对开式液压发电机稳定性的研究.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 4年 第 0 8期 d o i l 0 ．3 9 6 9 4 ． is s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ．2 0 1 4 ．0 8 ． 0 2 3 对开式液压发电机稳定性的研究 林 海斌 The Ana l y s i s f o r t h e S t a b i l i t y o f Op e n Ci r c u i t Hy d r a u l i c Ge n e r a t o r L l N Ha ／ 一b i n 丹佛斯动力系统贸易 上海 有 限公 司， 上海2 0 0 2 3 3 摘要 针对 电力抢修车上 的开式液压发 电机易产生振荡 的现象 ， 该文对其液压 系统进行 了研究 。 从液压系统的阻尼孔着手 ， 对系统 的 阻尼孔进行 了重新配置。经过实验 ， 发现 L S反馈路上的阻尼孔对系统的稳定性有着重要 影响。 关键词 液压发 电机 ； 振荡 ； 阻尼孔 ； 稳定性 中图分类号 3 3 - I 1 3 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 0 6 0 0 6 6 0 4 O 弓I 舌 液压发电机配备在很多工程车辆上 ．通常为各种 电动工具提供电力 ， 夜间照明 。 甚至是焊接。液压发电 机 的安装与连接非常简单 ． 结构紧凑 。 从而使它具有便 于携带和转移的特点。发电机由液压马达直接驱动 ， 而 液压泵则是 由发动机驱动。液压电机 的液压系统有闭 式和开式两种 。本文所讲述 的为一 台安装在 电力抢修 车上的开式液压发电机 。 1 液压发电机液压系统 本液压发 电机由开式系统液压系统驱动 ．其原理 如图 1所示 。系统的主要元件如表 1 所示 。发 电机 由 S a u e r - D a n f o s s的斜盘式柱塞马达直接驱动 ．主泵采用 S a u e r - D a n f o s s S 4 5系列负载敏感 的柱塞泵。 2 实验方案 2 ． 1 实 验方 法 1 测试仪器 Hy d r o t e c h n i c 5 0 6 0用于数 据采集 ． 3 0 0 L ／ mi n流量 计用于测试泵 的出口流量 ． 6 0 0 b a r 压力传感器用于测 量泵 出口压力 和 L s压力 ． 6 0 b a r 压力传感器用于测量 马达的回油背压 。采样频率 2 0 ms ， 采样时间为 5 0 mi n 。 2 lJ 试方法 空载启动发动机 ． 然后一步步增加系统载荷 。 再一 步步减少系统载荷至无负载 ．整个加减 载过程见 图 2 所示。 在这个过程中， 测试采集泵出 口压力 ， 流量 ， L S压 力和回油背压的数据 ． 同时观测系统是否出现振荡 。 收稿 日期 2 0 1 3 1 1 - 0 4 作者简介 林海斌 1 9 8 4 一 ， 男 ， 湖南人 ， 工程师 ， 硕士 ， 主要从 事液压传动 与控制技术 的研究 。 6 6 流量计 图 1 系统原理 图 表 1 系统主要元件 发电机 3 2 k W ，4 0 0 V ，5 7 ． 7 A ，1 5 0 0 r ／ m i n 发动机 液压泵 液压马达 负载 1 负载2 6 1 ． 5 k w 2 2 O 0 r ／ m i n S a u e r - D a n f o s s ， 4 5 系列开式柱塞泵，9 0 c c ， L s 控制 ，压力补偿设定值为2 5 0 b a r S a u e r - D a n f o s s ， 9 0 系列，排量5 5 c c 照明灯1 lc lv ／ 盏 ，共2 8 盏，2 8 k W 空压机7 ． 5 k W 2 ． 2实验方 案 针对这套系统 ． 实验测试 了 3套不同的方案 。 如表 2所示。其中， 最初的系统配置为方案 1 ， 客户在做样机 启动调试时 ． 发现马达转速不稳定 ． 系统存在严重 的振 荡。 基于此问题 ， 经过分析， 我们制定了方案 2和方案 3 两种 实验 方案 3 5 3 0 2 5 至2 0 翼1 5 l 0 5 O 簧 昌 篇 簧 蓦 簧 零 舀 o 2 昌 2 0一 2 2 2 0 呈 加减载时间／ s 图 2系统加减载过程 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 0 8 ． 2 0 1 4 表 2系 统 阻 尼 孔 配 置 3 实 验数 据分析 3 ． 1 方 案 1测试 数 据分 析 方案 1的系统配置为 P路 阻尼 5 ． 8 m m。 L S反馈阻 尼孔 4 ． 5 mm． 回油阻尼孑 L 为 5 ． 5 mm。现场测试数据如图 3所示。由于测试过程 中系统出现了振荡 ． 出于安全考 虑 ．并未严格按照图 2所示 的加减 载过程来做全部 的 加减载实验 p／ b a r 3 0 0 2 4 0 l 8 0 1 2 O 6 0 O 一 1_ 无负载 0回油背压 。5 w ●_ 6 0 1 8 O 3 0 0 4 2 0 5 4 0 t ／ s 图 3方 粟 1测 试 曲线 从 图 2的测试 曲线可以看 出．系统在加减载的过 程中存在振荡。外部表现为系统管路抖动 ， 发电机的发 电频率不稳定 初步的猜测是系统的阻尼不合适从而 引起 了液压系统的振荡 。 3 ． 2方 案 2测 试 数据 分 析 基于方案 1出现的问题 ． 制定了实验方案 2 。偿试 增加 L s反馈 回路的阻尼 ．即减小 L S反馈 回路上的阻 尼孔至 2 ． 5 m m。采用同样的测试方式 。 测试 曲线线如图 4所示 。 从 图 4中的测试 曲线可以看 出．系统在部分 区间 出现 了振荡 。针对增大 阻尼有利于增加系统稳定性的 趋势 ， 展开了如下对系统的分析和假设 。 t ／ s 图 4方 案 2的 测 试 曲线 系统采用负载敏感泵 ， 但是基于这种特殊应用 液 压发 电机 ， 系统不存在低压待命的工况 。发动机一启 动 ， 系统就存 在负载 ， 即空载 的发电机 。发动机启动瞬 间 ． 泵 以全排量 向系统供油 ， 由于 P路阻尼孔 的存 在 ， 泵出V I 的压力将会升高 ． 于是泵上的 L S控制 阀芯将会 在泵 出口压力 的作用下 ， 向右位移动 ； 从 而减小泵的排 量 ． 同时泵出口的流量将变小 。当 P路阻尼孔下游压力 建立起来后 ．即 L S管路有压力反馈 回来后 ． I 5控制阀 芯将会被推向左边 ． 以增加泵 的排量。当发 电机转动起 来后 ． P路阻尼孑 L 下游 的压力瞬间下降。 此时 由于 L S管 路的阻尼较小 ． L S控制阀芯右侧的 L S压力将迅速感应 到这个瞬间的压力下降 于时 L S控制阀芯将会在瞬间 维持不变的泵出 口压力的作用下 向右位移动 ，从而引 起泵排量减小 。 系统流量 减小 。 电机转动 变慢 ， 直到 P 路下游压力再次上升时 由于 P口的阻尼作用 ． 下游的 压力会缓慢地跟上 ， L S控 制阀芯又被增加 的 L S压力 推 向左边 ．以增加泵 的排量和系统流量 。当流量增加 后 ． 发 电机又会加速转动 ， 又会引起 P路阻尼下游 的压 力下降。这样这个过程就会不断重复 ， 反映在系统就是 发 电机转速波动较大 ， 系统流量波动较大。现场可以听 到一阵一阵的系统噪声 ．同时可 以用手感觉系统管路 周期性 的振荡 。这就是系统的振荡 。 基于上述 的分析与假设 ． 我们得 出的初步结论是 ， 当系统的负载发生变化时 ．由于 L S管路的阻尼较小 。 所以 L S管路能较快地感应到负载的压力变化 ， 从而引 起泵排量的变化和系统的振荡。针对此结论 ， 我们采取 进一步增加 L S管路阻尼 ．即进一步减小 L S管路阻尼 孔直径的方法过解决系统振荡 问题 。增大 L s管路的阻 尼后 ． 当 P路阻尼孔下游的压力瞬间下降时。 L S管路 中 的压力不会立即下降 ． 而会产生一定的延迟 ， 这个延 时 会使 L S控制 阀芯瞬间停在原位 ． 从而使泵的排量不发 生变化 ． 以此维持系统输 出流量不变 。 补偿 发电机速度 变化带来的系统压力变化。 3 ． 3方案 3测试数据分析 基于方案 3 ． 2中分析和假设 ．制定 了实验方案 3 。 断续缩小 L S反馈 阻尼孔 的孔径 至 0 ． 5 1 mm。 测试 曲线 如图 5所示 3 0 0 9 8 0 2 4 0 9 2 1 8 0 8 c 、 8 1 2 0 81 2 60 7 5 6 O 7 3 0 o 9 0 0 1 5 0 0 21 0 0 2 7 0 0 t ／ s 图 5方案 3的测试 曲线 从图 4的测试 曲线可以看 出系统在整个加减载过 程 中非常稳定 ， 并没有出现系统振荡 。对该测试 曲线展 6 7 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 4年 第 0 8期 开详 细 的分 析如 下 1 监 测参 数 的详 细分 析 方案 3中的各监参数如表 3所示 对于液压发电 机 ．最重要 的一个考核指标就是输出电压频率 的稳定 性 ． 反映到液压系统就是系统流量 的稳定性 根据表 3 中的测试数据 ， 绘制图 6所示 的系统平均流量 曲线 。根 据系统流量计算出马达 的平均转速 ， 如图 7所示。P口 压力的平均值曲线如图 8所示 8 6 ■ 8 5 ； 88 43 8 2 咖 8 1 媛 8 0 7 9 T 三 E 群 o 每 负载 ／ k W 图 6系 统 平 均流 量 曲 线 1 3 0 0 0 0 25 0 0 0 皇2 0 0 O 0 1 5 0 ．O 0 出 1 0 0 O 0 5 00 o O 负载 ／ k W 图8 P 口压 力 的 平 均 值 2 发电机的输 出参数 本文 中的液压发电机是 由液压马达直接驱动的 ． 其主要参数为 3 2 k W， 4 0 0 V， 5 7 ． 7 A， 1 5 0 0 r ／ m i n 。 系统运转 时 ．发电机 的主要特性参数是从仪表盘上直接读 出来 的 ， 仪表盘监测 的参数为发电频订 ， 电压和 流 ， 仪表盘 如图 9所示。发电机在不 同负载下输出的发电频率 ， 电 流和电压如图 l 0 、 图 1 1 和图 1 2所示 。 图 9仪表盘 5 0 4 O l 0 O 40 5 4 0 0 之 3 9 5 出 3 9 0 3 8 5 3 8 0 3 7 5 负载／ k W 图 1 0 发 电机输 出频率 0 9 2 2 2 8 2 2 2 5 3 2 5 2 5 1 3 6 0 负载 ／ k W 图 1 1 发 电机输 出电流 负载 ／ k W 图1 2发电机输 出电压 3 系统 的 响应 在加减载过程中 ． 发电机 的负载发生变化 ． 系统需 响应外负载变化 。图 l 3所示 。为系统从 9 k W 切换 到 2 2 k W 时 ． 系统 瞬 态 的响应 过 程 。 图 1 4为 系统从 2 2 k W 表 3 方案 3测试 数据 6 8 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 0 8 ． 2 0 1 4 切换到 2 8 k W 时， 系统的瞬态响应过程。 p ／ b a r Q／ i rai n 2 7 2 2 3 4 l 9 6 l 5 8 l 2 0 8 2 图 1 3 9 k W 到 2 2 k W 的系统响应 i ／ 压力 曲线 I ／ 一 一L L ⋯“ 1． “- - J t 一 “ Ⅱ 0 ‘ “ ‘m “ ‘ “ ■ ⋯J h 山“ 0 啊 唧_ 『 一 | 。 啊 嘱 1 _ | I I _ l l一 哪 ■ 唧 _ j ． 啊 _ 研 ■’’ 啊_ 唧 - 用l I F d m l f t l , r i i 8 搿 ii l , ＼ 流量tt f l 线 图 1 4 2 2k W 到 2 8 k W 的 系统 响应 从 图 1 3可 以看 也 系 统 经 过 4 s 左 右 的振 荡 后 稳 定 下来 ， 而在图 l 4中 ， 系统经过 0 ． 5 s左右的时间便迅速 稳 定 下来 。 同时 ． 图 1 3所 示 的系统 压 力 和 流量 的超 调 量也大于图 1 4所示曲线 4 结论 1 L S阻尼孔太小对泵的响应时间有重要影响 ， 减 慢泵 的响应时间 ． 对这种开式系统的稳定有重要作用 ； 2 减小 L S反馈 阻尼孔后 ， 发 电机的发电频 率稳 定在 5 0 Hz 左右 ． 上下波动不超过 1 H z 3 减小 L S反馈 阻尼 孔后 ， 系统 输 出 流量 稳 定 ， 在 各个负载区间． 流量的波动百分 比不超过 l ％； 4 减小 L S反馈 阻尼孑 L 后 ， 马达输 出转速稳定在 1 5 O O r ／ m i n左右 ． 转 速波 动 的百分 比不超过 1 ％； 5 负载 的变化量会影 响到 系统 的响应 时间和超 调量 ． 负载 变化 量越 大 ， 响应 时 间越 长 ， 超 调量 越大 ； 6 如果进一步缩小 L S反馈阻尼孔 ， 系统稳定 性 会增加 ． 但是系统的响应会变慢同时超调量会增加 。 参考文 献 『 l 1 廊坊开发 区新赛铺石油设备 有限公司． 液压发 电机控制 系统 【 P J ． 中I h 2 o l 1 2 0 0 0 6 2 9 9 ． 3 ， 2 O l 1 - 0 1 - 1 1 ． [ 2 】 兰州 电源 车 辆 研 究 有 限 公 司 ． 一 种 液 压 发 电 机 f P 】 ． 中 国 2 01 02 0 57 47 00． 9， 2 01 1 - 06 22． 【 3 ] 常衍 国． 液压 发电机【 P ] ． 中国 2 0 0 7 1 0 0 5 1 4 1 0 ． 9 ， 2 0 0 8 7 3 O ． 】 S a u e r - D a n fos s ． R o b u s t C o n t r o l f o r G e n e r a t o r D r i v e [ Z ] ． Ame s S a u e r - Da n f o s s ， 2 o 0 8 ． f 5 1 福建 航 电控制设 备有 限责任 公 司． 恒 频恒 压液压 发 电机组 『 P ] ． 中国2 0 1 1 2 0 4 3 8 0 5 2 ． 9 ， 2 0 1 1 1 1 - 0 8 ． 【 6 】 S a u e r D a n f o s s ． 4 5开式 柱塞泵【 z 】 ． 上海 S a u e r - D a n f o s s ， 2 0 1 2 ． [ 7 】 王其 伟． 5 0 K V A液 压 发 电机 的研制 一 例[ J ] ． 中 国科 技纵 横， 2 0 1 2 ， 1 3 ． 上接 第 6 5页 3 转速不等率 ， 3 ％～ 6 ％可调 ； 4 压力不等率 ， O ～ 1 0 ％可调 ； 5 系统迟缓率 ， 0 ． 0 6 ％； 6 甩满负荷下转速超调量 8 ％， 维持在 3 0 0 0 d m i n 空转 。 3 调试中遇到的问题及解决措施 1 高压油动机错油 门平衡 油不能建立 ， 调 门始终 全 开 经封堵脉动油 口．使错油门滑 阀上端脉动油为 0 ， 错 油 门滑 阀上 移 。 调 门开 始关 闭 。可 以判 断压 力油 压 低 使错 油门平衡油不能建立的可能性大 。由于压力油管 从前箱底部引人没有分支就进入错油 门．因此管路泄 漏的可能性小 ．于是打开前箱发现前箱 内铸造进油管 通道被安装垃圾堵掉 。 清除后平衡油能建立 ． 油动机动 作正常 2 脉动油压不足． 无法将调门开启 原 因是可调节流 阀 4 图 1 泄油 ， 加工长度不够 ， 全部旋进去之后无法和集成块 内部构成密封 ，加了两 个垫片后 ． 脉动油压力能建立使油动机开启。 3 遮断动作后 。 事故油压偏低 遮断动作后事故油压只有 0 ． 4 5 MP a 左右 ，无法将 调门迅速关闭． 需要 5 s 钟时间。经检查 ， 手动遮断滑 阀 处 明显泄 油 ．于是 在两个 I型放大滑 阀上分别 钻 了 3 、 2两个孔 。 将压力油引入到事故油管路 ， 以弥补 泄漏造成 的压力损失 ． 处理完后调 门能较快关闭。 4 油质 的问题 油 中铁削等杂质堵住 4 4的节流孔 7 图 6 ， 使滑 阀下部平衡油失去 ． 滑阀下落 ， 造成油动机迅速开启 ， 针对上面的问题 ． 我们采取 了以下措施 1 将整个调速油系统 包括调速管路 、 油箱 解体 清洗 2 在油箱 内回油处加装一磁性滤油器 ， 以清洁油 中的铁削 、 焊渣等杂质 ； 3 在错油门滑 阀中部进压力油处包了层 1 2目的 下转第 7 1页 6 9