液压系统功率匹配与节能技术的研究.pdf

第 3期 总第 1 6 0期 2 0 1 0年 6月 机械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG AUTOM AT1 0N No．3 J u n． 文章 编号 1 6 7 2 6 4 J 3 2 O L O 0 3 0 1 6 7 - 0 2 液压系统功率匹配与节能技术 的研 究 游 明琳 ，吴 永 闯 1 ．贵 州师范大学 ，贵州 贵 阳 5 5 0 0 1 4 ；2 ．贵州大学 ，贵州 贵 阳 5 5 0 0 0 3 摘要 功率不 匹配是造 成液 压系统效率低 的主要原 因。 提 出了在 负载 自适应条件下实现发 动机 功率与负载 匹配 的控制方法，揭示 了液压 系统 节能的一种方法。 关键词 全 局功率匹配 ；负载 自适 应；节能技术 中图分类号 T P 2 7 1 ． 3 1 文献标识码 B 0 引言 对于液压动力 固定设备 ，过去节能都是从液压系 统本身的角度来考虑，努力减小液压系统 自身的功率 损耗 ， 包括 液压 元件 的功 率 消耗 和 回路 的功率 损 失 。 主 要从以下两方面入手 一方面是减小液压元件功率消 耗， 进一步提高元件的功率效率 ， 但是其空间相当小 ， 并且 提高元 件的功率效 率对整机效率的贡献也不显 著；另一方面是设计合理 的液压 回路 ，尽量减小 回路 的压力损失和流量损失 ，提高整机的功率效率。 传 统 液 压 系统 的设 计 主要 考 虑 系 统 的 工作 能 力 、 可靠 性及 成本 ，不 注意 系统 的效 率 。系 统 的效率 大 多 在 5 0 左 右 ，造成 能量 损耗 过 大 ，因此其 节 能 的潜力 很大 。而 造成 液压 系统效 率 低 的根本 原 因是 功率 不 匹 配 ， 即系 统 的输 出压力 P 、 输 出流 量 Q 与执 行元 件所 需 的压 力 P 、 流 量 Q 不 匹 配 。 当流 量不 匹 配 ， 即Qs Q 时 ， 则产 生溢 流 损失 ； 当压力 不 匹配 ， 即 户 时 ， 则产生压力损失 。因此要提高液压系统的效率 ，必须 使 系统 的输 入功 率 与执行 元 件 的输 出功 率相 匹配 ，其 功率 匹配程 度愈 高 ，系统 效 率愈 高 。 1 功 率 匹配原 理 功率匹配是把电机及整个动力传动链包括在 内来 考 虑 局 限于液 压 系 统 的液 压 节 能 回路 没 有 把 电 机 的 效 率特 性包 括进 去 ， 使得 电机提 供 的功 率和 负载 所需 要 的功 率 匹配 。这种 从 系统 的角 度 和全局 的观点 来考 虑液压动力设备的节能问题 ，就是使液压动力设备的 全局负载敏感和全局功率 匹配，从而减小溢流损失和 压力损失，提高液压传动系统 的整体效率 ，并可减少 系统噪声、温升及其对液压系统造成的不 良影响。 发动机与液压系统组成部分的简化模型及能量转 换 过程 见 图 1 。 图 1发 动 机 与 液 压 系统 组成 部 分 的 简 化 模 型 由图 1可见 ，发 动机 与 泵是 直接 相 连的 ，当不 考 虑 机械 传 动效率 时 ， 发动 机 的输 出功 率 尸 与 泵 的吸收 功 率 P 相 等 ， 系统 无 功率 损失 。当工 作 时负 载变化 较 大 ，泵的出口压力又取决于负载，因此 ，如果在工作 时对发动机一泵系统不进行控制 ，就会使发动机的转 速 下降 ，或 者会 出现泵 不能 完全 吸 收发 动机 的输 出功 率 ，造成功率损失。当负载变化 即泵的出口压力发生 变 化时 ，实 时调 整泵 的排量 ，使 泵 始终 跟踪 发动 机 的 输 出扭 矩 ，就可 实 现发 动机 与 泵 的功率 匹配 。 2负 载与 变量 泵功 率 匹配 液 压控 制 回路 中 ，主要 有 溢流 损失 和节 流损 失两 种 形式 。由泵输 出的工 作介 质 经液 压控 制 回路驱 动工 作装置时必然存在能头的损失 ，因此减少能头损失就 可 减少 功率 损失 。根据 执行 机 构所 需 流量实 时 调整变 量 泵 的排量 ， 使 泵 的排量 与 工作 装 置所需 流 量相 匹配 ， 减少节流损失 ，当然可减少功率损失 ，但这样将与控 制 发动 机 一泵 的功 率 匹配 时所 调定 的 泵 的排 量 发生 矛 盾 ，故难以实现 。由图 1可见 ，液压油是流经多路控 制阀进入执行机构的。 多路 阀阀 口流量特性可表示为 Q ， 一K A 。 收稿 E 1 期 2 0 0 9 0 9 2 7 ；修回 E l 期 2 0 0 9 一 l 2 1 8 作者简介 游明琳 1 9 7 9 一 ， 男 ， 江 西清江人 ， 讲师 ， 硕士 ， 主要从事液压 、 摩擦材料 改性等方 面的研究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 8 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 0年第 3 期 其中 K 为与节流孔 口几何形状及液体性质相关的系 数， 在选定多路阀及液体时 为常数 ， 所以，只要保 证多路阀阀口前后压差 A p不变，则流经阀 口的流量 Q 与阀口开度 A 成正 比关系。 如图 2 所示， 在多路阀 进 出油 口处连接 一个 差压 式减压 阀 ，起 到压 力补偿 作 用 ，即可保证多路 阀阀 口前后压差 A p在工作过程 中 始终为一定值 。 图 2 多路 阀液 压 回路 简 图 工作时，实时检测出当前工况下泵的输出压力并 输入计算机 ，求得泵的流量 ，同时将电操作手柄的电 位信号输入计算机 ，计算 出当前电位信号下阀口开度 及流量 。比较泵的流量与过阀流量的大小 ，选择加大 或减小 电位输入信号 ，并输出控制信号控制阀口开度 与泵出口流量相适应。通过改变执行机构的速度来调 节负载吸收的功率 ，使负载吸收功率始终接近泵的输 出功率。 3 发 动机一 泵 的 匹配 控制 目前在控制系统中转速感应控制已经得到了成功 的应用，因此发动机一泵的匹配仍然采用转速感应控 制来实现 。 在对误差信号的控制算法上， 由于传统 P I D 控制算法中其控制参数是固定的，在大滞后、大时变 的非 线性 系统 中不能 得到预 想 中的控制 效果 。 因此 ， 采 用了单神经元 P I D控制算法 ， 实现了控制参数 的自适 应调节，提高了控制系统的响应速度。图 3为其转速 感应控制框 图。 图 3 转速感应控制框图 图 3中，期望输 出转速为n 。 f ， 发动机 的输出转 速为 ， 形成偏差控制信号 ￡ 一， z 。 f --n f ， 通过 构建的微机控制器输出电压信号 ￡ ， 控制液压泵排 量的比例阀， 改变液压泵的排量q ￡ ，使变量泵吸收 扭 矩始 终追 踪发 动机输 出扭矩 ， 稳定发 动机 的转 速 ， 从 而达到了节能减耗的 目的。 4阀一 负载 的 匹配调 节 通过对发动机一泵的功率匹配控制 ，可以使泵将 发动机输出的功率几乎全部转化为液压能。系统压力 是随负载而变化的，因此可通过对阀的调节而不断调 节执行机构所吸收的功率，最终使执行机构能够把接 近全部的液压能作用在负载上 。 由 阀口流量计算公式 QC A 2 △ 户 其 中， C 为流量常数 ， 为阀口开度， 』D 为油液密度 可知 ， 当先 导控制手柄的偏转角不变时 ，多路阀的通流量变化与 阀前后压差 A p的变化成正比。 也就是说 ， 可以根据发 动机功率调节的趋势而通过软件对负载传感阀的比例 电磁铁 自动作出调节， 进而对 △ 户作出调节 ， 使主换 向 阀流量与泵流量相匹配，从而使作用在负载上的功率 始终最接近于发动机的输出功率 。 5结语 采取本文的方案使发动机输出功率对负载变化能 自动做出调节 ，而且实现了 “ 发动机一液压系统一执 行机构一负载”的全局功率匹配 。这对开发节能降耗 工况 自适应系统具有理论与工程实际指导意义。 参考文献 [ 1 ] 国香 恩 ， 赵 丁选 ， 尚涛 ， 等． 模糊控制在液压挖掘机节能 中 的应用 [ J ] ． 吉林大学学报 ， 2 0 0 4 ， 3 4 2 2 1 7 - 2 1 8 ． [ 2 ] 王昕 ， 赵丁选 ， 尚涛 ， 等． 基于单神经元 的液压挖掘 机 自适 应 P D节 能 控 制 [ J ] ． 吉 林 大学 学报 ， 2 0 0 5 ， 3 5 4 3 7 7 3 7 8． [ 3 ] 李壮云 ， 郭宜远． 液压元件 与系统E M] ． 北京 机械工业 出 版社 ， 1 9 9 9 ． E 4 ] 周士 昌． 液压系统设计图集[ M] ． 北 京 机械 工业出版社 ， 2 0 03 ． [ 5 ] 费业 泰． 误差 与数据 处理 [ M] ． 北 京 机械 工业 出版社 ， 】 99 9 ． Po we r M a t c hi n g a n d Ene r g y - s a v i ng Te c h no l o g y o f Hy dr a u l i c S y s t e m YOU M i ng l i n ． W U Yo ng ch ua ng 1 ． Gu i z h o u No r ma l Un i v e r s i t y， Gu i y a n g 5 5 00 1 4， Ch i n a ； 2 ． Gu i z h o u Uni v e r s i t y， Gu i y a n g 5 5 0 0 0 3， Ch i n a Ab s t r a ct The l ow e f f i c i e n c y of a hy dr a ul i c s y s t e m i s m a i nl y c a us e d by t h e po we r mi s ma t c hi ng i t s l oa d．Und e r t h e c on di t i o n of t he a da pt i v e l o a d。 we c an a c hi ev e t he c on t r o l l i n g m e t h od o f t h e e n gi ne po we r ma t c hi n g t he l o a d， whi c h c a n b e us e d a s a me t ho d of e ne r gy s a v i ng t e c h nol og y o f hy dr au l i c s y s t e ms ． Ke y wor dsov e r a l l po we r ma t c hi ng； a da pt i ve l oa d；e ne r gy s a vi ng t e c h nol og y 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m