基于变频液压技术的起竖系统节能研究.pdf

2 0 1 4年 1 0月 第 4 2卷 第 2 0期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUUCS Oc t ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 2 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 2 0 ． 0 1 7 基于变频液压技术的起竖系统节能研究 邓飙 ，刘连伟 第二炮兵工程 大学，陕西西安 7 1 0 0 2 5 摘要 针对多级缸起竖系统能量利用率不高的问题，提出了恒压频比变频容积调速和节流调速相结合的复合调速方 法。利用 A M E S i m和 S i m u l i n k建立了多级缸起竖系统的仿真模型，进行了仿真试验。结果表明采用变频液压技术能够有 效减小节流、溢流损失 ，提高了系统的能量利用率。 关键词起竖系统 ；恒压频比控制 ；节能研究 中图分类号T H1 3 7 ． 5 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 2 0 0 5 4 3 S t ud y o n En e r g y Co ns e r v a t i o n o f Er e c t i ng Hy d r a u l i c Sy s t e m Ba s e d o n Va r i a b l e Fr e q u e n c y Te c h no l o g y DENG Bi a o，LI U L i a n we i S e c o n d A r t i l l e r y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y ，X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 2 5 ，C h i n a Ab s t r a c t A c o mp o u n d s p e e d c o n t r o l me t h o d c o mb i n i n g v ／ F c o n t r o l a n d t h r o t t l e c o n t r o l w a s p r o p o s e d f o r t h e l o w e ffi c i e n c y o f t h e e r e c t i n g h y d r a u l i c s y s t e m． U s i n g AME S i m a n d S i mu l i n k， t h e mo d e l wa s e s t a b l i s h e d a n d s i mu l a t e d ．T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e n e w e r e c t i n g s y s t e m s a g e s mo r e e n e r g y ． Ke y wo r d s E r e c t i n g h y d r a u l i c s y s t e m ； V ／ F c o n t r o l ； E n e r g y c o n s e r v a t i o n s t u d y 液压传动具有传动平稳、调速方便、功率体积比 大等优点⋯。同时，液压产品的设计与制造要考虑适 应环境生态发展的要求 ，开发研制环保、节能型产品 是今后工程机械发展 的趋势 ，研究液压系统 的节能 技术具有重要的实际意义。某型导弹的车载发射装置 是一种采用液压驱动的复杂机电液大型设备，其起竖 系统液压回路采用节流控制，通过各种阀控制液压缸 的输入流量和压力适应负载 的变化 ，实现大型设备快 速平稳起竖。节流控制时，系统存在较大节流损失和 溢流损失 ，因此系统的能量利用率不高 ，而且过 大的节流和溢流损失还会导致严重的油液温升，损害 系统的使用寿命。变频液压技术是一种新型的节能传 动方式，它的结构形式是变频器 电机 定量泵，通 过变频器改变供 电电源 的频率调节 电机转速 ，电机驱 动定量泵改变转速，这样就可以调整泵的输出流量以 适应负载 的流量变化 ，因此采用变频液压技术可 以减 小液压回路的节流损失和溢流损失，提高系统的能量 利用率 卜引。 1 起竖系统介绍和建模 1 ． 1 起竖 系统工作原理 图 1 为起竖系统研究试验平台工作原理简图，起 竖系统由执行机构、液压回路和控制系统组成。执行 机构由起竖臂、二级液压缸组成，负责完成负载起竖 和撤收回平；液压回路由各类阀、电机、泵和变频器 组成 ，负责 向执行机构提供动力 ；控制系统由工控 机 、数据采集卡 、控制软件 、监控诊 断系统软件 、指 令按钮 、信号调理箱以及通信单元组成，它的输入信 号来 自于角位移传感器采集的角度信号，输出比例流 量阀和变频器的控制信号调整起竖臂的运动状态。 1 一 负载 2 一 起竖 臂 卜 二 级液 压缸 卜 回转 中心 5 一双向平衡阔 三位 四通 电 磁 换 向 阀 7 一控 制系 统 8 一 比例流 量 阀 9 一 变频 器 1 电机 1 I 一 定量 泵 图 1 起竖系统工作原理简图 当液压回路开始工作时，三相电源由变频器 9的 输入侧接入，变频器将 3 8 0 V ／ 5 0 H z 的工频电源转换 成特定频率特定 电压的电压信号供给异步电机 1 0 ， 电机 1 0带动液压泵 1 1 旋转 ，油泵 1 1 输出压力油经 收稿 日期 2 0 1 3 0 82 8 作者简介 邓飙 1 9 6 9 一 ，男，博士，副教授，研究方向为机电控制。E m a i l 3 5 9 9 2 4 2 0 q q ． c o rn。 第 2 0期 邓飙 等基于变频液压技术的起竖系统节能研究 5 5 比例流量阀 8 、换向阀 6 、双 向平衡阀 5驱动执行机 构运动，使负载由水平状态转变为起竖状态，油缸反 腔的低压油经双向平衡阀 5 、换 向阀6流回油箱。根 据安装在起竖臂上的角度传感器采集的信号 ，控制系 统调整变频器和比例流量阀的输入信号 ，进而控制起 竖臂运动状态 。 1 ． 2 起竖 系统的建模 根据 系统 的工作 原理 图，利用 A ME S i m建立 的起 竖机械液压系统模型如图2所示。 图2 起竖机械液压系统 AM E S i m模型 2 起竖系统传统节流方案与复合方案介绍 2 ． 1 起 竖 系统 节流控 制 方案 起竖系统的传统控制方案是节流控制方案 ，节流 Y 控制方案框 图如图 3所示，S i m u l i n k模型如图 4所 示。系统通过比例流量阀控制液压缸输入、输出流量 和压力，从而驱动负载按照设定的规律运动。这种控 制方法的优点是控制方法相对简单、控制精度高 ，但 是它仅能在 泵源 以外 的液压 回路范 围 内考虑 节能 问 题 。在起竖 系统工作 时 ，电机一直处于最大功率输 出 状态 ，但是实际的运行过程中，大部分时间内电机都 处于欠负载运行状态，因此系统能量利用率并不高。 比 例流 量阀卜 _ 二 级液 压缸 卜 _ _ 叫 起竖 臂和 负载 PI D 算 法 角速度规划曲线 釜 悃角 度 信 号 图3 节流控制方案框图 PI D Con t r o l l e r 图 4 S i m u l i n k仿真模 型 2 ． 2 起竖 系统复合控制方案 根据多级液压缸起竖 系统 的特点 ，提 出了复合控 制方案 ，其框架如图5所示。复合控制方案将电机及 其整个动力传动链都考虑进去，让泵源的输出功率与 负载所需 的功率相 匹配 ，从 而实 现节能 。这种控制方 法相对复杂 ，控制的难度也有所增加 ，但是它是从系 统 的角度 和全局 的观点来 考虑系统的节 能问题 。 变频器 H 电 卜 变频 器 预 设信 号 控制算法 角速 度规 划 曲线 ／ _ 1 l 积 分 运 算H ／U＼ l 图5 复合控制方案框图 设电机的输入功率为 Ⅳ1 ，电机的输出功率为 Ⅳ 2 ， 则电机的功率损失 A N 为 A N 。N 一Ⅳ 2 1 式中A N 包 括 电机 的 铜 损、铁 损 及 机 械 损 耗 等 。如设泵的容积效率为 J， 7 ，机械效率为 叼 ， 则液压泵 的输出功率 为 信 号处 理 Ⅳ 3 n 电机的输出功率 Ⅳ 2 为 泵的功率损失 △ Ⅳ 2 为 △ Ⅳ 2N 2一N 3 角 度信 号 2 3 4 5 6 机床与液压 第4 2卷 设缸的机械效率为 叩 ， ，则缸的输出功率 Ⅳ 4 为 1 n 一 3 Ⅳ 4 p Q z P 2 Q s 叼 。 5 式中 P 为液压缸正腔压力 ； P 为液压缸反腔压力 ； Q 为液压缸正腔流量； Q 为液压缸反腔流量 。 液压缸的功率损失和节流溢流损失 △ 为 A N 3N 3 一Ⅳ 4 6 系统总的功率损失 △ 为 △ N q A N l △ Ⅳ 2 △ 7 为了计算的方便，忽略电机、泵和液压缸的功率 损失，则液压回路的功率损失就是节流、溢流损失， 其计算公式如下所示 A N簪 Q 一 P lQ 。 一 p 2Q ， 8 起竖运动规律和负载相同的情况下，无论采用节 流控制方案还是复合控制方案，负载功率是基本相同 的，但是采用复合控制方案，可以减小泵源的输出流 量 Q 。 和压力p 。 ，因而能够减小节流和溢流功率损失 ， 提高系统的功率效率。 为了量化起竖系统复合控制时的节能效果 ，定义 N． 一N 为功率节省比，其中N 为节流控制时的 J Vl f 平均泵源输出功率 ，Ⅳ1 为复合控制时的平均泵源输 出功率。 3 起竖时间不同时节能效果研究 将变频器输入信号输入到 S i m u l i n k模块中，分别 进行 4 0 、5 O 、7 0 、8 0 s 起竖的联合仿真，仿真结果如 图 6所示 。 至 时 间， s a 4 0 s 起竖功率变化曲线 时 间， s c l 7 0 起竖功率变化曲线 时间， s b 5 0 s 起竖 功 率变 化 曲线 时间， s d 8 0 s 起竖功率变化曲线 图6 复合控制时液压回路功率分配图 采用节流控制方案 ，分别进行 4 0 、5 0 、6 0 、7 0 、 8 0 S 起竖的联合仿真，仿真所得的液压回路功率分配 图如图 7所示 。 时 间／ s a 4 0 s 起竖功率变化曲线 3 O 2 5 ≥ 2 0 毒l 5 1 0 5 O 时 间， s b s O S 起竖功率变化曲线 时 间／ s 时 间／ s c 7 0 s 起竖功率变化 曲线 f d 8 0 s 起竖功率变化曲线 图7 节流控制时液压回路功率分配图 根据图6 _7可以得出结论起竖系统采用节流 控制方案时，平均泵源输出功率维持在 2 5 k W 左右； 起竖系统采用复合控制时，平均泵源输出功率减小到 了 1 5 k W左右，功率节省比达到了3 5 ％以上。 g 结论 将变频液压技术应用于起竖液压系统 ，通过改变 输入变频器的电压使得泵源的输出流量与负载所需的 能量相适应。从仿真的结果上看 与传统的起竖液压 系统相比，采用变频技术可以明显减小节流和溢流损 失 ，达到节能、提高系统能量利用率的目的。 参考文献 [ 1 ]王意． 车辆及各种行走机械用液压传动与控制技术展趋 势[ J ] ． 工程机械与维修， 1 9 9 7 6 2 42 5 ． [ 2 ]C H E N R， L U J s ． Mi x t u r e K a ma n F i l t e r s [ J ] ． J R o y S t a t i s t S o c B ， 2 0 0 0 3 4 9 3 5 0 8 ． [ 3 ]路甫祥 ， 胡大泌． 电液 比例控制技术 [ M] ． 北京 机械工 业 出版社 ， 1 9 8 8 ． [ 4 ]吴根茂 ， 邱敏秀， 王庆丰， 等． 实用电液比例技术[ M] ． 杭 州 浙江大学出版社， 1 9 9 3 ． [ 5 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