負(fù)載切換過程液壓系統(tǒng)的能耗特征研究*

劉志峰，劉曉鵬，秦利民

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230009)

負(fù)載切換過程液壓系統(tǒng)的能耗特征研究*

劉志峰，劉曉鵬，秦利民

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230009)

由于液壓系統(tǒng)存在著頻繁的負(fù)載切換，容易產(chǎn)生額外的能量消耗。為了探究動(dòng)態(tài)負(fù)載快速切換過程中系統(tǒng)額外能量損耗的變化規(guī)律及影響因素，建立了液壓系統(tǒng)負(fù)載切換的Simulink-AMESim聯(lián)合仿真模型，將整個(gè)系統(tǒng)的能量消耗反映在電機(jī)輸入端的電能進(jìn)行研究，得到了不同工況負(fù)載的切換過程中系統(tǒng)的額外能耗的影響因素。其中負(fù)載差對整個(gè)系統(tǒng)的額外能量消耗影響最大，切換后的負(fù)載對額外能量損耗占切換過程中的整個(gè)能量消耗的比例大小影響最大。該結(jié)果為實(shí)現(xiàn)在負(fù)載頻繁切換環(huán)境下液壓系統(tǒng)的節(jié)能降耗提供了參考。

動(dòng)態(tài)負(fù)載；聯(lián)合仿真；額外能量消耗

0 引言

液壓的動(dòng)態(tài)過程是指從原有的平衡狀態(tài)開始到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過程，在液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中[1]，能量消耗是以異步電機(jī)為出口作用到電網(wǎng)的，由于功率密度較大，產(chǎn)生了相應(yīng)的功率能量損耗。

針對負(fù)載與液壓系統(tǒng)功率匹配的問題，趙凱等[2]提出了全局變量匹配控制與局部匹配控制方法，解決了液壓系統(tǒng)承受時(shí)序負(fù)載的過程中所產(chǎn)生的負(fù)載與系統(tǒng)額定功率不匹配和負(fù)載與電機(jī)泵組不匹配的問題。Kazuo Nakano等[3]分析對比了普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)變量泵系統(tǒng)和變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)定量泵系統(tǒng)的效率，結(jié)果顯示后者在中等負(fù)載時(shí)的效率要高于前者。游明琳等[4]人提出了在負(fù)載自適應(yīng)條件下實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)功率與負(fù)載匹配的控制方法，揭示了液壓系統(tǒng)節(jié)能的一種方法。但是沒有從負(fù)載需求對裝機(jī)功率進(jìn)行改善，而且對動(dòng)態(tài)時(shí)序負(fù)載的暫態(tài)過程沒有深入研究。

在對動(dòng)態(tài)負(fù)載能耗的研究方面，張震等[5]通過降低電機(jī)端電壓來提高功率因數(shù)從而達(dá)到節(jié)能目的，隨后對不同負(fù)載情況下的降壓進(jìn)行了分析，并討論了功率因數(shù)角對晶閘管輸出電壓的影響；李彪等[6]對周期性負(fù)載條件下的總損耗進(jìn)行了重新劃分與計(jì)算，得到了異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓特性曲線，但都僅僅局限于對異步電機(jī)本身進(jìn)行能耗研究，沒有考慮整個(gè)系統(tǒng)的能量損失。何汝迎等[7]構(gòu)建出一種多壓力源、梯級(jí)負(fù)載蓄能站并實(shí)行主、輔工作泵制度的節(jié)能液壓系統(tǒng)模型，并沒有將系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的額外損耗包括進(jìn)去。

綜上所述，本文從負(fù)載切換的動(dòng)態(tài)過程角度出發(fā)，將包括電機(jī)泵和閥組在內(nèi)的能耗考慮在內(nèi)并通過電機(jī)輸入端的電壓電流進(jìn)行行動(dòng)態(tài)能耗研究。探究了對動(dòng)態(tài)負(fù)載切換過程中額外能耗損失的主要影響因素，以期為提高動(dòng)態(tài)負(fù)載切換過程的能量利用提供依據(jù)。

1 液壓系統(tǒng)模型

液壓系統(tǒng)各能量單元元件就形式與結(jié)構(gòu)而言，可以概括為物質(zhì)與能量交換的“開放系統(tǒng)”。液壓系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)切換過程中的能量傳遞如圖1所示，電能作為能量總輸入作用在電機(jī)端，U,I作為三相異步電機(jī)的輸入電壓與電流。由電機(jī)學(xué)[8]可知，異步電機(jī)在功率傳遞過程當(dāng)中存在銅損與鐵損等損耗，對于時(shí)序負(fù)載的工況下，動(dòng)態(tài)負(fù)載使電動(dòng)機(jī)承受額外的動(dòng)載荷，功率沒有隨著負(fù)載切換而線性變化，從而加大了機(jī)械損耗，將因?yàn)樨?fù)載切換而產(chǎn)生的能量歸為額外的能量損耗。τ，ω作為泵的輸入轉(zhuǎn)矩與角速度，p,q作為液壓系統(tǒng)管道中的流量與壓力，F(xiàn),v作為液壓系統(tǒng)輸出的力與速度，在各個(gè)液壓系統(tǒng)單元都存在著在靜態(tài)負(fù)載下產(chǎn)生的損耗和因動(dòng)態(tài)負(fù)載切換而產(chǎn)生的額外的能量損耗。因?yàn)槟芰康妮斎胧峭ㄟ^電壓U與電流I作用到電機(jī)上，則為了研究額外的能量損耗，建立Simulink電機(jī)及相關(guān)三相電源模型。

圖1 系統(tǒng)能量流程圖

1.1 液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

液壓系統(tǒng)圖如圖2所示。

根據(jù)系統(tǒng)的工作條件與結(jié)構(gòu)，假設(shè)液壓缸的連接管道對稱，且短而粗，管道中的壓力損失，動(dòng)態(tài)損失和油液質(zhì)量可忽略[9]，對于液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件，液壓的進(jìn)油腔與回油腔的流量聯(lián)系性方程及活塞桿運(yùn)動(dòng)的方程為：

(1)

(2)

C1=V1/K,C2=V2/K

(3)

式中，V1，V2為工作缸進(jìn)，排油腔容積(m3/s)，K為油液體積彈性模量(N/m2)[10]。

對換向閥進(jìn)行分析，其運(yùn)動(dòng)方程為：

(4)

其流量方程為：

(5)

式中，Cd為流量系數(shù)，PS為供液壓力，x為閥芯開口度，Δp為閥口前后壓差，ρ為油液密度。

考慮流進(jìn)換向閥的流量，對于定量泵而言，忽略移動(dòng)移動(dòng)部分的慣性和泵內(nèi)摩擦，則定量泵的流量方程為：

Q=nVP-kwPv

(6)

式中，Q為泵輸出流量；n為泵(電機(jī))的轉(zhuǎn)速；VP為泵的排量；Pv為泵的出口壓力；kw為泵的動(dòng)態(tài)泄露系數(shù)。

1.2 模型搭建

根據(jù)上述元件的數(shù)學(xué)模型，可以在Simulink與AMESim中得到如圖3所示的聯(lián)合仿真模型。在仿真模型中設(shè)置如下參數(shù)。

λc液壓缸的泄漏系數(shù)λc=4.47×10-11(m3·Pa/s)；A1,A2為液壓缸進(jìn)油活塞面積A1=3.925×10-3m3；排油腔活塞面積A2=2.943×10-3m3為活塞及負(fù)載的總質(zhì)量m=150kg；粘性阻尼系數(shù)B=100N·s/m；工作缸進(jìn)油腔容積V1=2.616×10-3m3/s，工作缸排油腔容積V2=1.962×10-3m3/s; 油液體積彈性模量K=7.5×108Pa；閥芯質(zhì)量為m1=0.1kg；電磁力Fd=100N；彈簧剛度k=100kN/mm；彈簧預(yù)壓縮量xc=0.001mm；Cd為流量系數(shù)為0.7；油液密度ρ=900kg/m3；泵的轉(zhuǎn)速為1500r/min；泵排量VP=0.063L/r；泵的動(dòng)態(tài)泄露系數(shù)2×10-11m3/(s·Pa)。通過改變元件9的信號(hào)大小及切換時(shí)間來模擬加工過程中的負(fù)載變化，并由Simulink所建立三相異步電機(jī)模型對三相輸入電壓電流進(jìn)行采樣及分析，得出液壓系統(tǒng)隨負(fù)載變化的動(dòng)態(tài)電能消耗。

圖3 Simulink-AMESim聯(lián)合仿真

1.3 三相異步電機(jī)功率與功的量化理論及瞬態(tài)過程能耗的計(jì)算方法

由于液壓系統(tǒng)存在功率波動(dòng)，對于作用在電機(jī)端的總能量輸入也存在著功率的波動(dòng)，為探究能量的額外損失，采用平均功率積分方式進(jìn)行計(jì)算。輸入的電能被有效消耗，被轉(zhuǎn)化為熱能，光能，機(jī)械能或化學(xué)能等，稱為有功功率，又叫平均功率。交流電的瞬時(shí)功率不是一個(gè)恒定值，功率在一個(gè)周期內(nèi)的平均值叫做有功功率，以字母P表示。在三相異步電機(jī)輸入中，單相有用功率計(jì)算方式：

三相功率為三個(gè)單相有功功率之和，即：

(7)

式中，u[n]為電壓采樣序列；i[n]為電流采樣序列。

記液壓系統(tǒng)由負(fù)載F1切換到負(fù)載F2的動(dòng)態(tài)過程中額外的能量損耗為Qex，切換開始時(shí)刻瞬態(tài)過程中消耗能量的計(jì)算方法為：在瞬態(tài)過程中按照平均功率的定義存在一個(gè)問題，當(dāng)響應(yīng)過程的時(shí)長比可以計(jì)算的周期時(shí)長要短時(shí)，無法計(jì)算出對應(yīng)的瞬時(shí)功率，則可以用整個(gè)過程中的平均功率來取代，但是整個(gè)過程中的有功能量計(jì)算所得值是不變的。依據(jù)Simulink所得電機(jī)輸入端三相電源中電壓和電流的采樣數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理后的所得積分功率來設(shè)定切換后的穩(wěn)定周期T2。設(shè)周期內(nèi)功率值的波動(dòng)在0.3%內(nèi)則視為已穩(wěn)定即Pmax-Pmin≤0.3%，其中，Pmax，Pmin分別代表一個(gè)周期內(nèi)三相功率的各采樣時(shí)刻的最大值與最小值Simulink中采集電壓ua、ub、uc與電流ia、ib、ic從切換時(shí)刻T1至穩(wěn)定時(shí)刻T2的值，每次試驗(yàn)都通過式有用功率計(jì)算方式(7)進(jìn)行功率積分得出切換過程中的能量損耗值Q，記切換后的平均功率為P2利用式(8)出因切換產(chǎn)生的額外的能量消耗Qex。

Qex=Q-P2(T2-T1)

(8)

2 負(fù)載切換過程的能耗特性

觀察泵端的壓力與流量特性，其中泵端出口壓力和流量如圖4、圖5所示。

圖4 泵端口壓力曲線

圖5 泵端口流量曲線

結(jié)果顯示，泵輸出端的壓力易受切換過程的影響，可以明顯看到壓力上升后脈動(dòng)振蕩減小直至最后平穩(wěn)，而流量雖有小的波動(dòng)，但幾乎不受影響。由泵端輸出流量與壓力的波動(dòng)可知，液壓系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)負(fù)載切換過程中存在功率的波動(dòng)，波動(dòng)則會(huì)引起能量的額外損耗。

用三相異步電機(jī)功率與功的量化理論進(jìn)行能耗的計(jì)算。仿真參數(shù)設(shè)置在0.5s進(jìn)行負(fù)載切換，每一個(gè)周期(約0.02s)進(jìn)行采樣再積分，直至穩(wěn)定時(shí)間停止積分。則根據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)值，計(jì)算在切換過程中的功率隨時(shí)間的變化，將負(fù)載35kN切換到55kN。在Simulink中對電壓ua與ia進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣與分析處理。

進(jìn)行數(shù)據(jù)圖像處理，如圖6所示。

圖6 切換過程中功率曲線

結(jié)果顯示，功率在負(fù)載由小變大的切換過程中，出現(xiàn)了初調(diào)振蕩，整體功率有所增加。在0.5s時(shí)刻進(jìn)行負(fù)載切換，由于本身三相功率存在振蕩特性，在切換后振蕩幅度增大，在0.66922s時(shí)刻振蕩達(dá)到最大峰值，超出負(fù)載在55kN穩(wěn)定時(shí)刻的平均功率值，在0.81074s時(shí)刻，切換過程進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

2.1 不同負(fù)載因素的影響大小探究

改變AMESim中元件9的參數(shù)，設(shè)置改變切換前的負(fù)載F1不變，為35kN，依次改變切換后的負(fù)載F2，通過三相異步電機(jī)功率與功的量化理論及瞬態(tài)過程能耗的計(jì)算方法得到額外的能量消耗值能量損耗值Qex與能量損耗值Q。

進(jìn)行數(shù)據(jù)圖像處理，如圖7所示。

圖7 Qex和Qex/Q隨負(fù)載F2變化

結(jié)果顯示，隨著負(fù)載差值與切換后的負(fù)載的增加，電機(jī)額外的能量損耗出現(xiàn)振蕩并上升的趨勢。在固定F1不變的情況下，依次改變F2大小，通過F2等于40kN、45kN、50kN、55kN的試驗(yàn)組比較可知，隨著切換后的負(fù)載增大，即負(fù)載差ΔF的增大，使得額外的能量損耗增大。通過F2等于10 kN、15kN、20kN、25kN、30kN的試驗(yàn)組比較可知，ΔF也相應(yīng)的增加，能量損耗存在著數(shù)值不大的波動(dòng)，但整體有著增大的趨勢。

由上述兩組試驗(yàn)比較分析，ΔF不變時(shí)，額外能耗的大小及額外能耗在整個(gè)切換過程中的比例和F2有關(guān)，F(xiàn)2越大，額外能耗越大，占切換過程中的整個(gè)能量消耗的比例越小。同理，保持ΔF相等通過比較F2等于15kN與50kN、20kN與45kN、25kN與40kN都能得出相同的結(jié)論。

為要探究F1對切換過程中的能耗影響，設(shè)置F2不變，定為35kN，依次改變切換前F1的值。通過三相異步電機(jī)功率與功的量化理論及瞬態(tài)過程能耗的計(jì)算方法得到額外的能量消耗值。

對表所得額外能耗與切換后的負(fù)載關(guān)系進(jìn)行，如圖7所示。

圖8 Qex和Qex/Q隨負(fù)載F1變化

通過F1等于10 kN、15kN、20kN、25kN、30kN的試驗(yàn)組比較可知，隨著F1增大，ΔF相應(yīng)的減小，能量損耗存在著波動(dòng)并增大趨勢。

由上述兩組試驗(yàn)，負(fù)載差值ΔF不變時(shí)，額外能耗的大小及額外能耗在整個(gè)切換過程中的比例和F1有關(guān)，F(xiàn)1越大，額外能耗越大，占切換過程中的整個(gè)能量消耗的比例越大。同理，保持ΔF相等通過比較F2等于15kN與50kN、20kN與45kN、25kN與40kN都能得出相同的結(jié)論。

綜合圖7與圖8的數(shù)據(jù)可得，比較圖7與圖8中的橫坐標(biāo)相同組號(hào)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，切換過程中的額外能量損耗與路徑有關(guān)，即保持切換過程中的負(fù)載差ΔF不變，由F1切換到F2的額外能量損耗和由F2切換到F1的額外能量損耗不同，且相差較大。

比較圖7與圖8額外能耗占整個(gè)切換過程中能耗的比例，相同橫坐標(biāo)試驗(yàn)組，圖8的值明顯小于圖7的值，可知F2大小是影響額外能耗占整個(gè)切換過程中能耗的比例最主要的因素。

3 結(jié)論

本文將整個(gè)系統(tǒng)的能量消耗反映在電機(jī)輸入端的電能進(jìn)行研究，得到了不同工況負(fù)載的切換過程中系統(tǒng)的額外能耗的影響因素。結(jié)果表明，在確定的液壓機(jī)系統(tǒng)中，負(fù)載差越大，額外的負(fù)載損耗越大；切換前后負(fù)載越大，額外能量損耗也越大。額外能量損耗占切換過程中的整個(gè)能量消耗的比例主要由切換后的負(fù)載大小決定，其值越大，所占比例越小，負(fù)載差與切換前的負(fù)載越大，額外能量損耗占切換過程中的整個(gè)能量消耗的比例有所增加，但影響較弱，與切換后的負(fù)載大小比較幾乎可以忽略。因此在三個(gè)因素共同作用下，額外的能耗呈現(xiàn)一定的規(guī)律，探究這三者之間對其影響規(guī)律和探究動(dòng)態(tài)切換過程中額外能耗所占切換過程中的比例大小，為研究液壓動(dòng)態(tài)作用時(shí)，是否對動(dòng)態(tài)切換過程采取簡化或者忽略其過程以及對提高動(dòng)態(tài)切換過程的能量量化提供了一個(gè)參考依據(jù)。

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ResearchonEnergyConsumptionCharacteristicsoftheLoadSwitchingProcessintheHydraulicSystem

LIU Zhi-feng，LIU Xiao-peng，QIN Li-min

(School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009,China)

Because of the frequent load switching in hydraulic system,additional energy consumption is easily generated. In order to explore the change rule and influencing factors of extra energy loss during fast switching of dynamic load. A Simulink-AMESim joint simulation model of hydraulic system load switching is established, the energy consumption of the whole system is reflected in the electric energy input of the motor, the influencing factors of the additional energy consumption of the system during the switching process under different load conditions are obtained, in which the load difference on the entire system of the greatest impact of the additional energy consumption, the load after switch is the maximum influence factor for the proportion that additional energy loss accounts for the proportion of total energy consumption during the switching process. The results can provide reference for the energy saving and consumption reduction of the hydraulic system in the environment of frequent load switching.

dynamic load; joint simulation; additional energy consumption

TH137;TG506

A

1001-2265(2017)12-0021-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.12.005

2017-02-09；

2017-02-22

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目：(51135004)；中美合作國家自然科學(xué)基金(51561125002)

劉志峰(1963—)，男，陜西寶雞人，合肥工業(yè)大學(xué)教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)電產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)與制造、先進(jìn)制造技術(shù)，(E-mail) peak.liu@263.net； 通訊作者：劉曉鵬(1991—)，男，江西上饒人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電產(chǎn)品節(jié)能設(shè)計(jì)與制造，(E-mail) xiaopengaddress@163.com。

(編輯李秀敏)