叉车电能和液压能回收系统对比研究.pdf

液 压 气 动 与 密 f ／20 1 4爿 1 2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 4 ． 1 2 ． 0 1 3 叉车电能和液压能回收系统对比研究 张文亭 陕西工业职业技术学院 机械工程学院， 陕西 咸阳 7 1 2 0 0 0 摘 要 该文主要研究叉车电能和液压能回收系统， 对比分析了两种系统的区别 ， 设计了两种回收系统的测试装置。通过试验测试和 软件分析计算出了在不同条件下两种系统的能量回收率， 然后从回收率的角度指出了两种系统的应用场合。 关键词 液压能回收； 电能量回收； 液压蓄能器 ； 叉车； 液压系统 中图分类号 T H1 3 7 ． 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 l 3 2 O 1 4 1 2 - 0 0 3 8 - 0 4 Co mp a ris o n S t u d y o n El e c t ric a n d Hy d r a u l i c En e r g y Re c o v e r y S y s t e ms i n a Fo r kl i ZHANG We n t i n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S h a a n x i P o l y t e c h n i c I n s t i t u t e ， Xi a n y a n g 7 1 2 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r s t u d i e s e l e c t r i c a n d h y d r a u l i c e n e r g y r e c o v e r y s y s t e ms i n a f o r k l i f t ， a n a l y z e s t h e d i ffe r e n c e s b e t we e n t h e t wo s y s t e ms ， d e s i g n s t h e t wo r e c o v e ry s y s t e m t e s t d e v i c e ． T h r o u g h t e s t i n g a n d s o ft wa r e an a l y z i n g， c a l c u l a t e s t h e r a t i o o f the tw o e n e r g y r e c o v e ry s y s t e m u n d e r d i ffe r e n t c o n d i t i o n s ， t h e n i n d i c a t e s t h e a p p l i c a t i o n o f t h e tw o s y s t e ms f r o m t h e r e c o v e ry r a t i o ． Ke y wo r d s h y dra u l i c e n e r gy r e c o v e ry ； e l e c t r i c e n e r g y r e c o v e r y； h y dr a u l i c a c c u mu l a t o r s ； f o r k l i f t ； h y dr a u l i c s y s t e m O 引言 提高能源利用效 率和节约使用能源 已成为全球重 要 的研究主题 。为减少机 器的能源消耗 ， 要 么提高机 器的能耗效率， 要么把过程中丢失的能量进行再次利 用。在许多情况下 ， 可以通过利用机器潜在的能量来 实现能源再利用 ] 。 叉车的工作过程包括叉取 、 升降、 堆垛等工序 ， 货 物下降时有势能变化 ， 为能源的再生利用提供 了机 会 。移动设备能量 回收常见的是利用 电能进行 ， 此类 系统通常包括电机 、 逆变器、 开关 电源转换器、 电池 、 电 容等 。这种系统的优点是控制灵活 、 个体 紧凑 、 能源 利用效率较高 。叉车系统也会采用直接或间接的液压 能回收系统。间接液压储能系统一般由液压泵马达、 可控电机和蓄能器等组成， 该系统的控制灵活性可以 基金项目 上海市教委重点学科资助项目 J 5 0 6 0 3 ； 上海海事大学“ 学术 新人” 基金 YX R 2 0 1 4 0 1 8 收稿 日期 2 0 1 4 1 0 1 2 作者简介 张文亭 1 9 8 0 一 ， 男 ， 陕西延长人， 讲师， 硕士， 主要从事机电 设备及其控制技术方面的教学与研究。 0 跟电能 回收系统媲美 ， 其首先将液压能转换成机械能 ， 然后回到液压能 ， 需要多次的能量转化。而直接液压 能回收系统在能量 回收阶段不需要把液压能转换成电 能进行储存 ， 释放时也不存在把电能转换成液压能。 跟间接 回收系统相比， 直接储存液压 能有很多 的限制 ， 因此需要使用数字阀块 D F C U 在能量释放阶段来控 制执行件的运行速度 。 本文研究的是在有效 负载情况下叉车货叉下降过 程 中进行能量 回收时 ， 电能 回收系统和液压能直接 回 收系统在效率方面的问题 ， 另外把两个 系统 的运行特 性进行了分析。 1 测试系统 1 ． 1 电能回收 系统 如图1 中所示的原理图， 不是采用传统的比例阀， 而是用 电机驱动器直接控制定量泵 的转速 ， 进 而控制 液压缸活塞 的运动 。两位两通电磁换 向阀可以防止负 载在停止时下降， 起到安全保护作用。在上升时， 液压 泵产生流量取决于电机的旋转速度， 而下降时， 势能迫 使液压泵 马达 旋转， 带动电机旋转进行发电。转换 f 5 】 林玮， 苗明， 李丽． 液气缓冲器节流阀的参数优化【 J 】 ． 起重运 输机械， 2 0 0 7 ， f 8 3 3 3 6 ． 【 6 】 黄运华， 李芾 ， 廖小平， 等． 机车车辆液气缓冲器特性研究 铁道学报， 2 0 0 5 ， 5 3 1 3 5 ． 【 7 】 严金坤． 液压动力控制【 M] ． 上海 上海交通大学出版社 ， 1 9 8 6 ． [ 8 】 盛敬超， O t h e r s ． 液压流体力学[ M ] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 0 ． [ 9 ]9 章一明． 液压缓冲器设计参数研究[ J ] ． 华东冶金学院学报， 1 9 9 4 ， 3 5 4 5 8 ． 【 1 o ]李芾， 黄运华， 傅茂海． 液气缓冲器原理及其特性分析f J 】 ． 铁 道机车车辆， 2 0 0 5 ， 3 ． Hy d r a u l i c s P n e u ma t i C S S e a l s ／ No ． 1 2 ． 2 01 4 器控制发电机的转矩， 并将整流所产生的电能供给直 流回路。由于下降时间相对较短 约 1 0 s ， 对传统电池 的充 电效率 比较低 ， 为了对能量进行有效测量 ， 用制动 电阻来“ 储能” 。目前 ， 超级电容器是最适合用于快速 充电， 超级电容器充放电循环效率可达9 9 ％， 可用于估 算电能存储系统的循环效率。叉车电能回收系统中的 电压 和电流信号 的测量就是利用超级 电容来完成 的。 Ⅱ I 图 1 叉车电能回收 系统液压回路与 电路图 电能回收系统 由压力 、 转速 、 扭矩 、 位移 、 电压和电 流等测量装置组成。本文中的能耗是利用d S p a c e 软件 从 直流环节 中测得 的电流来计算 ， 另外还测量 了电机 的转速， 估算其转矩。 1 ． 2 液压能回收 系统 如图2 所示 ， 液压能量回收系统主要由蓄能器、 数 字流量控制单元 D F C U 等组成。蓄能器和油箱间的 流量可用 D F C U调节 。本研究使用 的蓄能器是活塞式 气体加载 蓄能器， 容量为4 L ， 这类蓄能器预加压力的 高低决定了其最大能量储存及 回收时的效率 。因此 ， 为实现高效运行 ， 其压力必须是可调的。D F C U基于控 制器可以控制 阀的打开与关闭来完成蓄能器 的充液与 释放 ， 另外可 以通过使用压力传感器 的数据来计算通 过的流量 。通过小孔的流量计算公式为 q 4 A p 1 式中 A 小孔过流断面面积； 小孔两端 的压力差 ； k 由孔 的形状 、 尺寸和液体的性质决定的 系数 。 通过油路把蓄能器接到泵的进油 口， 回收的能量 被用在接下来 的提升 阶段 ， 从 而减少 了泵 的进 出 口压 力差 ， 降低了电动机驱动泵的功率需求[4 1 。本文中， 通 过使用电池的测量电压和电流来计算出能量消耗的减 少值， 在计算时使用了M a t l a b 软件[71 。 1 ． 3 测试过程描述 测试分别在0 、 5 0 0 和 1 0 0 0 k g 的有效载荷下进行 ， 在两种能量 回收系统 中货叉的速度被设置为 0 ． 2 、 O ． 3 和 0 ． 4 m ／ s 。由于所用仪器 的最大测量 时间为 1 0 s ， 采样 时 间1 0 p s ， 因此行程距离限于 1 ． 6 m 。在第一个伸缩缸的 零负载提升区进行测量， 这样做是为了获得两个系统的 压力之间更好的对应关系， 因为门架的移动质量在零负 载提升区基本一样， 但在第二缸区有很大的不同 l 。 图2 叉车液压 能回收 系统简化图 在电能回收系统中， 由于使用功率分析仪的局限 性 ， 升降运动被分开测量。而在液压能回收系统中， 在 一 个循环中的连续的提升、 下降等阶段进行了每个点 的测量 。在工作循环 中的第一个提升阶段蓄能器是不 会提供辅助能量的， 而接下来的提升阶段都可利用下 降时储存在蓄能器中的能量 ] 。 1 ． 4 测试系统信息 两个系统之间的主要差异见表 1 。 表 1两个系统之间的主要差异 2 节能的分析评价 2 ． 1效率 效率作为时间的函数 T ／ t ， 通常被定义为输出 P 与输入 P j 功率之间的比值 D 叼 2 效率的测量非常困难 ， 而对于叉车， 我们对系统的 瞬时效率并不感兴趣 ， 但需要注重总的输出与输入能 量之比， 这是能源效率的定义。 2 。 2 能源效率 能源效率 一 在时间区间[t ， t ] 定义为 液 压 气 动 与 嗣 封 ／2 0 1 4年 第 1 2期 r 一 J ． t 1P d 一 o ut e r gy 』 P 出 “ 3 分析 3 3 ． 1 电能回收系统 E 和E 分别是该系统在 [t ， t ] 之间的总产出 能量和总输入能量。 2 ． 3 节能率 为了比较两个测试 系统的效率 ， 节约能源 比厂 定 义为 F F F ／ o ld -- ／ n e w 4 凸 d 其 中 ， E 砌是未进 行能量 回收叉车 的能量消耗 ， E 是进行能量回收后叉车的能量消耗。当进行能量 回收时 ， ， 就是描述可节省 的能量 比率 。 电能 回收系统中 E 及 分别定义为 E 。。d E ／ 叼 5 E ⋯ E 。 一 E 。 ‘ 叼 。 6 其中， E 是从电动机的输人的能量， 叩 是逆变 器 的效率 ， E 。 是所 回收的能量 ， 。 是超级 电容器 的 放电效率， 假设充电效率等于放电效率。因此， 电能回 收系统的节能率 ， 可以被定义为 F - 7 其 中， 叼 是超级容量电容器的充放 电效率 ， 逆变 器 的效率假定为常数 ， 等于9 5 ％。电能回收系统的 E 。 和E 一 的计算如下 E ．『 。 。 R d 8 t I t 2 E J 。 i b i o 。 d ￡ 9 l l 液压能回收系统中 定义为 厂 1 0 岫日 i s t e d E 一 是有液压能量 回收时 的能量消耗 ， 是从电池 组测量的电功率计算所得。E 一 i酬是无液压能量回收 时的能量消耗 。在这两种情况下能源消耗 的定义 如下 E f P d t f u 1 d t 1 1 f l I 1 其中， 、 ， 分别指电压和电流。由于 E是从离散 的测量计算得出， 因此方程 1 1 可以写成 Z k E ∑P ‘ A t ∑ ‘ ， A t 1 2 在这里 是采样间隔。 4 0 从表 2中可 以看 电能 回收系统 的能量 回收率 比较 低 ， 当负载增加和速度下降时略有提高 。无负载时没 有能量 回收 ， 此时下降过程 中电机工作在 电动模式而 不是 发 电模 式 。在 提 升 区 的最 大能 量储 存 比率 是 3 6 ％ 。 表 2 电能 回收 系统在不 同的速度和负载下能量 回收 率 货叉速度 s O ． 4 O ． 3 0 ． 2 O ％ 1 7 ％ 2 5 ％ O ％ 2 5 ％ 31 ％ 0 ％ 3 4％ 3 6 ％ 3 ． 2 液压能回收系统 液压能 回收率介于 0 ～ 4 5 ％之间 ， 无负载时， 无能量 回收。对负载进行预加优化可以提高其能量的回收 率 ， 但是负载需要在一定时间内保持持续稳定 。而在 可变负载的情况下就不方便每个都进行优化 ， 因此 ， 在 大多数情况下 的预负载压力设定将不是最佳 ， 表 3 数据 表明在在 1 0 0 0 k g 负载下使用 5 0 0 k g 的预加负载压力 时 ， 能量储存 比率会变低 ， 基本是 1 0 0 0 k g 预加负载压力 的一半。 表 3 液 压能回收系统在不 同的速度和负载下能量 回收 率 货叉速度c r n ， s 每个负载都为最佳预加载压力 O．4 O ％2 6 ％4 1 ％ O．3 O ％ 3 O ％ 4 2 ％ O ． 2 O ％ 3 1 ％ 4 5 ％ 只5 0 0 k g 负载为最佳预加载压力 O ． 4 O ％ 2 6 ％ 2 O ％ O ． 3 O ％ 3 O ％ 2 0 ％ O ． 2 0％ 3 1 ％ 2 2 ％ 3 ． 3 两个系统的差异 液压能量回收系统在每个负载都进行预加负载优 化时比电能回收系统表现得要好 见 图3 ， 电能回收系 统效率低的原因可以解释为由于运动行程短， 时间短， 运行部件 自重小不易驱动发 电系统。 4 结论 本文分析了在电液叉车系统中使用再生能源的可 能性。测试表明， 这个两种系统都可以回收系统中潜 在 的能量 。结果显示 ， 在液压能量 回收系统 中进行预 加负载参数优化可以最大达到4 5 ％fl ．量储存率。但是