基于蓄能器儲(chǔ)能和綜合調(diào)度叉車勢(shì)能利用系統(tǒng)

束世辰，劉紅軍，路 珍，張青松，葛 磊

(1.北自所(北京)科技發(fā)展有限公司，北京 100120； 2.機(jī)械工業(yè)信息研究院，北京 100037；3.首都師范大學(xué)，北京 100048； 4.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120；5.太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化快速發(fā)展，越來(lái)越多的輸送機(jī)器人應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)貨物的搬運(yùn)和存儲(chǔ)。這些輸送機(jī)器人，目前多以叉車為原型機(jī)進(jìn)行智能化改造，增加激光導(dǎo)航、位置控制以及綜合調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)度和行走控制。

工作中，叉車具有兩種典型工作模式，一種是從工位取貨并移動(dòng)到倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)域，通過液壓缸提升貨物到達(dá)指定貨架高度，進(jìn)入貨架；另一種是從貨架高位將貨物取出，在貨物重力作用下貨物下降，并輸出到取貨位置。這兩種工作模式中，第一種是叉車動(dòng)力轉(zhuǎn)化為貨物的重力勢(shì)能，第二種是貨物的重力勢(shì)能經(jīng)液壓閥消耗掉。由此，叉車系統(tǒng)往復(fù)工作中，貨物的大容量重力勢(shì)能往往被浪費(fèi)掉，導(dǎo)致大量的能源消耗。對(duì)于蓄電池供電的叉車，就意味著續(xù)航能力減少和充電次數(shù)的增加，大大降低電池壽命；對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的叉車，意味著大量的燃油被浪費(fèi)。

為此，研究人員開展了大量關(guān)于叉車節(jié)能技術(shù)的研究。聶波[1]在叉車舉升系統(tǒng)中增設(shè)負(fù)載敏感平衡閥，降低了空載和輕載工況下降過程能量消耗。 RADICA G等[2]研究了燃料電池供能的電動(dòng)叉車系統(tǒng)，為動(dòng)力源節(jié)能提供了基礎(chǔ)。

對(duì)于叉車工作裝置勢(shì)能回收，主要研究工作有液壓回收方式和電能回收方式。

宗亞飛等[3]研究了直接通過蓄能器回收叉車重力勢(shì)能，并通過液壓泵吸油口再利用的方案，系統(tǒng)節(jié)能率約為23.6%；朱建新等[4-5]對(duì)上述方案進(jìn)行了仿真，并研究了蓄能器有效工作容積與節(jié)能效率的關(guān)系，隨后開展了試驗(yàn)分析，證明能量回收效率約為34%；黃春榕等[6]也對(duì)上述方案進(jìn)行了研究，系統(tǒng)節(jié)能效率約為17.1%；YU Y X等[7]仿真研究了這種方案，并采用主泵為蓄能器補(bǔ)油。由于蓄能器壓力非線性引入，直接采用蓄能器回收叉車的重力勢(shì)能要求在工作裝置下降時(shí)采用節(jié)流方式控制，或增大蓄能器壓力使其提供的力大于負(fù)載重力，并引入主動(dòng)力源向有桿腔供油控制下降速度，這就導(dǎo)致速度控制特性相對(duì)較差。李云霞等[8]研究了增設(shè)一套液壓泵/馬達(dá)構(gòu)成液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)，通過泵馬達(dá)將工作裝置重力勢(shì)能存入蓄能器。

武葉等[9]通過在叉車系統(tǒng)中增設(shè)液壓泵/馬達(dá)、電動(dòng)發(fā)電機(jī)和超級(jí)電容回收叉車勢(shì)能；錢宇等[10]也對(duì)上述類似方案進(jìn)行了研究，獲得23.34%的勢(shì)能回收效率；張克軍[11]針對(duì)上述方案，設(shè)計(jì)了電機(jī)轉(zhuǎn)速模糊控制和勢(shì)能回收系統(tǒng)控制策略，仿真結(jié)果表明勢(shì)能回收效率有很大提高，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，增加能量回收系統(tǒng)的電動(dòng)叉車工作時(shí)間可延長(zhǎng)11.6%；黃素德等[12]研究了基于雙液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)的叉車勢(shì)能回收系統(tǒng)，在需求回收功率低時(shí)采用小功率的回收單元，并通過試驗(yàn)證明所提方案的可行性；為了充分降低能量回收系統(tǒng)的復(fù)雜度，MINAV T等[13-14]設(shè)計(jì)電動(dòng)開式容積叉車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用主電動(dòng)機(jī)和液壓泵作為能量回收單元，并研究電動(dòng)機(jī)功率對(duì)能量效率的影響。

綜上所述，采用液壓回收方式，即直接采用蓄能器回收難以控制下降速度，尤其是對(duì)于單臺(tái)叉車而言，該叉車持續(xù)舉升貨物工作或者下放貨物工作，回收的能量將無(wú)處可用，同時(shí)由于蓄能器容積有限，無(wú)法每次都回收勢(shì)能，總體效果有限；采用電能回收方式，同樣也受蓄電池SOC制約，尤其能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)相對(duì)于液壓方式更復(fù)雜，總體效率有限。另外采用電動(dòng)/發(fā)電機(jī)回收叉車重力勢(shì)能，能量回收效率在很大程度上受發(fā)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速限制，轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)回收效率僅為27.87%，而當(dāng)轉(zhuǎn)速1200 r/min時(shí)回收效率可達(dá)79.29%[15]。

為此，本研究設(shè)計(jì)了采用變速容積驅(qū)動(dòng)定量泵馬達(dá)作為主驅(qū)動(dòng)和能量轉(zhuǎn)換單元，將蓄能器接入液壓泵吸油口存儲(chǔ)回收能量；同時(shí)設(shè)計(jì)了基于自動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)協(xié)調(diào)的管理策略，優(yōu)先調(diào)度已儲(chǔ)存能量的叉車承擔(dān)舉升工作，未儲(chǔ)存能量的叉車承擔(dān)下放工作，從而解決叉車回收能量的再利用問題。

1 叉車舉升及勢(shì)能回收系統(tǒng)原理

圖1為所提開式容積叉車舉升及勢(shì)能回收系統(tǒng)原理，包括變轉(zhuǎn)速電機(jī)1、定排量液壓泵2、補(bǔ)油單向閥3、蓄能器控制閥4、蓄能器5、舉升控制閥6、舉升液壓缸7以及調(diào)度控制器。

圖1 開式容積叉車舉升及勢(shì)能回收系統(tǒng)

舉升工作中，電動(dòng)機(jī)接收調(diào)度控制器發(fā)送的指令，正向旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)定排量液壓泵工作，當(dāng)蓄能器控制閥4工作在上位時(shí)，液壓泵從蓄能器中吸油；當(dāng)控制閥4工作在下位時(shí)，液壓泵經(jīng)控制閥和補(bǔ)油單向閥從油箱吸油。液壓泵排出的油液經(jīng)舉升控制閥左位進(jìn)入舉升液壓缸，從而實(shí)現(xiàn)叉車舉升過程，從電動(dòng)機(jī)和蓄能器共同取能，舉升貨物。

下放工作中，可細(xì)分為帶貨物下降、空載下降兩種典型工況。帶貨物下降時(shí)，在貨物重力作用下，舉升液壓缸7無(wú)桿腔內(nèi)高壓油經(jīng)舉升控制閥6左位進(jìn)入液壓泵，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，排出的油液經(jīng)蓄能器控制閥4進(jìn)入蓄能器，實(shí)現(xiàn)貨物重力勢(shì)能的回收；空載下降時(shí)，在貨叉重力作用下，無(wú)桿腔內(nèi)壓力油經(jīng)舉升控制閥6左位進(jìn)入液壓泵，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，排出的油液經(jīng)蓄能器控制閥4下位排入油箱。

所設(shè)計(jì)系統(tǒng)，還可以在舉升系統(tǒng)閑時(shí)為蓄能器充液，保證蓄能器內(nèi)一直存有足夠液壓能，從而保證舉升控制需求。

2 理論分析與參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 理論分析

1) 動(dòng)力源

圖2所示為圖1所示系統(tǒng)的變轉(zhuǎn)速動(dòng)力源原理。

圖2 變轉(zhuǎn)速動(dòng)力源

如圖2所示，電動(dòng)機(jī)正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，液壓泵在電動(dòng)機(jī)和液壓蓄能器共同作用下工作，忽略液壓泵效率，蓄能器供油時(shí)，液壓泵的力矩平衡方程可表示為：

(1)

式中，J為液壓泵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Bm為旋轉(zhuǎn)阻尼。

液壓輸出流量可表示為：

qp=qacc=Dn

(2)

液壓泵穩(wěn)態(tài)輸入輸出功率關(guān)系可表示為：

Pm-p=ppqp-paccqacc

(3)

2) 舉升液壓缸

圖3所示為圖1所示系統(tǒng)舉升液壓缸原理。

圖3 舉升液壓缸

根據(jù)受力平衡，建立液壓缸活塞的力平衡方程如式(4)所示：

(4)

式中，Bc為直線阻尼系數(shù)。

3) 液壓蓄能器

由于功率密度大、回收能量速度快等優(yōu)點(diǎn)，液壓蓄能器被廣泛應(yīng)用于液壓能量的回收中。圖4為圖1系統(tǒng)的液壓蓄能器5的3種狀態(tài)，狀態(tài)1為蓄能器初始狀態(tài)；狀態(tài)2為蓄能器預(yù)充后狀態(tài)，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)舉升結(jié)束階段和下放開始階段；狀態(tài)3為蓄能器存儲(chǔ)液壓能后的狀態(tài)，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)舉升開始階段和下放結(jié)束階段。

圖4 液壓蓄能器

根據(jù)波爾定律，液壓蓄能器的壓力平衡關(guān)系可以表示為：

(5)

(6)

則當(dāng)蓄能器內(nèi)壓力從p1變化為p2、容積從V1變化為V2，液壓蓄能器內(nèi)液壓能量的變化可計(jì)算為：

(7)

蓄能器工作循環(huán)周期短，工作過程可視為絕熱過程，多變指數(shù)可以選擇為k=1.4。

2.2 蓄能器參數(shù)設(shè)計(jì)

本研究所分析叉車額定載重2 t，額定提升速度滿載、空載分別為0.11 m/s，0.34 m/s，舉升液壓缸活塞直徑、活塞桿直徑和行程分別為40 mm，30 mm和 1.5 m。液壓泵排量25 mL/r，電動(dòng)機(jī)額定功率和轉(zhuǎn)速分別為6.0 kW和2000 r/min。

根據(jù)式(3)可知，如果蓄能器壓力與液壓泵輸出壓力一致，那么就不需要電機(jī)輸出功率驅(qū)動(dòng)。根據(jù)前述理論分析和叉車的參數(shù)和式(4)可計(jì)算得舉升額定載荷穩(wěn)態(tài)時(shí)，液壓缸無(wú)桿腔的壓力約為16 MPa。由此可初步確定蓄能器工作壓力為16 MPa，以盡可能減小電機(jī)輸出功率。

液壓缸總行程為1.5 m，根據(jù)計(jì)算，一次完整舉升單個(gè)液壓缸無(wú)桿腔體積變化為1.88 L，2個(gè)液壓缸無(wú)桿腔體積變化約為3.77 L。

為保證蓄能器總體積最小，單位容積儲(chǔ)存能量最大條件下，蓄能器預(yù)充壓力可計(jì)算為：

p0=0.471p2

(8)

按p2=16 MPa計(jì)算，p0約等于7.5 MPa。為保證工作過程中系統(tǒng)壓力變化相對(duì)較小，設(shè)計(jì)p1=0.85p2=13.6 MPa。

根據(jù)式(5)，蓄能器工作在絕熱過程其總?cè)莘e可計(jì)算為：

(9)

根據(jù)舉升液壓缸體積變化量，則蓄能器有效體積可初定為4 L，根據(jù)式(9)可計(jì)算得蓄能器總?cè)莘e為55 L。

3 調(diào)度系統(tǒng)

目前智能輸送機(jī)器人系統(tǒng)，在工廠內(nèi)部已經(jīng)形成了比較完善的智能控制系統(tǒng)。以單臺(tái)叉車存放貨架工作為例，總控單元接收工廠指令，給出轉(zhuǎn)載命令，叉車在導(dǎo)航系統(tǒng)控制下，到達(dá)指定位置，叉取貨物，并送貨到達(dá)貨倉(cāng)貨架區(qū)域，按貨架空置區(qū)域提升貨物到達(dá)指定位置，放貨，下放叉車臂。

上述過程中，叉車的選擇原則是就近原則。根據(jù)引言中分析，叉車舉升貨物作業(yè)和下放貨物作業(yè)，大部分是兩個(gè)獨(dú)立的過程，因此導(dǎo)致下放貨物作業(yè)中大量勢(shì)能浪費(fèi)，采用能量回收方式，也存在容量限制難以滿足回收和再利用需求。為此，本研究提出在叉車的智能調(diào)度系統(tǒng)中，增加蓄能器能量狀態(tài)的調(diào)度參數(shù)，優(yōu)先調(diào)度已經(jīng)回收能量的叉車去完成舉升貨物作業(yè)，未儲(chǔ)存能量的叉車優(yōu)先安排下放貨物作業(yè)。

下面以3臺(tái)叉車的智能輸送系統(tǒng)為例，對(duì)工作流程進(jìn)行簡(jiǎn)介。圖5所示為設(shè)計(jì)的調(diào)度系統(tǒng)基本框架。

圖5 調(diào)度系統(tǒng)

總控系統(tǒng)從以太網(wǎng)上獲取叉車位置點(diǎn)、儲(chǔ)能狀態(tài)以及工廠需求，對(duì)叉車進(jìn)行調(diào)度。如圖5所示，叉車1和2已經(jīng)儲(chǔ)能，則優(yōu)先安排其負(fù)責(zé)提升貨物，叉車3未儲(chǔ)能，則優(yōu)先安排其負(fù)責(zé)下放貨物?？偪叵到y(tǒng)還可以根據(jù)積累的工程運(yùn)行數(shù)據(jù)，按需控制已經(jīng)儲(chǔ)能叉車的數(shù)量。

4 仿真建模與結(jié)果分析

為分析設(shè)計(jì)的能量回收系統(tǒng)運(yùn)行特性，建立叉車舉升系統(tǒng)仿真模型，如圖6所示，仿真系統(tǒng)參數(shù)見表1。

圖6 叉車舉升系統(tǒng)仿真模型

表1 叉車舉升系統(tǒng)仿真模型參數(shù)

設(shè)置舉升裝置貨物重量為1600 kg，由于叉車采用滑輪系統(tǒng)，相當(dāng)于舉升3200 kg貨物，因此設(shè)置仿真系統(tǒng)中貨物質(zhì)量為3200 kg+貨架質(zhì)量200 kg。上升和下降為一個(gè)周期，運(yùn)行距離1.0 m。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，獲得圖7所示設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行特性曲線。

圖7 舉升系統(tǒng)速度和位移

由圖7可知，采用電機(jī)轉(zhuǎn)速可以很好的控制叉車的速度和位移，帶貨物下降時(shí)速度波動(dòng)相對(duì)較大。

圖8為舉升系統(tǒng)各腔壓力和位移曲線。

圖8 舉升系統(tǒng)壓力和位移

由圖8可知，帶貨物下降時(shí)，液壓缸無(wú)桿腔壓力約為12.0 MPa，舉升時(shí)無(wú)桿腔壓力比下降略高，約為14.6 MPa，這種現(xiàn)象主要是門架的摩擦力阻礙貨叉運(yùn)動(dòng)所致。隨著液壓缸回縮，液壓蓄能器內(nèi)油液壓力由初始的13.6 MPa升高為15.8 MPa；隨著液壓缸伸出，壓力又從15.8 MPa降為13.6 MPa，與理論設(shè)計(jì)相符。

圖9所示為新設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行過程中各環(huán)節(jié)能量變化情況。

圖9 舉升系統(tǒng)能量變化與位移

由圖9可知，由于蓄能器初始?jí)毫^高，在帶貨物下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)仍需要輸出能量驅(qū)動(dòng)液壓泵工作，整個(gè)下降過程電機(jī)輸出能量7.77 kJ，貨物的重力勢(shì)能變化為33.47 kJ，液壓蓄能器存儲(chǔ)能量的變化為34.65 kJ，整個(gè)能量傳遞環(huán)節(jié)損失能量約為6.59 kJ，系統(tǒng)效率約為84.0%。這一過程中，電機(jī)和貨物共同作用，將能量存儲(chǔ)到蓄能器中。

舉升過程，由于蓄能器壓力較高，電機(jī)只需要輸出較小能量即可，約為0.76 kJ，蓄能器存儲(chǔ)能量變化為37.81 kJ，貨物重力勢(shì)能變化約為33.11 kJ，整個(gè)能量傳遞環(huán)節(jié)損失能量約為5.46 kJ，系統(tǒng)效率約為85.8%，這一過程中，蓄能器和電機(jī)共同作用驅(qū)動(dòng)液壓泵帶貨物提升。

同時(shí)對(duì)原始系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，一次完整帶載升降電機(jī)輸出能量為37.07 kJ；而采用新設(shè)計(jì)能量回收系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)僅需輸出8.53 kJ的能量，節(jié)能比例高達(dá)76.9%。產(chǎn)生如此高效率的原因主要包括：新的能量回收系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，整個(gè)傳遞環(huán)節(jié)效率較高，回收的能量可以高效再利用；此外，新系統(tǒng)大部分工作時(shí)間液壓泵兩油口的壓力相對(duì)均衡，容積效率相比傳統(tǒng)方式要高。

4 結(jié)論

本研究針對(duì)智能化工廠中常用的叉車進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了叉車重力勢(shì)能高效回收再利用系統(tǒng)，并針對(duì)叉車舉升貨物和下放貨物時(shí)空的不一致，初步給出了結(jié)合調(diào)度系統(tǒng)的回收能量再利用方法，獲得了如下結(jié)論：

(1) 結(jié)合現(xiàn)有叉車調(diào)度系統(tǒng)，給出了叉車能量回收和再利用調(diào)度方法；

(2) 新設(shè)計(jì)的能量回收系統(tǒng)，整個(gè)升降過程能量效率較高，平均系統(tǒng)效率80%以上；

(3) 與傳統(tǒng)無(wú)回收系統(tǒng)相比，節(jié)能比例高達(dá)76.9%。