汽車(chē)起重機(jī)獨(dú)立變轉(zhuǎn)速泵控系統(tǒng)研究*

和進(jìn)軍，張 誠(chéng)，唐琛淇，李 凱，謝 帥，艾 超

（1.三一汽車(chē)起重機(jī)械有限公司，長(zhǎng)沙 410600；2.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

0 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，汽車(chē)起重機(jī)由于具有起重范圍大、適用范圍廣、承載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在基礎(chǔ)設(shè)施及大型民生項(xiàng)目建設(shè)中起到非常重要的作用[1]。隨著汽車(chē)起重機(jī)的發(fā)展，負(fù)載敏感技術(shù)也得到了充分發(fā)展。負(fù)載敏感系統(tǒng)分為閥前補(bǔ)償負(fù)載敏感（LS）系統(tǒng)和閥后補(bǔ)償負(fù)載敏感（LUDV）系統(tǒng)[2]，該系統(tǒng)能夠?qū)⒇?fù)載敏感泵輸入到系統(tǒng)中的壓力流量和負(fù)載運(yùn)行所需要的負(fù)載壓力進(jìn)行匹配，從而降低系統(tǒng)的溢流損失、減小能耗，提高系統(tǒng)效率。LS系統(tǒng)相較于LUDV系統(tǒng)具有更好的調(diào)速性能和節(jié)能效果，被廣泛應(yīng)用到汽車(chē)起重機(jī)等工程機(jī)械領(lǐng)域[3]。

但是在現(xiàn)有的汽車(chē)起重機(jī)的LS系統(tǒng)中，通常采用比例多路閥作為主閥，結(jié)合壓力補(bǔ)償器、平衡閥以及溢流閥等，在伸縮、變幅機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中，由于負(fù)載敏感泵存在一定的壓力裕度，這部分壓力均通過(guò)壓力補(bǔ)償器和主閥節(jié)流損耗掉，使得系統(tǒng)的能量利用效率有待進(jìn)一步提高[4]。

為了解決起重機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中存在的能源浪費(fèi)嚴(yán)重的問(wèn)題，許多學(xué)者展開(kāi)了相應(yīng)的節(jié)能研究。太原理工大學(xué)葉彥鵬等[5-6]針對(duì)起重機(jī)在空載和輕載情況下存在能量損耗大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款新型負(fù)載敏感的平衡閥，并利用AMESim軟件進(jìn)行仿真研究，分析表明新系統(tǒng)在空載時(shí)能量損失可減少94.7%。大連理工大學(xué)李颯等[7]設(shè)計(jì)一種可應(yīng)用于起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的閉式能量可再生液壓系統(tǒng)，并在AMESim仿真中對(duì)起重機(jī)一個(gè)運(yùn)行工況進(jìn)行分析，分析表明新系統(tǒng)的節(jié)能效率可達(dá)到原系統(tǒng)的43.3%。太原科技大學(xué)李子慧[8]對(duì)起升機(jī)構(gòu)產(chǎn)生能耗的原因進(jìn)行分析，提出重力勢(shì)能回收的進(jìn)出口獨(dú)立控制液壓系統(tǒng)，對(duì)比分析了兩個(gè)液壓系統(tǒng)在全速工作時(shí)的能量損耗，分析表明新系統(tǒng)能夠回收98.22%的重力勢(shì)能，減低系統(tǒng)能耗33.33%。南通理工學(xué)院顧燕[9]針對(duì)起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)能耗大能量利用率低等問(wèn)題，采用多個(gè)比例閥對(duì)變幅機(jī)構(gòu)液壓缸進(jìn)行獨(dú)立控制，并分析其運(yùn)行及能耗特性，分析表明新系統(tǒng)既能達(dá)到原系統(tǒng)的運(yùn)行特性也能降低系統(tǒng)能耗14.8%。四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院王剛[10]針對(duì)LUDV系統(tǒng)存在的大量節(jié)流損耗，提出一種以串聯(lián)液阻分壓降低補(bǔ)償閥壓差的節(jié)能液壓系統(tǒng)，并利用AMESim仿真軟件進(jìn)行建模分析，分析表明在相同工況下可降低壓力補(bǔ)償閥的能量損耗。

針對(duì)汽車(chē)起重機(jī)傳統(tǒng)LS系統(tǒng)存在的能量損耗大的問(wèn)題，基于變幅伸縮機(jī)構(gòu)單獨(dú)動(dòng)作和復(fù)合動(dòng)作時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性，提出采用起重機(jī)獨(dú)立變轉(zhuǎn)速泵控方案，建立系統(tǒng)能量損耗模型并進(jìn)行能耗分析，利用AMESim仿真軟件對(duì)LS系統(tǒng)和獨(dú)立變轉(zhuǎn)速泵控系統(tǒng)進(jìn)行建模，通過(guò)仿真對(duì)比驗(yàn)證了獨(dú)立變轉(zhuǎn)速泵控系統(tǒng)的節(jié)能特性，進(jìn)一步提高了起重機(jī)的能源利用率。

1 LS系統(tǒng)

1.1 原理介紹

汽車(chē)起重機(jī)最主要的作用是對(duì)重物進(jìn)行舉升或下降，伸縮機(jī)構(gòu)的作用是對(duì)主臂進(jìn)行伸縮，變幅機(jī)構(gòu)的作用是對(duì)主臂進(jìn)行舉升和下放。汽車(chē)起重機(jī)LS系統(tǒng)主要由負(fù)載敏感泵、閥前壓力補(bǔ)償器、液控比例主閥及伸縮變幅缸組成，其具體原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。由圖可知，起重機(jī)變幅和伸縮機(jī)構(gòu)的液壓原理相同，因此本文以伸縮機(jī)構(gòu)為例簡(jiǎn)述LS系統(tǒng)的動(dòng)作原理。當(dāng)伸縮缸伸出時(shí)，負(fù)載敏感泵輸出系統(tǒng)所需油液，經(jīng)過(guò)閥前壓力補(bǔ)償器進(jìn)入伸縮機(jī)構(gòu)液控主閥，此時(shí)液控主閥工作在左位，油液經(jīng)過(guò)主閥進(jìn)入到伸縮缸的無(wú)桿腔，從而推動(dòng)伸縮缸伸出實(shí)現(xiàn)對(duì)重物的舉升。伸縮缸的速度通過(guò)改變液控主閥的閥芯開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)。伸縮缸縮回時(shí)，液控主閥工作在右位，液壓油進(jìn)入到伸縮缸的有桿腔，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)重物的下放。梭閥的作用是將伸縮變幅機(jī)構(gòu)最大的負(fù)載壓力引入到負(fù)載敏感泵的控制口，進(jìn)而調(diào)節(jié)泵的排量，實(shí)現(xiàn)泵輸出流量與負(fù)載所需流量的匹配。

1.2 能量損耗分析

在伸縮變幅機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)，負(fù)載敏感泵為保證系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，會(huì)有一定的預(yù)設(shè)壓力裕度，這部分壓力裕度損失在閥前壓力補(bǔ)償器和液控主閥上，使該部分能量轉(zhuǎn)化成熱能，從而造成伸縮變幅機(jī)構(gòu)能量的大量損失。

（1）單獨(dú)動(dòng)作能耗分析

以變幅機(jī)構(gòu)單獨(dú)動(dòng)作為例對(duì)系統(tǒng)能耗進(jìn)行分析，由節(jié)流原理可知，圖1中變幅回路中的流量以及壓力補(bǔ)償器的彈簧力分別為：

式中：Q1為變幅回路流量，m3/s；F1為變幅壓力補(bǔ)償器彈簧力，N；Cd為流量系數(shù)；A11為變幅主閥通流面積，m2；A12為變幅壓力補(bǔ)償器閥芯作用面積，m2；p1為變幅主閥閥前壓力，Pa；pL1為變幅機(jī)構(gòu)負(fù)載壓力，Pa；ρ為液壓油液密度，kg/m3。

由變幅回路流經(jīng)的流量以及前后壓差可得，變幅回路產(chǎn)生的能量損耗為：

式中：Pb1為變幅回路損耗的功率，W；pp1為負(fù)載敏感泵輸出的壓力，Pa。

同理可得伸縮機(jī)構(gòu)單獨(dú)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的能量損耗為：

式中：Ps1為伸縮回路損耗的功率，W；Q2為伸縮回路流量，m3/s；F2為伸縮壓力補(bǔ)償器彈簧力，N；A21為伸縮主閥通流面積，m2；A22為伸縮壓力補(bǔ)償器閥芯作用面積，m2；pL2為伸縮機(jī)構(gòu)負(fù)載壓力，Pa。

（2）復(fù)合動(dòng)作能耗分析

變幅伸縮機(jī)構(gòu)復(fù)合動(dòng)作時(shí)，所消耗的能量由兩個(gè)機(jī)構(gòu)單獨(dú)消耗的能量之和，因此LS系統(tǒng)復(fù)合動(dòng)作消耗的能量為：

式中：P1為L(zhǎng)S系統(tǒng)變幅伸縮回路損耗的總功率，W。

2 獨(dú)立變轉(zhuǎn)速泵控系統(tǒng)

2.1 原理介紹

針對(duì)LS系統(tǒng)中存在的能量損耗大等問(wèn)題，提出采用獨(dú)立變轉(zhuǎn)速泵控液壓系統(tǒng)，其液壓原理如圖2所示。由圖可知，系統(tǒng)將變幅伸縮手柄的開(kāi)度信號(hào)反饋到控制器中，控制器將其轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速信號(hào)并控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)定量泵輸出壓力流量實(shí)現(xiàn)變幅伸縮機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

圖2 獨(dú)立變轉(zhuǎn)速泵控液壓系統(tǒng)Fig.2 Independent variable speed pump controlled hydraulic system

在變幅伸縮機(jī)構(gòu)單獨(dú)動(dòng)作時(shí)，以變幅機(jī)構(gòu)為例簡(jiǎn)述獨(dú)立變轉(zhuǎn)速泵控液壓系統(tǒng)的工作原理。在變幅機(jī)構(gòu)單獨(dú)動(dòng)作時(shí)分為兩種工作模式，第一種變幅油缸快速運(yùn)動(dòng)到達(dá)所需位置，換向閥3失電，變幅機(jī)構(gòu)所需流量由定量泵1.1和1.2共同提供。當(dāng)變幅機(jī)構(gòu)需要小流量對(duì)變幅缸進(jìn)行微調(diào)時(shí)，換向閥3得電，變幅機(jī)構(gòu)所需的流量由變幅回路的定量泵1.1單獨(dú)供應(yīng)。在變幅伸縮機(jī)構(gòu)復(fù)合動(dòng)作時(shí)，閥3的電磁鐵處于得電狀態(tài)，變幅伸縮機(jī)構(gòu)所需的流量由各自回路的液壓泵提供，實(shí)現(xiàn)變幅伸縮機(jī)構(gòu)的單獨(dú)控制。

該系統(tǒng)用兩個(gè)功率較小的液壓泵替代原系統(tǒng)功率較大的負(fù)載敏感泵，既能在單獨(dú)動(dòng)作時(shí)滿足大流量需求以及微動(dòng)特性，也能在復(fù)合動(dòng)作時(shí)對(duì)變幅伸縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)控制，節(jié)能效果好。

2.2 能量損耗分析

獨(dú)立變轉(zhuǎn)速泵控系統(tǒng)取消了LS系統(tǒng)的閥前壓力補(bǔ)償器，使用液控?fù)Q向閥替換了液控比例主閥，使用兩個(gè)功率較小的定量泵替換了負(fù)載敏感泵，從而減小了系統(tǒng)中的節(jié)流損失，從而達(dá)到節(jié)能的效果。

（1）單獨(dú)動(dòng)作能耗分析

以變幅機(jī)構(gòu)為例對(duì)獨(dú)立變轉(zhuǎn)速泵控液壓系統(tǒng)能量損耗進(jìn)行分析，當(dāng)變幅機(jī)構(gòu)所需流量較大時(shí)，由泵1.1和1.2同時(shí)提供，因此流經(jīng)閥3以及閥4.1的流量分別為：

式中：Q3為流經(jīng)閥3的流量，m3/s；Q4為流經(jīng)閥4.1的流量，m3/s；A3為閥3通流面積，m2；A4為換向閥4.1通流面積，m2；pp3為泵1.2出口壓力，Pa；pp2為泵1.1出口壓力，Pa。

由變幅機(jī)構(gòu)中流經(jīng)的流量以及前后壓差可得，變幅機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的能量損耗為：

式中：Pb2為伸縮回路損耗的功率，W。

同理可得伸縮機(jī)構(gòu)單獨(dú)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的能量損耗為：

式中：Ps2為伸縮回路損耗的功率，W；A5為換向閥4.2通流面積，m2。

（2）復(fù)合動(dòng)作能耗分析

在復(fù)合動(dòng)作過(guò)程中，閥3處于得電狀態(tài)，變幅伸縮回路各自所需的流量由該回路的液壓泵進(jìn)行提供，所消耗的功率為變幅主閥和伸縮主閥所消耗的能量之和，因此變幅伸縮機(jī)構(gòu)在復(fù)合動(dòng)作過(guò)程中所消耗的能量為：

式中：P2為獨(dú)立變轉(zhuǎn)速泵控系統(tǒng)變幅伸縮回路損耗的總功率，W。

3 AMESim仿真研究

3.1 AMESim仿真模型

起重機(jī)變幅伸縮機(jī)構(gòu)LS系統(tǒng)AMESim模型如圖3所示。

圖3 LS系統(tǒng)仿真模型Fig.3 LS system simulation model

起重機(jī)變幅伸縮機(jī)構(gòu)獨(dú)立變轉(zhuǎn)速泵控系統(tǒng)AMESim仿真模型如圖4所示。

圖4 獨(dú)立變轉(zhuǎn)速泵控系統(tǒng)仿真模型Fig.4 Simulation model of independent variable speed pump control system

LS系統(tǒng)及獨(dú)立變轉(zhuǎn)速泵控系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)表Tab.1 Simulation parameter table

3.2 單獨(dú)動(dòng)作能耗仿真分析

獨(dú)立變轉(zhuǎn)速泵控系統(tǒng)單獨(dú)動(dòng)作時(shí)以變幅機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，采用雙泵對(duì)變幅機(jī)構(gòu)提供流量和壓力。設(shè)置在0～5 s內(nèi)變幅機(jī)構(gòu)負(fù)載壓力由0～20 MPa勻速增加，分別檢測(cè)LS系統(tǒng)泵出口壓力變化以及變幅主閥閥前壓力變化，仿真曲線圖如圖5所示。由圖可知，3條壓力變化曲線幾乎平行，液壓泵的出口壓力始終比負(fù)載壓力大2.5 MPa，這是應(yīng)為負(fù)載敏感泵的壓力裕度調(diào)定值為2.5 MPa，由于壓力補(bǔ)償器的作用是通過(guò)設(shè)置彈簧預(yù)緊力保證主閥前后壓差恒定，所以主閥前壓力與負(fù)載壓力保持恒定值1.6 MPa不變。多余的0.9 MPa均通過(guò)壓力補(bǔ)償器節(jié)流損耗掉。

圖5 系統(tǒng)壓力變化仿真曲線Fig.5 Simulation curve of system pressure change

由上述分析可知，LS系統(tǒng)中在閥前壓力補(bǔ)償器以及液控主閥存在較大的壓力損失，從而造成了較大的功率損失，在研究系統(tǒng)功率損耗時(shí)，變幅機(jī)構(gòu)的流量在仿真時(shí)間0～5 s內(nèi)從0 L/min增加到200 L/min，分別對(duì)LS系統(tǒng)和獨(dú)立變轉(zhuǎn)速泵控系統(tǒng)進(jìn)行功率損失仿真，結(jié)果如圖6所示。由圖可知，獨(dú)立變轉(zhuǎn)速泵控系統(tǒng)的功率損失較小，LS系統(tǒng)的功率損失較大，在仿真進(jìn)行到2.5 s即系統(tǒng)中的流量為100 L/min時(shí)，LS系統(tǒng)的功率損耗為4.17 kW，獨(dú)立變轉(zhuǎn)速泵控系統(tǒng)的功率損失為0.18 kW，能量損耗減小95.7%。在仿真進(jìn)行到5 s即系統(tǒng)中的流量為200 L/min時(shí)，LS系統(tǒng)的功率損失為8.33 kW，獨(dú)立變轉(zhuǎn)速泵控系統(tǒng)的功率損失為1.28 kW，能量損耗減小84.6%，證明了獨(dú)立變轉(zhuǎn)速泵控系統(tǒng)在變幅伸縮機(jī)構(gòu)單獨(dú)動(dòng)作時(shí)，具有較好的節(jié)能效果。

圖6 單獨(dú)動(dòng)作能耗仿真Fig.6 Single action energy consumption simulation diagram

3.3 復(fù)合動(dòng)作能耗仿真分析

LS系統(tǒng)中，在變幅伸縮機(jī)構(gòu)復(fù)合動(dòng)作時(shí)，設(shè)置仿真時(shí)間為5 s，伸縮機(jī)構(gòu)負(fù)載壓力從0 MPa勻速上升到15 MPa，變幅機(jī)構(gòu)負(fù)載壓力從0 MPa勻速上升到20 MPa，研究泵出口壓力變化，仿真圖如圖7所示。由圖可知，LS系統(tǒng)負(fù)載敏感泵輸出的壓力與系統(tǒng)最大負(fù)載壓力有關(guān)，并且泵輸出的壓力始終比最大負(fù)載壓力大2.5 MPa，而泵口壓力與較小負(fù)載壓力的差值越來(lái)越大，功率損耗也就越來(lái)越大，即變幅伸縮機(jī)構(gòu)負(fù)載壓力差值越大，負(fù)載敏感系統(tǒng)的能耗也就越大。

圖7 泵出口壓力隨負(fù)載壓力變化曲線Fig.7 Pump outlet pressure with load pressure curve

在變幅伸縮機(jī)構(gòu)復(fù)合動(dòng)作過(guò)程中，系統(tǒng)的功率損耗包括變幅回路和伸縮回路總消耗的功率。設(shè)置復(fù)合動(dòng)作的仿真時(shí)間為5 s，伸縮變幅機(jī)構(gòu)回路中的流量均為100 L/min，總流量為200 L/min，分別對(duì)LS系統(tǒng)和獨(dú)立變轉(zhuǎn)速泵控系統(tǒng)進(jìn)行功率損失仿真，結(jié)果如圖8所示。由圖可知，變幅伸縮機(jī)構(gòu)的流量均逐漸增加至100 L/min，由于LS系統(tǒng)存在較多的節(jié)流損失，在仿真時(shí)間為2.5 s即伸縮變幅機(jī)構(gòu)各自的流量為50 L/min時(shí)，LS系統(tǒng)能量損耗為6.25 kW，獨(dú)立變轉(zhuǎn)速泵控系統(tǒng)的能量損耗為0.05 kW，能量損耗減小99.2%。在仿真時(shí)間為5 s即伸縮變幅機(jī)構(gòu)各自的流量為100 L/min時(shí)，LS系統(tǒng)能量損耗為16.67 kW，獨(dú)立變轉(zhuǎn)速泵控系統(tǒng)的能量損耗為0.3 kW，能量損耗減小98.2%，證明了獨(dú)立變轉(zhuǎn)速泵控系統(tǒng)在變幅伸縮機(jī)構(gòu)復(fù)合動(dòng)作過(guò)程中，具有良好的節(jié)能效果。

圖8 復(fù)合動(dòng)作能耗仿真Fig.8 Composite action energy consumption simulation diagram

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)汽車(chē)起重機(jī)變幅伸縮機(jī)構(gòu)，采用獨(dú)立變轉(zhuǎn)速泵控方案，并對(duì)單獨(dú)動(dòng)作和復(fù)合動(dòng)作分別設(shè)計(jì)了相對(duì)應(yīng)的控制模式，以解決傳統(tǒng)LS系統(tǒng)存在能耗大的問(wèn)題。仿真結(jié)果表明：采用獨(dú)立變轉(zhuǎn)速泵控系統(tǒng)能夠在變幅伸縮機(jī)構(gòu)單獨(dú)和復(fù)合動(dòng)作時(shí)降低系統(tǒng)中的節(jié)流損耗，單獨(dú)動(dòng)作時(shí)能耗降低84%以上，復(fù)合動(dòng)作時(shí)能耗降低98%以上，提高了系統(tǒng)的能源利用率。研究結(jié)果可為汽車(chē)起重機(jī)高效運(yùn)行提供設(shè)計(jì)參考。