一种强耦合性的液压功率回收系统.pdf

第 1 期 总第 1 8 2期 2 0 1 4年 O 2月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAI ENG1 NEE RI NG AUT MATI ON NO．1 Fe b． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 4 0 1 0 1 0 4 0 3 一 种强耦合性的液压功率 回收系统 向小健 ，刘浩 宇，郭利鹏 东北大学 机械工程 与自动化学院，辽 宁 沈阳 l 1 0 0 0 4 摘 要结合各种液压 功率回收方式，针对 大功率液压 泵 9 0 B 1 0 0 、液压马达 9 0 M1 0 0 的效 率性 能试验 设 计 了一种节能、强耦合性 的功率回收系统，并对该 液压 系统 的流量 、扭矩、效率特性在理论上进行初 步研究 和探索。理论得 出该 系统的功 率回收效率较高．具有研 究应用价值 。 关键词 液压功率回收；强耦合性；大功率 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识 码 A 0 引言 液压功率回收封闭系统 的研究 旨在设计 出可用、 节能 、 大功率的功率回收系统， 目前该技术正处于探索 发展阶段 ， 其发展对液压传动技术在传动试验中的进 一 步推广和应用具有重要的指导意义 。对于大功率传 动部件的试验， 传统的试验方法 已经无法满足长时间 的试验要求 ， 而液压功率回收封闭系统由于其节能、 大 功率的独特传动优势， 可以方便地做到这一点。功率 回收封闭系统可以分为机械功率封 闭、 电功率封闭和 液压功 率封 闭系 统三种 ， 相 比于前 两 种功率 回收系统 ， 液压 功率封 闭 系统 在能 量 回收 方 面具 有 结 构 简单 、 安 装维护方便等许多优点 ， 并且能量 回收效率还具有较 大的发展空间。本文针对大功率液压泵 9 0 B 1 0 0 、 液 压马达 9 0 M1 0 0 的效率性能测试设计 了一种高能量 回收效率的、 强耦合的液压功率封闭系统 ， 并对该系统的 工作特性进行分析， 为其以后的进一步研究奠定基础。 1 典 型 液压功 率 回收 系统 1 ． 1 机械 补偿 液压 功率 回收 系统 机械补偿液压功率封闭系统最开始应用于大型液 压试 验 台中 ， 主要 进 行液压 泵压 力 、 流量 以及 各种效 率 的性能测 试， 图 1为机械补偿液压功率封 闭试验台的 系统简图， 它主要 由变频电动机 l 、 被试泵 2 、 加载马达 4 、 传动装置 3 、 溢流阀 5 、 油箱 6以及其他辅助液压元 件 组成 。 系统 采用 变频 电机 驱 动 ， 系统 的功 率 在经 过 被 试 泵 、 液压油、 加载马达后又经过机械传动方式传到了被 试泵， 从而形成了功率闭环。工作过程中， 加载马达不 足以推动被试泵的转动， 功率不足 的部分由变频 电机 补偿 ， 因此称为机械补偿液压功率系统 。 1 ． 2液压补 偿液 压功 率封 闭 系统 液压补偿 液压功 率封闭 系统 主要 由变频 电动机 1 、 补 偿泵 2 、 被测 马达 3 、 变 量 泵 4 、 节 流 阀 5 、 溢 流 阀 6 、 油箱 7组成 ， 其结构如图 2所示 。 6 1 一变频电动机 ； 2 一被试泵 ； 3 一传 动装置 ； 4 一加载马达 ； 5 一溢流阀 ； 6 一油箱 图 l 机械 补偿液压功率封 闭试验台 系统 1 一变 频 电动 L ； Z 一 补 偿 泵 ； 3 一 被 测 马 达 ； 4 一 变 懿 泵 ； 5 一节流阀 ； 6 一溢流阀 ； 7 一油箱 图 2 液压 补偿 功率回收系统 补偿泵 2在变频 电机 1的驱动下 向被试马达供 油 ， 驱动被试马达转动， 被试马达通过传动轴带动加载 泵转动， 加载泵出 口由于节流阀 5的节流作用而形 成 高压， 对泵产生负载力矩 ， 从而实现对马达的加载 。加 载泵 的输出油液通过节 流阀后再推动被试马达转动 ， 即功率流在被试马达和加载泵之问循环流动， 构 成功 率 闭环 。 由于 功 率 不 足 的 部 分 由液 压 补 偿 泵 进 行 补 收稿 日期2 0 | 3 0 6 2 4 ；修 回日期 ；2 0 1 3 0 8 1 4 作者简介向小健 1 9 8 7 一 ，男，湖南邵 阳人，在读硕 士研究生 ，主要研究 方向；机器人驱动及其 自动化控 制，液 系统 设计 ’ 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年 第 1 期 向小健 。 等 一种 强耦合性 的液压功率 回收 系统 1 O 5 偿 ， 因此将其称作液压补偿液压功率封闭系统。 2 一 种强耦 合 性的 液压 功 率 回收 系统 大 功率 液 压 泵 9 0 B 1 0 0 、 液 压 马 达 9 0 M1 0 0 由 于排量相 同， 因此进行效率性能测试时采用泵和马达 同时测试 的方式 。根据前面对功率回收系统的原理介 绍可知 ， 功率 回收的本质即功率闭循环 ， 其能量转化过 程如下 泵的输入能量转化为液压能， 液压能转化为马 达的输出机械能 ， 马达的输 出机械能再转化为泵的输 入能量 ， 这样就形成了一个功率闭循环 ， 过程 中损失的 能量 泄漏、 阻力 由液压补偿泵或者电动机补偿。根 据这一原理以及试验要求设计一种强耦合性 的液压功 率回收系统 ， 其原理见图 3 。该 系统 由被试泵 1 、 变频 电机 2 、 被试马达 3 、 补偿泵 4 、 电动机 5以及测速仪和 扭矩测量仪等元件组成 。系统工作时， 首先 电动机 5 、 变频 电机 2同时启动 ， 变频 电动机轴同时与泵 1和马 达 3驱动轴刚性相连 。系统通过调节变频电动机来改 变液压泵 、 液压马达的转速， 通过调节补偿液压泵 4的 排量来改变系统的压力 ， 从而实现对大功率液压泵 、 液 压马达的效率试验 。这 种连接方式具有很 强的耦合 性 ， 这使得变频电机转速、 系统工作压力、 补偿泵排量 之间相互影响。在试验中通过对它们的调节来达到测 试工 作条 件 。 1 ～ 被试 泵 ； 2 一变 频 电机 ； 3 一 被 试 马 达 ， 4 一补 偿 泵 ； 5 一 电动 机 图 3 强耦合性的液压功率 回收 系统原理 图 3 系统的理论计算 3 ． 1 系统流 量 匹配 关 系 根据流量连续性原理 ， 系统流量满足以下关系 Ql Q。 一 Q2 ． 其 中 Q ， 分别为泵 l 、 泵 4输 出流量 ； Q 2为马达 3 输 入 流量 。用 排量 表示 如下 l l7 2 2 V4 一 l V／ ． 1 其 中 V为泵 1 、 马达 3的排量； V 为泵 4的排量 ， 7 2 。 分别为电机 2和电机 5的转速 ； ， ， 分别为泵 1 、 马达 3 、 泵 4的容积效率 。 式 1 为系统流量匹配要求， 正常工作时， 泵的流 量大于马达的流量 ， 这 主要 由补偿泵保证。调节补偿 泵的排量 ， 使其输人马达的流量大于马达的理论流量 ， 从而保证系统压力的建立 ， 同时避免马达的输入 流量 不 足 。 3 ． 2 系统扭 矩 匹配 关 系 试验泵的实际输入扭矩 1 ’ 和马达的实际输 出扭 矩 l 、 M分别为 Tp-- ． T ． ， 一 妻 望 型 ” 2 7 【 。 其中 户 ， P 分别为泵 1 两端的压力 ； 户 ， 分别为马达 3两端的压力 ； ， 分别为泵 1 、 马达 3的机械效率。 设电动机的理论输出扭矩为 ， 由扭矩平衡可知 T。 一 TM ． 2 式 2 即为系统 的扭矩匹配关系式 。 3 ． 3 系统 功率 回收效 率 功率回收效率可以定义为系统回收的功率与系统 所需要的功率之 比， 用 表示。系统 回收的功率 即为 被试马达的输出功率， 系统所需 的功率即驱动泵所需 要的功率 。虽然 9 0 B 1 0 0闭式泵内带的辅助泵一直在 消耗功率， 但其所耗功率相对于闭式泵 的总功率非常 小 ， 可 以忽 略 ， 本文 在不 考虑 其影 响 的情况下 进行 回收 效率分析。 被试泵的输入功率 、 马达 的输 出功率分别为 Nl 一 l二 鱼 ． 3 m1 N2 一 2 一 4 ， 2 1 3． 4 补偿泵输入功率 N 一 ． 5 叩 其 中 叩 为补偿泵总效率 。 联立式 1 、 式 3 、 式 4 、 式 5 得系统的功率 回 收效率为 一 二 盟 f 6 、 』 ＼ ， N3 p l P 。 l 1 一 。 。 因为马达两端压差与泵两端压差大致相等 ， 且人 口处压力可认为为 0 MP a ， 所以式 6 可化简为 一 一 盟 f 7 、 、 Nl N3 仉 1 1 一 。 根据采用的泵和马达 的类型 ， 只需知道机械效率 和总效率 ， 则可以很容易得到最大功率 回收效率， 根据 9 0 L 1 0 0和 9 0 M1 0 0的 相关 资 料 ， 均 取 0 ．9 ， 7 取 0 ． 8 5 ， ， ， 取为 0 ． 9 ， 将其代人 7 得本试验 系统 功率 回收效率的理论值为 6 6 ． 2 。所以， 当不采用功 率回收的方式时， 泵 的驱动功率全部 由电机提供 。采 用功率回收的方式后 ， 泵所需驱动功率相同时， 电机的 功率仅为驱动功率的 3 4 左右就能满足试验要求 ， 驱 动功率不足的部分通过 回收利用马达的输出功率来补 偿， 即试验台的装机功率只需无功率回收时的 3 4 左右。 4 结论 本文提出的一种强耦合性的液压功率封闭系统具 有很好 的功率 回收效率， 理论 值可 以达到 6 6 ． 2 左 右， 具有很好的节能环保性。由于电机轴直接与泵 、 马 达相连 ， 系统具有强耦合性 ， 同时 ， 该系统的散热性也 非常好。本文通过对该 系统的初步研究 ， 为以后该系 统强耦合性的控制调节、 结构 改进 以及实际试验做 了 基 础性 的理论 研究工 作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l O 6 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 4年第 1 期 参考文献 [ 1 ] 张峥明． 液压功率封闭系统设计及加载特性研究[ D] ． 长 沙 中南大学 ． 2 O 0 6 1 - 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g a s s c r u b b i n g p r o c e s s e s [ J ] ． A p p l i e d E n e r g y ， 2 0 0 9 ． 8 7 3 1 0 4 8 1 0 5 3 ． 孟庆华． 基于功率 回收 的新型 液压封 闭式 汽车车 桥疲 劳 试验 台的研究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 7 。 3 5 5 1 3 0 1 3 1 ． A Ki n d o f S t r o n g l y -- c o u pl i n g Hy d r a u l i c Po we r Re c o v e r y S y s t e m X1 ANG Xi a o - j i a n，LI U Ha o - y u ，GU O L i - p e n g S c h o o l o f Me c h a n i e a l En g i n e e r i n g a n d Au t o ma t i o n，No r t h e a s t e r n Un i v e r s it y，S h e n y a n g 1 1 0 0 0 4，Ch i n a Ab s t r a c t On t h e b a s i s o f s t u d y o n a l l k i n d s o f h y d r a u l i c p o we r r e c o v e r y me t h o d s ， a i mi n g a t t h e e f f i c i e n c y p e r f o r ma n c e t e s t o f h i g h - p o we r h y d r a u l i c p u mp 9 0 B1 0 0 a n d h y d r a u l i c mo t o r 9 0 M 1 0 0 ，t h i s p a p e r d e s i g n e d a k i n d o f e n e r g y - s a v i n g ， s t r o n g c o u p l i n g p o we r r e c o v e r y s y s t e m ，a n d d i d a p r e l i mi n a r y s t u d y a n d e x p t o r a t i o n i n t h e o r y，f o r i t s f l o w ，t o r q u e a n d e f f i c i e n c y c h a r a c t e r i s t i c s ．Th e s t u d y i n t h e o r y p r o v e s t h a t i t s p o we r r e c o v e r y e f f i c i e n c y i s h i g h e r ，b e i n g o f a c e t a i n a p p l i c a t i o n v a l u e ． Ke y w o r d s h y d r a u l i c p o we r r e c o v e r y ；s t r o n g - c o u p l i n g；h i g h p o we r 上接 第 1 0 3页 城市的路面附着系数通常都在 0 ． 6 ～O ． 8之间， 根 据电储能 X Q6 1 0 3客车的结构参数 ， 由公式 7 计算得 满载同步 附着系 数 为 0 ． 8 7 5 ， 空载 同步 附着 系数 为 0 ． 8 3 2 。由此可知， 电储能 XQ6 1 0 3客车在城市路面上 制动 时 ， 属 于稳定 工 况 。 4小 结 本文对 电储能车辆机械制动系统的制动特性进行 研究 ， 通过车辆制动过程受力分析， 绘制前 、 后轮制动 力分配 曲线 ， 确定 了电储能 XQ6 1 0 3客车空载、 满载同 步附着 系数分 别为 0 ． 8 3 2和 0 ． 8 7 5 。通过分析表明， 前后轮利用附着 系数都能够满足 E C E法规要求 ， 制动 力分配较为合理 。 根据 E C E制动法规要求， 在满足车辆制动性能和 制动稳定性、 安全性的前提下 ， 结合再生制动系统的制 动特性 ， 确定了车辆制动力分配系数的变化范围， 为再 生制动力分配和再生制动控制策略的设计提供 了理论 依据 。 参考文献 [ 1 ] 陈全世． 先进电动汽车技术[ M] ． 北京； 化学工业出版社， 2 001 ． [ 2 ] Me h r d a d E h s a n i ， Y i mi n Ga o 。 A l l E ma d L Mo d e r n e l e c t r i c ， h y b r i d e l e c t r i c 。 a n d f u e l c e l l v e h i c l e s f u n d a me n t a l s ， t h e o r y ，a n d d e s i g n[ M] ．S e c o n d E d i t i o n ．B o c a R a t o n CRC Pr e s s， 2 0 09 ． [ 3 3 严波． 电储 能车辆再 生制 动控制 策略 及电控 离合 器接合 控制研究[ D] ． 太原 中北大学， 2 0 1 2 3 3 4 0 ． [ 4 3 姚亮． 混合动力轿车再生制动与液压制动协调控制策略 研究[ D ] ． 长春 吉林大学 ， 2 0 0 9 1 1 2 1 2 0 ． [ 5 ] 汪新 云． 串联 式混合 动力 电动客 车动 力系统 建模 与仿真 [ D ] ． 武 汉 武汉理工大学 ． 2 O O 3 5 8 7 O ． [ 6 ] 金 明新． 国内外 客车制动标准对 比分析[ J ] ． 交通标准 化 ． 1 9 9 8 3 2 6 - 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