叉車(chē)電液升降驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及循環(huán)效率分析

于平 張倩

摘要：提出了一種具有勢(shì)能回收特性的叉車(chē)升降電液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，利用Matlab/Simulink軟件對(duì)叉車(chē)升降電液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的提升階段、下降階段及整個(gè)工作循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行建模及動(dòng)態(tài)特性仿真研究，并分析不同負(fù)載時(shí)叉車(chē)升降電液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的循環(huán)效率。

關(guān)鍵詞：電液叉車(chē);升降系統(tǒng);Simulink模型;能效回收

叉車(chē)作為倉(cāng)庫(kù)車(chē)間、港口作業(yè)、配送中心等場(chǎng)合主要的短途運(yùn)輸工具，其舉升機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)貨物運(yùn)輸、擺放及裝卸等，又因操作簡(jiǎn)單方便、噪聲小及故障率低等特點(diǎn)在各類工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)[1]。針對(duì)舉升機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)專家學(xué)者們展開(kāi)了研究。王連志等[2]針對(duì)寬體自卸車(chē)的舉升系統(tǒng)，采用MATLAB/Simulink和AMESim軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真研究，分析舉升角度、壓力等參數(shù)對(duì)舉升過(guò)程的影響。仲崇峰[3]通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的機(jī)械式搬運(yùn)器舉升機(jī)構(gòu)的研究，詳細(xì)闡述了其舉升機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及性能。段馨蕊[4]通過(guò)對(duì)專用車(chē)舉升機(jī)構(gòu)的舉升力、干涉角等參數(shù)進(jìn)行仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，為舉升機(jī)構(gòu)主要部位的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供參考。張義壯等[5]對(duì)電動(dòng)叉車(chē)舉升機(jī)構(gòu)的貨叉、門(mén)架及叉架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了最大應(yīng)力值及變形量計(jì)算，完成了剛度和強(qiáng)度的理論校核。

貨叉升降機(jī)構(gòu)幾乎都是高功率且每天連續(xù)工作，貨叉升降工況是叉車(chē)工作循環(huán)中必不可缺的環(huán)節(jié)，無(wú)論帶載或空載，貨叉升降的安全性和操控性能非常重要，特別是速度的控制。目前，市場(chǎng)上普遍的燃油叉車(chē)絕大部分依然使用傳統(tǒng)的閥控方式來(lái)控制貨叉速度，但閥控方式存在很多問(wèn)題。因此，提出了一種具有升降勢(shì)能回收特性的叉車(chē)電液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用具有體積小、功率大、過(guò)載能力強(qiáng)、效率高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)的永磁同步電機(jī)和雙向液壓泵/馬達(dá)作為能量轉(zhuǎn)換裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)叉車(chē)中的伺服閥驅(qū)動(dòng)控制，并建立了叉車(chē)整個(gè)工作循環(huán)的綜合仿真模型，研究其系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

1?工作原理

圖1所示為叉車(chē)電液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖，主要由油箱、永磁同步電動(dòng)機(jī)、液壓泵/馬達(dá)、卸壓閥、換向閥、液壓缸、電機(jī)控制器、蓄電池等元件組成。在提升過(guò)程中，作為液壓泵元件，液壓泵轉(zhuǎn)速直接由電機(jī)控制，液壓泵旋轉(zhuǎn)將油箱中的油輸送到液壓提升回路;下降過(guò)程中，作為液壓馬達(dá)元件，外界負(fù)載所有的重力勢(shì)能通過(guò)換向閥和液壓馬達(dá)，帶動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)而發(fā)電，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)經(jīng)過(guò)整流濾波轉(zhuǎn)化為直流電，儲(chǔ)存在蓄電池中，實(shí)現(xiàn)能量回收。叉車(chē)升降電液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用勢(shì)能回收特性后，升降工作模式具有傳統(tǒng)的節(jié)流控制模式和液壓馬達(dá)的發(fā)電機(jī)控制模式。系統(tǒng)中換向閥的作用是使負(fù)載保持靜止?fàn)顟B(tài)，防止叉車(chē)臂意外運(yùn)動(dòng)，并將油引導(dǎo)至正確的方向。

2?數(shù)學(xué)模型

叉車(chē)電液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一種混合循環(huán)系統(tǒng)，為了得到升降過(guò)程中液壓泵/馬達(dá)的速度、轉(zhuǎn)矩，液壓缸的壓力、位置，建立液壓缸和液壓泵/馬達(dá)的數(shù)學(xué)模型。

2.1?液壓缸模型

基于動(dòng)態(tài)壓力方程和活塞運(yùn)動(dòng)方程，建立液壓缸的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)流量連續(xù)性方程可得：

式中，體積模量Be=1.4×109Pa;ps為系統(tǒng)壓力，Pa;V為液壓缸容積，m3;Qin為輸入流量，m3/s。

式中，V0為液壓缸初始體積，m3;Sp為活塞橫截面積，m2;xp為活塞位移，m。

活塞的運(yùn)動(dòng)方程由牛頓第二定律推導(dǎo)可得：

式中，m為總質(zhì)量，kg;mL為有效負(fù)載質(zhì)量，kg;mp為活塞質(zhì)量，kg;Ff為摩擦力，N;FL為負(fù)載產(chǎn)生的力，N;ap為活塞加速度，m/s2。

2.2?液壓泵/馬達(dá)模型

液壓泵的流量方程如下：

式中，Q為液壓泵輸出流量，m3/s;ω為旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s;Vt為液壓泵理論體積排量，m3/rev;ηv為容積效率，等于0.95。

液壓泵的力矩平衡方程：

式中，Jp為液壓泵的總等效慣量，kg·m2;Tm為驅(qū)動(dòng)扭矩，N·m;Tp為壓縮流體所需的理論扭矩，N·m;Tf為摩擦扭矩，N·m。

壓縮流體的理論扭矩如下：

式中，pr為油箱回油壓力，pa。

3?建立Matlab/Simulink仿真模型及結(jié)果分析

仿真設(shè)置永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）驅(qū)動(dòng)功率為10kW，外負(fù)載為920kg。

3.1?提升運(yùn)動(dòng)模型

基于每個(gè)組件的建模，建立了一個(gè)用于提升運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，如圖2所示。

在提升過(guò)程中，分別給定一個(gè)減速、勻速和加速周期信號(hào)，PMSM模塊根據(jù)設(shè)置信號(hào)運(yùn)行。液壓泵和電動(dòng)機(jī)之間通過(guò)機(jī)械聯(lián)軸器傳遞扭矩。液壓泵將一定量的油輸送到液壓缸，使貨叉和外負(fù)載以設(shè)置速度移動(dòng)，從而模擬了提升過(guò)程中負(fù)載的運(yùn)動(dòng)。

3.2?下降運(yùn)動(dòng)模型

圖3顯示了負(fù)載下降過(guò)程中的仿真模型。

模擬負(fù)載下降運(yùn)動(dòng)仿真主要從液壓缸無(wú)桿腔壓力的波動(dòng)和貨叉下降速度的平穩(wěn)性進(jìn)行分析，從而了解下降階段系統(tǒng)的操控性能，采用永磁同步電機(jī)和變頻器確保了負(fù)載下降的速度與設(shè)置速度一致。

3.3?升降運(yùn)動(dòng)組合模型

上面的兩個(gè)模型可以組合起來(lái)構(gòu)成一個(gè)完整周期的升降系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模型。圖4顯示了升降運(yùn)動(dòng)循環(huán)周期的模型。

3.4?結(jié)果分析

圖5為液壓泵/馬達(dá)轉(zhuǎn)速、扭矩和液壓缸壓力、位置的動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果。

由圖5可知，在0～8.5s液壓缸活塞處于舉升階段，液壓泵供油驅(qū)動(dòng)液壓缸活塞上升至3.46m，初始階段由于閥芯由閉合到開(kāi)啟，液壓缸無(wú)桿腔壓力產(chǎn)生一定波動(dòng);在8.5～17s液壓缸活塞處于下降階段，通過(guò)控制液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)進(jìn)而控制液壓缸活塞下降至0.48m;在閥芯開(kāi)啟瞬間，液壓缸無(wú)桿腔壓力發(fā)生微小范圍降低及波動(dòng)。

綜上所述，通過(guò)液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)控制負(fù)載下降速度的方式，負(fù)載下降速度和無(wú)桿腔壓力存在較小波動(dòng)，但波動(dòng)幅值小，對(duì)系統(tǒng)的操控性能基本沒(méi)有影響。

3.5?總循環(huán)效率分析

ηcycle為總循環(huán)效率;ηup為提升效率;ηsc為蓄電池放電效率;ηinv為控制器轉(zhuǎn)換效率;ηdown為下降效率。

負(fù)載為0kg時(shí)，循環(huán)效率最小為16%。負(fù)載為920kg時(shí)，循環(huán)效率最大為46%。

4結(jié)論

提出了一種具有勢(shì)能回收特性的叉車(chē)電液升降驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，搭建了叉車(chē)提升、下降和整個(gè)系統(tǒng)的Matlab/Simulink仿真模型，研究了該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及循環(huán)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]聶波，張進(jìn).電液提升裝置能量回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2019，?17（05）：455-460.

[2]王連志，趙北，劉龍，等.基于AMESim和MATLAB/Simulink聯(lián)合的舉升系統(tǒng)仿真分析[J].工程機(jī)械，2021，52（03）：73-77+10.

[3]仲崇峰.機(jī)械式停車(chē)設(shè)備搬運(yùn)器舉升機(jī)構(gòu)研究[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2021（02）：33-36.

[4]段馨蕊.專用車(chē)舉升機(jī)構(gòu)的仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].科技風(fēng)，2011（16）：90.

[5]張義壯，馮川.電動(dòng)叉車(chē)舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2020，33（03）：48-51.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51875151）

作者簡(jiǎn)介：于平（1970—??），男，本科，高工，九局機(jī)械設(shè)備專家，畢業(yè)于上海鐵道學(xué)院，中鐵九局六公司。

系統(tǒng)的總循環(huán)效率計(jì)算如下所示：