(duì)閉式液壓電梯的能耗和效率進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[8]對(duì)變頻泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)和閥控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了效率研究;文獻(xiàn)[9]對(duì)液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)溢流能量損失進(jìn)行了建模仿真分析。
國內(nèi)外已經(jīng)對(duì)開式大功率的變轉(zhuǎn)速、變排量容積液壓調(diào)速系統(tǒng)效率進(jìn)行了相關(guān)研究,但對(duì)閉式容積調(diào)速系統(tǒng)中變排量和變轉(zhuǎn)速控制方式效率的對(duì)比研究卻較少。
因此,本文以設(shè)計(jì)的閉式變轉(zhuǎn)速、變排量大功率容積液壓調(diào)速系統(tǒng)為研究對(duì)象,建立2種系統(tǒng)效率的數(shù)學(xué)模型,利用AMESim軟件,通過數(shù)值計(jì)算的方法,在相同的負(fù)載工況和給定馬達(dá)轉(zhuǎn)速電機(jī)隨動(dòng)PID閉環(huán)控制條件下,對(duì)比分析了2種閉式泵控馬達(dá)液壓調(diào)速系統(tǒng)的效率,并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
設(shè)計(jì)的閉式泵控馬達(dá)系統(tǒng)原理如圖1所示。
圖1 閉式泵控馬達(dá)液壓原理圖
圖1中,動(dòng)力源為元件2和4,分別為30kW變頻電機(jī)和33kW柴油機(jī);分動(dòng)箱3里有2套液控濕式摩擦離合器,可以實(shí)現(xiàn)2種動(dòng)力源的單獨(dú)輸入、合力輸入和動(dòng)力源的分開空轉(zhuǎn);轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩傳感器5和18可以測(cè)量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值;流量和壓力傳感器以及溫度傳感器,集成在非標(biāo)的閥塊上,分別安裝在閉式驅(qū)動(dòng)回路的高、低壓回路上;閉式電比例柱塞變量泵6,自帶補(bǔ)油泵;電比例溢流閥12可以設(shè)定調(diào)節(jié)高、低壓回路的壓差;11為高、低壓回路之間的單向閥;15為電比例變量馬達(dá);換向沖洗閥16和溢流閥17集成在元件15中,可以實(shí)現(xiàn)閉式液壓回路油液的散熱和交換。以上元件構(gòu)成了液壓閉式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)回路。加載系統(tǒng)為開式液壓系統(tǒng),采用齒輪泵和電比例溢流閥背壓模擬加載。電比例柱塞變量液壓馬達(dá)后面剛性連接轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩傳感器18、可調(diào)節(jié)慣量盤組19、機(jī)械制動(dòng)器20;機(jī)械制動(dòng)器20與齒輪泵21剛性連接;壓力表24和電比例溢流閥26,可以實(shí)現(xiàn)背壓模擬加載;溢流閥25可與電比例溢流閥26構(gòu)成雙保險(xiǎn),起設(shè)定開式液壓系統(tǒng)加載最高壓力和溢流保護(hù)作用;31、30和32為研華工控機(jī)和采集板卡。
系統(tǒng)為閉式液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),加載為開式液壓系統(tǒng),采用電比例溢流閥背壓模擬加載??梢詫㈦姳壤兞恳簤厚R達(dá)15的排量設(shè)置為最大排量,當(dāng)作定量馬達(dá)使用;系統(tǒng)當(dāng)作變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)容積調(diào)速系統(tǒng)使用時(shí),將閉式電比例變量泵6的排量設(shè)置為最大排量,當(dāng)作定量泵使用,通過改變變頻電機(jī)2的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)改變驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的流量,從而改變執(zhí)行元件液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速;系統(tǒng)當(dāng)作變排量泵控馬達(dá)容積調(diào)速系統(tǒng)使用時(shí),將變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)為固定值,通過改變閉式電比例變量泵6的排量來實(shí)現(xiàn)改變驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的流量,從而改變執(zhí)行元件液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。故在此系統(tǒng)上能進(jìn)行變轉(zhuǎn)速、變排量2種閉式容積調(diào)速系統(tǒng)的液壓效率對(duì)比研究。
其中,qin為變量泵的輸入流量;Δq為變量泵的泄露流量;Cs為流量泄漏系數(shù);Δp為泵的進(jìn)出油壓差;μ為油液的黏度系數(shù)。
斜盤式柱塞變量泵的機(jī)械效率ηpm為:
其中,Tout、Tin、ff分別為泵的輸出、輸入、摩擦轉(zhuǎn)矩;ηp為泵的轉(zhuǎn)速;fv為油液的黏性阻尼系數(shù);f為油液的摩擦阻尼系數(shù);D為泵的缸體直徑;k為與配油盤結(jié)構(gòu)相關(guān)的系數(shù);z為柱塞的數(shù)量;A為滑履與斜盤接觸面積;θ為斜盤與缸體軸線的夾角;β為泵的排量比,β=Vp/Vpmax,Vpmax為變量泵的最大排量,Vp為當(dāng)前排量;r為柱塞軸線分布圓的半徑;Tc為與泵的壓力差和轉(zhuǎn)速無關(guān)的阻力矩。
電機(jī)的損失能量ΔP1=P1-P2,其中,P1為電機(jī)的輸入功率,P2為電機(jī)的輸出功率,電機(jī)的功率損失包括電機(jī)的銅損、鐵損和機(jī)械損耗。液壓變量泵的輸入功率可以表示為:
而電機(jī)的的輸出功率等于泵的輸入功率,所以有:
其中,η為泵的總效率,η=ηpmηpv;ηpm為泵的機(jī)械效率;ηpv為泵的容積效率。
所以泵的能量損失為:
假設(shè)液壓馬達(dá)的機(jī)械效率為ηmm,液壓馬達(dá)的輸出能量為P4,則
其中,pL1為閉式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高壓側(cè)壓力;pL2為閉式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的低壓側(cè)壓力,所以泵到馬達(dá)的能量損失為P3,即
系統(tǒng)總的能量損失為:
可以從(8)式看出,整個(gè)系統(tǒng)的能量損耗由2部分構(gòu)成,即電機(jī)的損耗和液壓回路的損耗。在閉式容積液壓回路中,由于系統(tǒng)沒有節(jié)流和溢流損失,液壓回路的能量損耗主要是由摩擦和泄露引起的。
電機(jī)的效率為η1,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的總效率為η3,則有:
所以閉式液壓系統(tǒng)的效率為η2,即
假設(shè)變轉(zhuǎn)速、變排量2種閉式系統(tǒng)的效率為η21、η22,回路高、低壓壓力為pL11、pL12、pL21、pL22,馬達(dá)的排量為Dm1、Dm2,馬達(dá)給定轉(zhuǎn)速為nm1、nm2,泵的機(jī)械效率為ηpm1、ηpm2,馬達(dá)的機(jī)械效率為ηmm1、ηmm2,泵的出口壓力為pp1、pp2,泵的排量為Dp1、Dp2,泵的轉(zhuǎn)速為np1、np2。在2種系統(tǒng)中,假設(shè)壓力穩(wěn)定后波動(dòng)較小,則pL11≈pL12,pL21≈pL22,pp1≈pp2,而Dm1≈Dm2,馬達(dá)的給定轉(zhuǎn)速nm1≈nm2,馬達(dá)的機(jī)械效率ηmm1=ηmm2,假設(shè)2種系統(tǒng)中元件內(nèi)泄引起的流量損失占系統(tǒng)總流量的比重較小,可以忽略不計(jì),所以有:
由(11)式可以看出,2種系統(tǒng)的液壓效率與比例變量泵的機(jī)械效率有關(guān)。2種系統(tǒng)在比例變量泵輸出轉(zhuǎn)矩一定的情況下,由(2)式可得2種系統(tǒng)的效率比為:
由(3)式可知,摩擦消耗的力矩由4部分構(gòu)成:
其中,由油液黏性摩擦消耗的轉(zhuǎn)矩為:
而np1<np2,所以Tf1′<Tf2′,由泵內(nèi)缸體摩擦消耗的轉(zhuǎn)矩Tf1″=Tf2″,由柱塞和配油盤消耗的轉(zhuǎn)矩為:
而β1>β2,θ1>θ2,所以Tf1?<Tf2?,與泵的壓力差和轉(zhuǎn)速無關(guān)的阻力矩Tc為常數(shù),所以Tf1′?=Tf2′?,故Tf2>Tf1,η21>η22,即變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)效率高于變排量系統(tǒng)。結(jié)合(2)式、(3)式、(11)式、(13)~(15)式可以看出,隨著負(fù)載壓力與馬達(dá)轉(zhuǎn)速的提高,2種液壓調(diào)速方式的液壓效率越來越接近,即2種系統(tǒng)中比例變量泵所消耗的摩擦轉(zhuǎn)矩越來越接近,但β1>β2,θ1>θ2,變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)消耗的摩擦轉(zhuǎn)矩始終小于變排量系統(tǒng)的,所以變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的效率始終大于變排量系統(tǒng)。
變排量泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖2所示,變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖3所示。分動(dòng)箱中,電機(jī)輸入到輸出的傳動(dòng)比為1,2個(gè)模型在建模時(shí),忽略了分動(dòng)箱中濕式液控摩擦離合器、分動(dòng)箱機(jī)械傳動(dòng)效率及定量馬達(dá)的機(jī)械效率。仿真模型元件全部用AMESim軟件中機(jī)械、液壓和信號(hào)庫中的標(biāo)準(zhǔn)元件[11]。整個(gè)系統(tǒng)由2部分構(gòu)成,一部分是閉式驅(qū)動(dòng)回路部分,另一部分是開式加載回路部分。閉式驅(qū)動(dòng)回路部分由變頻電機(jī)、變量泵、補(bǔ)油泵、變量馬達(dá)、比例溢流閥、單向閥、溢流閥、沖洗閥等元件構(gòu)成。開式回路由定量泵、加載電比例溢流閥、安全溢流閥等原件構(gòu)成。系統(tǒng)的泵和馬達(dá)的泄漏通過一個(gè)節(jié)流閥10來模擬,泄漏系數(shù)取C=0.1L/(min·MPa)。閉式變量泵和變量馬達(dá)的參數(shù)由林德HPV55-02RE1300E和HMV105-02E1C樣本參數(shù)決定,變量泵為雙向電液比例控制,公稱排量為105mL/r;變量馬達(dá)為電液比例控制,公稱排量為105mL/r;變頻電機(jī)型號(hào)為西門子公司的1LG0206-4AA,電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為1 480r/min,效率按樣本參數(shù)取91.4%。
圖2 閉式變排量泵控馬達(dá)液壓系統(tǒng)效率計(jì)算仿真模型
圖3 閉式變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)液壓系統(tǒng)效率計(jì)算仿真模型
變排量和變轉(zhuǎn)速模型都是給定馬達(dá)轉(zhuǎn)速,通過速度大閉環(huán)調(diào)整變量泵排量、變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)達(dá)到給定馬達(dá)的轉(zhuǎn)速值,給定變量馬達(dá)的排量都是滿排量,即105mL/r,給定馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為0~600r/min。
變排量模型中,給定變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速為定值1 480r/min,變量泵的排量在0~55mL/r變化,PID參數(shù)P=100、Ti=50、Td=0;變轉(zhuǎn)速模型中,變量泵的排量為定值55mL/r,給定變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速在0~1 480r/min變化,PID參數(shù)P=40、Ti=2、Td=0。在閉式驅(qū)動(dòng)回路中,設(shè)定高、低壓油路之間的溢流壓力為25MPa,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)背壓2 MPa。開式加載回路安全溢流壓力20MPa,補(bǔ)油泵的安全溢流壓力為2MPa,比例變量泵的最大安全溢流壓力根據(jù)樣本設(shè)為42MPa。
變轉(zhuǎn)速容積調(diào)速系統(tǒng)、變排量容積調(diào)速系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的開式系統(tǒng)加載壓力分別為5、8、11MPa時(shí),2種系統(tǒng)的效率對(duì)比曲線,如圖4所示。
圖4 加載壓力不同時(shí)變排量和變轉(zhuǎn)速效率仿真結(jié)果
此時(shí)對(duì)應(yīng)閉式回路高壓側(cè)的壓力分別為10.4、15.5、20.5MPa,等效加載在液壓馬達(dá)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩分別為142、227、312N·m,仿真效率曲線開始的振蕩是由于閉式液壓系統(tǒng)的低壓管路中有油液,從而導(dǎo)致的啟動(dòng)沖擊引起的。
從圖4a可以看出,對(duì)應(yīng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速在300、400、500r/min時(shí),閉式變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)要比變排量泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)的效率高27%、17%和13%;轉(zhuǎn)速越低,效率差越大;轉(zhuǎn)速越高,效率差越小。從圖4b可以看出,對(duì)應(yīng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速在300、400、500r/min時(shí),閉式變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)比變排量泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)的效率高14%、11%和9%;轉(zhuǎn)速越低,效率差越大;轉(zhuǎn)速越高,效率差越小,且變小的趨勢(shì)變緩。從圖4c可以看出,對(duì)應(yīng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速在300、400、500r/min時(shí),閉式變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)要比變排量泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)的效率高6%、4%和2%;高、低速效率差減小趨勢(shì)變緩,且差值不大。
實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物如圖5所示。實(shí)驗(yàn)通過編制Labview測(cè)控程序在工控機(jī)上實(shí)現(xiàn)相應(yīng)物理量的測(cè)量和控制。
圖5 閉式泵控馬達(dá)液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
閉式泵控馬達(dá)系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)效率為:
其中比例變量馬達(dá)軸端的輸出負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tout′和轉(zhuǎn)速nm通過圖1中元件18轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)得,比例變量泵的輸入轉(zhuǎn)矩Tin和轉(zhuǎn)速np通過圖1中元件5轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)得。將測(cè)量值代入(16)式可以計(jì)算出液壓系統(tǒng)的效率。實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)得油溫為31℃左右。由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)為大功率液壓系統(tǒng),存在低速穩(wěn)定性差、時(shí)滯等問題,閉環(huán)控制性能差,所以實(shí)驗(yàn)采用開環(huán)控制方式。變轉(zhuǎn)速控制方式通過在Labview測(cè)控程序改變變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電壓(范圍1~10V)來調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速,改變液壓系統(tǒng)流量,從而使馬達(dá)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值,比例變量泵、比例變量馬達(dá)的排量為滿排量;變排量控制方式通過在Labview測(cè)控程序改變比例變量泵的排量控制電壓(范圍1~10V)來調(diào)整液壓系統(tǒng)流量,從而使馬達(dá)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值,比例變量馬達(dá)的排量為滿排量,變頻電機(jī)在工頻50Hz、轉(zhuǎn)速1 480r/min條件下工作。
加載壓力為5、8、11MPa時(shí)變轉(zhuǎn)速和變排量2種控制方式下液壓系統(tǒng)效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,如圖6所示。
圖6 加載壓力不同時(shí)變排量和變轉(zhuǎn)速效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3種負(fù)載工況下效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖7所示。從圖4、圖6可以看出,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果變化趨勢(shì)相符。3種負(fù)載工況下,變轉(zhuǎn)速控制方式的效率始終高于變排量控制方式。隨著轉(zhuǎn)速和壓力的增加,2種控制方式的液壓系統(tǒng)效率都在增加,相同工況下效率差的數(shù)值在減小。
圖7 3種負(fù)載工況下變排量和變轉(zhuǎn)速效率對(duì)比
從圖7可以看出,閉式變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)系統(tǒng)的效率始終高于變排量系統(tǒng),在低速、低載工況下,效果更明顯。變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)系統(tǒng)通過改變變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變系統(tǒng)流量,調(diào)整輸出功率以適應(yīng)負(fù)載功率;而變排量泵控馬達(dá)系統(tǒng)中電機(jī)始終以固定的轉(zhuǎn)速高速旋轉(zhuǎn),功率輸出較大,且變流量的調(diào)速方式是通過變量機(jī)構(gòu)改變變量泵的排量,存在較大的油液、機(jī)械摩擦損耗,泵的機(jī)械效率低,所以效率較低。
隨著轉(zhuǎn)速、負(fù)載的增加,系統(tǒng)壓力增加,2種控制方式的輸出功率越來越大,效率也越來越高。輸出功率增大時(shí),液壓系統(tǒng)泄漏、機(jī)械摩擦引起的能量損失在整個(gè)系統(tǒng)能量輸出的比重越來越小,所以效率差數(shù)值變化趨勢(shì)減緩。
本文以設(shè)計(jì)的閉式變排量、變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)容積調(diào)速液壓系統(tǒng)為研究對(duì)象,對(duì)2種控制方式的液壓系統(tǒng)效率進(jìn)行了對(duì)比研究,結(jié)論如下:
(1)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在相同的負(fù)載工況下,變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)調(diào)速方式的液壓系統(tǒng)效率始終高于變排量泵控馬達(dá)調(diào)速方式,在低速、輕載的情況下節(jié)能效果更明顯。隨著負(fù)載壓力和轉(zhuǎn)速的提高,2種控制方式的效率增速變緩。
(2)針對(duì)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),在馬達(dá)轉(zhuǎn)速300~600r/min的范圍內(nèi),加載系統(tǒng)壓力為5~11MPa,變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)與變排量系統(tǒng)的效率差值最高接近20%。在實(shí)際工況中,變轉(zhuǎn)速泵控系統(tǒng)會(huì)存在低速不穩(wěn)定、泵在最低轉(zhuǎn)速下工作情況,所以在馬達(dá)轉(zhuǎn)速300r/min下,分析結(jié)果的參考意義不大。
(3)對(duì)于效率相對(duì)較高的閉式容積調(diào)速系統(tǒng),采用變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)方式與傳統(tǒng)的變排量容積調(diào)速系統(tǒng)相比能顯著地提高系統(tǒng)的能量利用效率,節(jié)能效果明顯。
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