电反馈负荷敏感液压系统及节能特性.pdf

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Hv d r a u l i cs Pn e uma t i c s& Se al s / No . 4. 2 01 2 电反馈负荷敏感液压系统及节能特性 邹云飞 , 韦晓磊 , 张德文 , 谢 岗 1 . 交通运输部 水运科学研究院 , 北京1 0 0 0 8 8 ; 2 . 国家知识产权局 专利局专利审查协作北京中心 , 北京 1 0 0 0 8 3 摘 要 本文叙述 了应用 P I D算法的电反馈负荷敏感 液压 系统 工作原理 。基于工作原理 , 建立 了系统的 AM E S i m模型和仿真分析了 四 种 工作 状态 下液压 系统特性 。结果得到 , 电反馈 负荷敏感液压 系统能够改变泵排量和工作压力 以适应系统要求 , 减少了系统中的溢流 发 热 , 降低 了系统的能量消耗 , 实现 了液压系统的节能。 系统中泵的工作压力取决于执行机构中最高的负载 , 且各执行机构 的运动状态 互 不影 响。 关键词 负荷敏感 ; A ME S i m; 节 能 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 4 0 0 1 5 0 3 El e c t ric a l F e e d ba c k Lo a d s e ns i t i v i t y Hy d r a u h c S y s t e m a n d En e r g y S a v i n g Ch a r a c t e r i s t i c s Z OU Y u n - f e i , WE I X i a o - l e i 2 , Z H A NG D e - w e n , X I E G 1 . Wa t e r b o r n e T r a n s p o r t a t i o n I n s t i t u t e ,B e i j i n g 1 0 0 0 8 8 ,C h i n a ; 2 . P a t e n t E x a m i n a t i o n C o o p e r a t i o n C e n t e r o f S I P O ,B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 , C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n P I D a rit h me t i c , t h e wo r k i n g p rin c i p l e o f t h e e l e c t ric a le d b a e k l o a d s e n s i t i v i t y h y d r a u l i c s y s t e m i s i n t r o d u c e d . T h e AME S i m mo d e l o f t h e s y s t e m i s e s t a b l i s h e d a n d t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f f o u r wo r k i n g s t a t e i s a n a l y z e d . Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e e l e c t ric a l f e e d b a c k l o a d - s e n s i t i v i t y h y d r a u l i c s y s t e m s e l f - r e g u l a t e s t h e d i s p l a c e me n t a n d p r e s s u r e o f t h e p u mp t o fi t t h e l o a d o f t h e s y s t e m. I t d e c r e a s e s t h e o v e r f l o w l o s s o f t h e s y s t e m, r e d u c e s e mi s s i o n a n d r e a l i z e s t h e e n e r g y s a v i n g . Th e p r e s s u r e o f t h e p u mp d e p e n d s o n t h e h i g h e s t l o a d o f t h e a c t u a t o r s a n d t h e wo r k i n g s t a t e o f t h e a c t u a t o rs d o e s n o t a ff e c t e a c h o t h e r . Ke y wo r d s l o a d s e n s i t i v i t y s y s t e m ; AME S i m ; e n e r gy s a v i n g O 引言 负荷敏感液压 系统以其高效 、节能的特点被广泛 收稿 日期 2 0 1 1 - 1 0 1 7 作者简介 邹 云飞 1 9 8 0 一 , 男 , 江西赣 州人, 助理研 究员 , 博 士。主要从 事 液压传动及液压元件润滑与密封研究 。 应用于工程机械 、 港 口机械和矿山机械等行业 。工程机 械的典 型产 品有小 松 P C 2 0 0 6 、 P C 2 0 0 6 E X C E L型履 带式液压挖掘机和 日立 E X系列挖掘机等【 l 】 ; 港 口机械 有 C V S 、 林德及 中联集装箱正面 吊等 矿 山机械有三一 S H水平定 向钻等 且从 国内外对负载敏感液压系统 的 理论研究文献 0 1 中可以得知 , 现有的负荷敏感液压系 2 F L U E N T软件还可以计算滑 阀液动力 , 通过改 变滑阀的结构 , 及阀芯开 U型槽或三角型节流槽 。 可使 阀芯在运动过程中受到的最大液动力减小 ,能够使得阀 芯受到的最大液动力小于操控力 ,有效的避免了阀芯动 作失效情况的出现 , 从而增强了阀芯运动的平稳性 , 对于 工程机械中滑阀工作的稳定性 , 可控性有很大的提高。 利用 F L U E N T仿真工具得出的仿真结果对滑阀的 设计 、 试验有指导性的意义。 参 考 文 献 【 1 】 冀 宏, 傅新, 杨华 勇. 非 全周开 口滑 阀稳 态液动力研究 [ J ] . 机 械 工程学报, 2 0 0 4 , 3 . 【 2 】 方文 敏. 带 U形节 流槽 的滑阀稳态 液动力研 究f J 1 . 浙江大 学 - - 一 - - - - 学报 , 2 0 1 0 , 3 . 【 3 】 贾双林 , 褚亚旭 , 刘荣辉. 公共汽车液力变矩 器流场 的数值分 析[ J ] . 液压 气动与密封, 2 0 1 1 , 9 . [ 4 】 张海平. 纠正一些关 于稳态液动力的错误认识【 J ] . 液压气动与 密封 , 2 0 1 0 , 9 . [ 5 】 R . A m i r a n t e , G . D e l V e s c o v o , A . L i p p o l i s . E v a l u a t i o n o f t h e fl o w f o r c e s o n a n o p e n c e n t r e d i r e c t i o n al c o n t r o l v a l v e b y me a n s of a c o mp u t a t i o n a l fl u i d d y n a m i c a n a l y s i s [ J ] . E n e r gy C o n v e r s i o n a n d Ma n a g e me n t , 2 0 0 6, 8 . 【 6 】 王林翔, 章 明川, 方志宏. 阀内流道布置对液动 力的影响[ J ] . 机 床与液压 , 2 0 0 0 , 6 . 【 7 】 张作状, 李 建楠, 陈媛媛 . 关 于滑 阀与锥阀 中稳 态液动力方 向 的比较分析[ J ] . 液压 与气动 , 2 0 0 9 , 3 . 1 5 液 压 气 动 与 密 封 / 2 0 1 2年 第 4期 统是执行机构速度及负载的变化以液压信号反馈到限 压 阀和 L s控制 阀,从而控制泵 的排量 以适应 外载变 化 。而本文则针对一种新型电反馈负荷敏感液压系统 进 行节 能特 性研 究 。 1 电反馈负荷敏感液压系统 电反馈负荷敏感液压系统是将执行机构速度计负 载的变化转换为电信号反馈到电气排量控制型泵 , 从 而控制泵的排量 以适应外载变化。它主要包括三部分 电气排量控制型变量泵 、压力补偿 阀及电反馈闭环控 制系统 , 如图 1 所示。 1 一电动 控 制 排 量 型 变 量 泉2 一压 力 补 偿 喇3 一电 磁 比 例 换 问 I浏 4 一 梭阀5 - P I D控制逻辑6 一 执行机构 A 7 一 执行机构 B 图 1 电反馈负荷敏感液压系统原理 图 图 1中 P 1和 P 2分别为比例换 向阀进 口压力和梭 阀的出口压力 , K 1和 K 2则分别为压力限定值和压力 补偿值 。在液压系统中, 如果外界负载突然增大 , 即 P 2 大于 Kl ,通过电反馈控制逻辑将泵的排量变为零 ; 而 利用 P 2 一 P l 与 K 2的差值及 Q值 ,通过 P I D控制逻辑 反馈控制泵的排量以适应外载的需要 。 2 节能特性仿真 2 . 1 负载阶跃和阀芯开度信号下的节能特性 设定压力 限定值 Kl为 2 0 0 , K 2值取决 于压力补 偿 阀弹簧的预压紧力 。 执行机构 A所对应的弹簧预紧 力 1 5 0 N,而执行机构 B所对应 的弹簧预紧力 1 0 0 N。 执行机构 负载 和换 向 阀阀芯 开度 的阶跃信号 如 图 2 所示 。 从 图 3 一 图 6中显示 。 随着执行机构 A和 B的换 向 阀阀芯开度阶跃变化 , 泵的工作压力保持不变 , 泵 的排 量和执行机构速度却出现阶跃变化 ,且泵排量和执行 机构速度较快达到稳定和波动量较小 .这是 由于电反 馈控制逻辑的 P I D取值较为合理。当执行机构 A负载 阶跃增大 , 而执行机构 B负载阶跃减小 时; 泵的排量保 持不变 , 泵的工作压力却出现阶跃增大, 且较快达到稳 1 6 定且无超调量;而执行机构速度在阶跃时刻后较短时 间内发生较小波动, 后又保持恒定。从执行机构负载阶 跃变化的曲线 中还能看出,液压系统中泵的工作压力 主要取决于执行机构中最高的负载。 歪 慧 蒌 图 2 执行机构负载与 阀芯开度 的阶跃信号 1 l 0 1 0 0 誊0 9 o o 8 0 翼 o 7 0 1璃 6 0 .6 0 0 5 0 图 3泵工作压力变化 图4泵排量变化 图 5 负载 阶跃时执行机构速度变化 . ∞ . 艘霉霉上 { Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s / No . 4 . 2 01 2 时Id s 图 6 阀芯开度阶跃时执行机构速度变化 2 . 2系统瞬间超载下的特性 当执行机 构运动到极 限位置或 者对其实施 制动 时 , 梭阀的输出压力大于压力设定值 K1 2 0 0 b a r , 通过 控制逻辑关 系, 此时系统泵排量输入信号变为零 , 系统 的流量迅速减小至零 , 且无波动和超调。 从 而实现了执 行机构瞬间超载时对整个液压系统的保护和节能。泵 工作压力和排量的变化 曲线如图 7所示。 时间r /S U 4 b 8 1 0 W I It/ S 图 7系统瞬间超载下泵排量 和工作压力变化 2 . 3系统怠速下的特性 电反馈负荷敏感液压 系统在 4 s 之后 。执行机构 A 所对应 的电磁 比例换 向阀调节到 中位 ,而执行机构 B 所对应的电磁换 向阀不改变 ,既此时之后执行机构 A 不需要流量 , 其处 于停止状态下 , 通过控制逻辑关系 . 此时系统泵的工作压力和排量只需满 足执行机构 B的 要求 , 系统流量减小 , 实现 了系统 的节能。泵工作压力 和排量的变化曲线如图 8所示 。 器 厂] 0 8 o l 二 二 J0 图 8系统怠速下泵排量和工作压力变化 2 . 4阀芯开度线性变化下的特性 从 图 9可以看 出.阀芯从关闭线性变化到全开的 过程 中, 系统泵的排量呈非线性变化 , 其对阀芯开度的 跟踪性较好。 图 9 阀 芯从 关 闭线 性 变 化 到 全 开 泉 排 量 的 变 化 3 结论 本文建立了电反馈负荷敏感液压 系统 A ME s i m模 型和仿真分析 了 4种工作状态下 的液压系统特性 , 主 要结论如下 I 电反馈负荷敏感 液压系统中泵 的排量能 随着 阀芯开度变化而 自我适应 2 电反馈负荷敏感液压系统中泵 工作压力取决 于执行机构中最高的负载 3 电反馈闭环控制系统具有 瞬间超载 的 自我保 护和节能功能 ; 4 多执行机构电反馈负荷敏感液压系统 中, 各执 行机构的运动状态互不影响。 总之 ,电反馈负荷敏感液压系统能够有效改变泵 排量和工作压力 以适应系统要求 ,降低了系统的能量 消耗 , 实现了液压系统的节能。 参考文 献 【 1 】 武宏 伟. 挖掘 机负载敏感 系统 的联合仿 真及能耗 分析【 D ] . 太 原 太原理工大学 . 2 0 0 8 . 【 2 】 张树 忠 , 张弓 , 陆 军坊 , 等 . 挖掘机 回转 液压系统 的仿真研究 [ J ] . 建筑机械化 , 2 0 0 8 , 1 1 . 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