液压发电机组瞬态指标影响因素及控制策略.pdf

Hy d r a ul i c s Pne uma t i c s Se a l s ／ No． O6 ． 20 1 5 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 6 ． 0 1 5 液压发电机组瞬态指标影响因素及控制策略 邹炳燕 天津 中德职业技术学 院， 天津 3 0 0 3 5 0 摘 要 液压发电机组的常见问题是发电瞬态指标偏低。介绍了车载液压发电机组瞬态指标的常见影响因素， 为了提高长管路动态响 应频率低的液压发电机组瞬态指标 ， 提出了具体的提高瞬态指标控制策略， 并给出了采用提高瞬态指标控制策略前后试验结果对比 及分析。 关键词 液压发电机组 ； 发电机瞬态指标； 影响因素； 控制策略 中图分类号 T H1 3 7 文献标 志码 A 文章编号 1 o 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 6 - 0 0 4 1 - 0 4 Hy d r a u l i c Ge ne r a t o r Tr a ns i e n t I n de x I n flue n c i n g Fa c t o r s a n d Co n t r o l S t r a t e g y ZOU Bi n g- yan S i n o Ge r ma n V o c a t i o n a l T e c h n i c a l C o l l e g e ， T i a n j i n 3 0 0 3 5 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e c o mmo n p r o b l e m i s t r a n s i e n t i n d e x o n t h e l o w s i d e a b o u t h y d r a u l i c g e n e r a t o r ． I n t r o d u c e s v e h i c l e h y dra u l i c g e n e r a t o r t r a n s i e n t i n d e x o f c o mmo n f a c t o r s ， i n o r d e r t o i mp r o v e d y n a mi c r e s p o n s e s o f l o n g l i n e o f l o w f r e q u e n c y h y dra u l i c g e n e r a t o r t r a n s i e n t i n d e x ， p u t f o r wa r d t h e c o n c r e t e i mp r o v i n g t r a n s i e n t i n d e x c o n t r o l s t r a t e g y , a n d g i v e s a d o p t s i mp r o v i n g t r a n s i e n t i n d e x c o n t r o l s tra t e g y b e f o r e a n d a f t e r c o n t r a s t a n d a n a l y s i s o f t e s t r e s u l t s ． Ke y wo r d s h y dr a u l i c g e n e r a t o r s e t ； g e n e r a t o r t r a n s i e n t i n d i c a t o r ； i n fl u e n c i n g f a c t o r s ； t h e c o n tro l s tr a t e g y O 引言 液压发 电机组 作为移 动电源 ， 需求越来越大 。车 载液压发 电机组一般采用交流 同步 发电机发电 ， 交流 同步发电机输出交流电的频率与转子转 速之 间有如下 关 系 1 式中 卜端电压频率 ； 凡 发 电机转速 ； p 极对数。 由式 1 可知， 输出频率与发电机转速间有固定的 关 系， 发 电机转速 波动率也就是输 出交流 电频率 的波 动率 。因此在试验 中， 着重考察发电机 的转速 n 。发 电 机的转速控制是液压控制系统的难点。 1 液压发 电机组瞬态指标影响因素分析 液压 马达驱 动交流发 电机发 电 ， 这时交流发 电机 的频率 取决 于液压 马达转速 。液压 马达转速维 持恒 定 ， 交 流发 电机发 电频率 即可满足指标要求 。液压 马 达转速取决于液压马达得到的液压油流量。 液压发电机组瞬态指标， 突加频率指标指发电机 收稿日期 2 0 1 4 1 l 一 0 5 作者简介 邹炳燕 1 9 6 5 一 ， 男 ， 天津人， 高级T程师， 硕士， 主要从事液 压与气动技术教学和科研T作。 负载 由零负载突然增加至满载 ， 因为各种因素影响 ， 造 成的发电机频率下降的百分比。突减频率指标指发电 机负载 由满载突然减小至零负载 ， 因为各种因素影响 ， 造成 的发 电机频率上升的百分 比。 1 ． 1 液压 系统工作压力及油温变化对液压发 电机组相 关液压元件 内泄漏的影响 发 电机负载 由零负载突然增加至满载 ， 这时液压 系统工作压力就会随之突然上升， 导致液压泵和液压 马达等液压元件 的内泄漏突然增加 。 如 图 1 所 示 ， 为 某 进 口品牌 液 压柱 塞 泵在 转 速 1 5 0 0 r ／ mi n 和 2 2 0 0 r ／ mi n 条件下 ， 输 出流量随输出压力变 化 曲线。由曲线可看 出， 该泵在 1 5 0 0 r ／ mi n ， 当工作压力 突然由零压上升至 2 0 MP a 时， 其输出流量将从 1 0 9 L ／ m i n 降至l O 1 L ／ m i n ， 意味着因为压力上升造成内泄漏增 加 8 L ／ mi n 。比较 多个公 司产品样本 ， 这样 的内泄漏变 化量是 比较小 的。泄漏量的增加会导致液压马达转速 降低。液压发电机的发电频率会下降。 这意味着， 当液压发电机组瞬时由零负载增加至 满载时 ， 假设这时系统压力为 2 0 MP a ， 要保持液压 马达 转速不变 ， 为弥补泵本身因压力升高导致的内泄漏增 加 ， 液压泵需 瞬时增加输 出流量为 8 L ／ mi n 。再考虑液 压马达等其他液压元件内泄漏也会增加 ， 液压泵输出 流量需增加更多， 才能维持液压马达转速恒定 ， 保证液 压发电机组瞬态指标不超标 。 41 液 压 气 动 与 密 ．．1“ ／20 1 5年 第 0 6期 f ； 煺 ， 】 5 0 0 r ／ mi n一一一一一 图 1某公 司柱 塞泵输出流量随输 出压力变化 曲线 在转速 1 5 0 0 r ／ mi n 和2 2 0 0 r ／ mi n 条件下 同样 的道理 ， 发 电机负载 由满载突然减小至零负 载 ， 这时液压系统工作压力就会随之 突然下 降， 液压泵 和液压马达等液压元件的内泄漏突然减小 ， 导致液压马 达转速会突然上升。液压发电机的发电频率会上升。 液压元件 的内泄漏量 ， 除 了受工作压力高低影响 外 ， 还会受到油液温度的影响。一般 系统油液温度低 时， 油液粘度相对较大， 液压元件内泄漏量较小 ； 随着 系统工作 时间的延长 ， 油液温度会逐渐上升 ， 直到系统 热交换达到新的平衡为止 。这时液压元件 的内泄漏量 会随着系统油液温度上升而上升。这样会造成液压发 电机组的瞬态指标 ， 会随着液压系统油液温度的升高 而有所降低。 所以其他工作条件相同时， 选择内泄漏量随工作 压力 变化较小 的液压元件 ， 液压发电机组 的瞬态指标 更好 ； 同样发 电功率 ， 液压 系统额定工作压力越低 ， 液 压马达排量越大 ， 液压发 电瞬态指标越好。 1 ． 2 液压系统工作压力变化对压 力管路容积的影响 假设液压发电机组液压系统工作压力为2 0 M P a ， 工作液体含有 1 ％空气， 液压泵压力油输出口与液压马 达压力 油输人 口之间用 5 m长 内径 1 6 mm壁厚 3 mm钢 管连接 。压力容腔的体积 约为 1 0 0 5 c m ， 则 容器体积弹性模量 近似为管壁 的弹性模量 E 。 T‘ E 2 上， 式 2 中 ， E 管 子 材 料 弹性 模 量 ， 此 处 按 2 ． 1 1 0 M P a ， T 管子壁厚， D管子直径。数值代人 2 式， 得 E 3． 9 4x1 0 MPa 工作液体的有效体积弹性模量 击 麦 击 麦 c 3 4 2 式 3 中 ， 液体体 积弹性模 量 ， 矿物油 的体积弹 性模 量范 围 1 4 0 0～2 0 0 0 MP a ， 在此取 1 5 0 0 MP a ， 油 中 所含气体容积， 臣气体绝热弹性模量。 气体绝热弹性模量 4 式中c 定压比热容 ； c 定容 比热容 ； p 系统工作压力。 对于空气 ， 气体绝热弹性模量 E E 1 ． 和 。当系 统压力为2 0 MP a 时 ， E 2 8 MP a 。 综合式 2 、 3 、 4 可得 E 9 5 3 MP a 5 将液压泵压力油输 出口至液压马达压力油输人 口 看成一个压力容腔 ， 压力变化量A p 2 0 MP a 的变化时间 大约为 1 0 ms 根据试验结果 ， 稳态封 闭容腔 中压力基 本公式 6 式 6 中 压力容腔流量变化量 ， 却 压力变化量 ， 压力容腔体积 ， △ 压力变化时间， E 工作液体 的有效 体积弹性模量。 Aq 1 2 6L ／ mi n 上述计算结果说明， 因为液压发电机组的突加载 荷 ， 造成在 l O ms 范围内 ， 系统压力上升 2 0 MP a ， 如果要 保持液压马达转速不变 ， 需要在 1 0 m s 内液压供油系统 增 加 供油 量 1 2 6 L ／ m i n ， 这 是 因为 液体 可 压 缩性 造 成 的。在很短时间增加很大供油量， 这是现有变量供油 系统无法完成的。 通过计算可 以看出 ， 液压系统工作压力越低 ， 液压 管路容积越小 ， 发电机突加 突减 时压力管路容积变化 量越小 ， 其他条件相同情况下 ， 液压发 电机的瞬态指标 就会越好 。 为 了降低系统压力 ， 同等发 电功率可 以选择排量 较大的液压马达。条件允许时， 选择2 级同步发电机比 4 级 同步发 电机 的液压系统工作压力低 。这样的液压 发电机组的瞬态指标在一定程度上会得到改善。 1 ． 3 内燃机工作特性的影响 内燃机的工作特性是一旦负载突然增加， 其转速 就会随之下降； 一旦负载突然减小 ， 其转速就会随之增 加 。根据前面的分析 ， 当液压发电机组负载增加时 ， 系 统工作压力上升 ， 因为液压元件 内泄漏和压力管路容 积变化量的影响， 液压马达转速会降低， 需要提高供油 量来维持原转速 。这时内燃机转速因为负载增加而下 Hyd r a ul i c s Pne uma t i c s Se a l s ／ No ． 06． 2 0 1 5 降， 加大了液压马达转速降低幅度。 同样的道理， 当液压发电机组负载减小时， 系统工 作压力下降， 因为液压元件内泄漏和压力管路容积变 化量 的影响 ， 液压马达转速会升高 ， 需要减少供油量来 维持原转速 。这 时内燃 机转 速因为负载减小而上升 ， 加大了液压马达转速升高幅度 。 当其他条件相当时 ， 选择速度刚度更好或功率裕 量更 大的内燃 机做 原动机 ， 液压发 电机组瞬态指标会 更好 。一般车载液压发 电的最大功率为车辆内燃机功 率的 1 ／ 3以下为宜。 2 提高液压发电机组瞬态指标控制策略 2 ． 1提高液压发电机组瞬态指标控制方案 如图 2 所示 ， 针对瞬态指标要求高 、 压力管路长的 液压 发电机组 ， 在液 压马达附近安 装如图所示的液压 元件 。 在液压发电机组正常工作时， 液压马达进口一直 有一部分油液直接通过分流用节流 阀2和分流 电磁换 向阀3 直接回油。突加 1 0 0 ％载荷时， 图2 中的分流电 磁换 向阀 3 迅速换 向， 这时原来分流的油液在最短时间 内补充到液压马达进油 口， 如果时间足够短 ， 就能有效 改善突加载荷时液压马达转速的变化量， 即改善液压 发 电机组 的突加瞬态指标 ； 反应时间起决定作用。 卜泄压 电磁换 向阀2 一 分流用节流 阀3 一 分流 电磁换 向阀4 一 液压 马达 图2利用分流原理提高液压发电机组瞬态指标原理图 当液压发 电机组满载荷工作 时 ， 液压系统压力这 时较高。如果液压发 电机组负载突然减小至 0 时 ， 泄压 电磁换向阀1 快速换向， 这时液压马达进油口的一部分 油液会通过泄压 电磁换向阀 1 直接流人 回油管路 ， 不再 通过液压马达 ， 使得液压马达因为发电机负载突然减 小产生的速度上升变化量得到有效控制。改善了液压 发电机组的突减瞬态指标 。 为在系统正常工作时存在分流口， 所以系统效率降低， 发 热量增 加。经试验验证 ， 能够在一定程度上改善液 压发电机组瞬态指标。 2 ． 2 电磁换向阀加速换 向控制策略 影响液压系统反应时间的因素之一是 电磁换向阀 的换 向时间 ， 换 向时间快 ， 分流的油液就能快速供给液 压马达 ， 液压马达转速下降幅度就越小 ， 发电机突加瞬 态指标就会更理想 。因为交流电磁换 向阀和比例方向 阀的换 向时间 比直流 电磁换 向阀快 ， 所 以分流 电磁换 向阀 3 和泄压 电磁换 向阀 1 应该选择交 流电磁换 向阀 或 比例方 向阀 。 图 3 所示 ， 为某液压发 电机组突加频率 曲线 图 ， 在 其他工况保持不变的前提下， 采用提高液压发电机组 瞬态指标控制方案后 ， 同一液压 发电机组 突加 频率曲 线如图4 所示 ， 突加指标 由 1 7 ． 2 ％提高至8 ． 2 2 ％。 时问 ／ s 图3未实施提高瞬态指标技术时液压发电机组突加频率曲线 N 褥 图4 实施提高瞬态指标技术时液压发电机组突加频率曲线 3 结论 为 了提高液压发 电机组 瞬态指标 ， 选择速度 刚度 更好或功率裕量更大的内燃机做原动机， 选择液压元 件内泄漏量随工 作压力变化较小的液压元 件 ， 液压 系 统额定工作压力越低 ， 即同样发电功率 ， 液压马达排量 越大 ， 高压管路越短， 液压发电瞬态指标越好。如果液 压发 电瞬态指标要求较 高 ， 可适 当采用提高液压发 电 机组瞬态指标控制方案。提高液压发电机组瞬态指标 的控制策略对于各种控制方式的液压发电机组均可 借鉴。 参考文献 该方案的优点是回路较简单 ， 可靠性更高。但因 [ 1 】 李进． 电源车动力系统控制策略研究[J 1． 内燃机学报，2 0 0 3 ， 4 3 液 压 气 动 与 疆 封 ／ 20 1 5年 第0 6期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 6 ． 0 1 6 某型控制阀故障分析与改进 王海玲， 李文， 朱海军 南京机电液压工程研究 中心 ， 航空机电系统综合航空科技重点实验室 ， 江苏 南京2 1 0 0 6 1 摘 要 控制阀在模拟飞机地面P B I T自检时， 出现了返程不工作故障， 针对控制阀工作原理进行分析， 检查出故障原因， 并通过试验验 证故障解决措施的正确性。 关键字 控制阀； 故障分析； 排故 ； 改进 中图分类号 T H1 3 8 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 6 ～ 0 0 4 4 0 3 Fa i l u r e An a l ys i s a n d I mp r o v e me n t o n t he Co n t r o l va l v e W A NGHa i l i n g , L IW e n ， Z HUHa i -j u n Na n j i n g E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e o f Ai r c r a f t S y s t e ms ， J i a n g s u ， A v i a t i o n Ke y L a b o r a t o r y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o n Ae r o E l e c t r o me c h a n i c a l S y s t e m I n t e g r a t i o n ， Na n j i n g 2 1 0 0 6 1 ， C h i n a Abs t r a c t F a i l u r e o f Co n t r o l -- v a l v e wo r k s t o p p e d o c c u r s wh e n Co n t r o l - - v a l v e s i mu l a t e t h e P BI T ． Th e wo r k i n g p r i n c i p l e o f t h e Co n t r o l - v a l v e i s a n a l y z e d ， a n d t h e r e a s o n i s f o u n d o u t wi t h r e p r o d u c i n g t h e f a i l u r e ． T h e c o r r e c t n e s s o f s o l u t i o n s i s v a l i d a t e d t h r o u g h e x p e r i me n t a t i o n ． Ke y wo r d s c o n t r o l v a l v e ； f a i l u r e a n a l y s i s ； t r o u b l e s h o o t i n g ； i mp r o v e me n U 引 吾 随着航空技术 的蓬勃发展 ， 航 空器性 能的不断提 高 ， 飞机的飞行控制系统 ， 其关键技术领域也一直在进 行着一系列的革新” 1 。 液压 阀作为机械 、 电子和液压技术相结合 的高度 精密部件， 综合了多方面的特点， 具有控制精度高、 响 应快 、 信号处理灵活 、 输出功率 大和结构 紧凑等优点 ， 是飞机液压系统的核心部件 ， 它 的性能直接影响甚 至 决定整个飞机液压系统的性能 。 本文主要针对某型控制阀的一例故障原因进行了 深人分析 ， 指 出了控制 阀的设计缺陷 ， 提出了改进 措施 。 1 故障现象 控制 阀产 品分别进行低速上仰 、 低速下俯 、 高速上 仰、 高速下俯 1 0 个循环 ， 卸压升压后再 1 0 个循环的工 收稿 日期 2 0 1 4 1 1 一 】 3 作者简介 王海玲 1 9 8 2 一 ， 女， 江西上饶人， 工程师， 硕士， 主要研究方 向为 电液伺 服阀设计 。 5 3 6 5 3 6 8 ． [ 2 】 夏胜枝． 新型特种电源车的系统方案与性能研究[ J ] ． 液压与 气动， 2 0 0 3 ， 7 1 8 2 1 ． 【 3 ] 张春润． 一种 自发电电源车中液压系统的设计[ J 】 ． 液压与气 动， 2 0 04 ， 8 1 0 - 1 1 ． 【 4 】 G B f r 2 8 2 0 ．5 - 2 0 0 9 ，往复式内燃机驱动的交流发电机组【 s ] ． 44 作 ， 工作正 常 。将产 品模拟 飞机地面 P B I T自检顺 序 即左低上仰、 左低下俯， 右低上仰、 右低下俯 ， 双低上 仰 、 双低下俯 、 双高上仰 、 双高下俯 正常工作 2 1 个 循 环 ， 在第2 2 个循环双低下俯时出现只返程不工作的 故障。 降低 供油压力 至 1 5 MP a ， 进行模 拟 P B I T自检 ， 在 右低下俯 时出现故 障 ， 不能返 回。升压至 2 1 MP a ， 故障 保持。 2 结构与工作原理 2 ． 1正常操纵模态 如图 1 所示为控制阀的工作原理图。当液压源正 常 ， 手动摇臂无输人位移 ， 上／ 下配平保 险电磁 阀和上／ 下配平控制 电磁 阀都没有通 电时 ， 控制 阀上仰 口A与 下俯 口B 之间无流量输出 ， 压力释放 口C 无压力输 出。 当上仰配平保险电磁阀和上仰配平控制电磁阀都 通电的情况下 ， 控制阀有流量输 出 ， 流量方向为由上仰 口A至下俯 口B， 压力释放 口C有压力输 出。当下俯配 平保险电磁阀和下俯配平控制电磁阀都得电的情况 下 ， 控制 阀有流量输 出， 流量方 向为由下俯 口B至上仰 [ 5 】 吴根茂， 等． 新编实用电液比例液压技术【 M】 ． 杭州 浙江大学 出版社， 2 0 0 6 ． [ 6 ] 宁璐， 等． 车载发电液压传动系统的建模与仿真分析f J 1 ． 系统 仿真学报， 2 0 1 1 ， 增刊1 5 9 6 4 ． 【 7 ] 张宝峰， 等． 车载液压发电动力系统控制策略研究[ J 】 ． 天津理 工大学学报， 2 0 0 9 ， 6 4 9 5 2 ．