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非对称液压泵闭式容积调控动臂势能利用技术

发布时间: 2018-05-15



阀控系统最大的问题就是有节流损失。怎么能够完全消除节流损失呢?其实美国人已经开了一个很好的头。美国普渡大学做了一个全泵的液压挖掘机,就是每一个执行器用一个液压泵采用闭式回路进行控制。那么整机呢?它采用了液压混合动力方式。有一个结果:采用这套系统以后,可以降低发动机的装机功率达50%,降低燃油消耗40%,提高生产效率70%。美国人说:这个技术可以说是工业界在21世界最伟大的发明之一,他们非常自豪。

存在的问题

但是这个技术要推广的话,还有一定的问题,我们也在这方面做了一些工作。我们看一下这个系统(图1):系统中泵是对称的泵,但缸是非对称的缸,这就要对非对称执行器两腔流量加以补偿。但是这种方式在负载压力发生转化的时候就会引起压力和速度发生很大的波动,这个也是目前好多研究机构在研究这个系统时致力于解决的一个问题。,可以参考电动液压泵的资料,

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图1 非对称液压缸容积调控势能直接转换技术

解决方案

我们就想:能不能用非对称泵来控制非对称缸解决这个问题呢?根据这个思想我们设计了一个非对称的泵,这个泵有三个油口,其中两个油口和这个非对称缸的流量平衡,另外一个油口和蓄能器相连,直接回收动臂下放的势能,这样就把能量回收和主驱动集成为一个单元,既可以驱动也可以回收负载势能。我们研究了两种回路,一种是改变泵排量的回路,一种是改变泵转速的回路(见图2)。

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江苏快3图2 非对称泵控制回路

下面是试验的控制原理。一种是没有速度前馈的闭环控制系统,一种就是带速度前馈的闭环控制系统。我们做了一个比较,如果带速度前馈的话,则既可以控制速度,同时也可以控制位置。图3是试验结果,左边的曲线液压缸行程分别是100mm、200mm和300mm,右边同样是100mm、200mm和300mm行程,但是采用速度和位置复合控制的结果。可以看出来左边这个速度是不受控制的,但右边最大的速度是一样的,说明,这种方式既可以控制速度,也可以控制位置。而且右边速度位移的曲线要比左边快一点,减小了当压差很小的时候造成的响应减慢的影响。

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图3 非对称泵控差动液压缸系统动态特性

不带位置反馈带位置反馈

我们也做了正弦信号的响应曲线,泵控做到±50mm行程、1Hz的响应是没有问题的。

方案比较

同时我们把上述的原理也用于控制挖掘机的动臂,并和采用传统液压缸进出口独立控制的系统做了比较,试验结果如图14和15中曲线所示。图4中蓝色是泵的压力、红色是液压缸无杆腔的压力。可以看出来:在动臂举升过程和下放过程中,采用进出口独立控制系统,泵和液压缸无杆腔压力均存在较大波动,并且存在较大节流损失。采用非对称泵容积调控系统,泵和液压缸油腔压力较稳定,不存在较大的压力波动,并且无节流损失。

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图4 控制挖掘机的的动臂的两种方案的对比

图5是这两种系统的能量和功率对比曲线,可以看出节能效果非常显著。整个举升和下放、还包括非工作周期过程,进出口独立控制系统消耗的能量是93。2千焦,而采用非对称泵控系统以后,只消耗了18。2千焦的能量,总的节能效果达到80%,其中举升过程节能效果是59%,下放过程中节能效果87%,80%是考虑到非工作周期后的节能效果。

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图5 进出口独立控制系统非对称泵控制系统(三油口泵)

总结

采用非对称泵闭式容积控制单出杆液压缸,可以有效解决液压缸两腔流量不对称问题,降低闭式驱动系统复杂性。由于非对称泵与单出杆液压缸流量完全匹配,可以提高负载方向频繁变化过程液压缸运行的平稳性。用于驱动液压挖掘机斗杆时,在负载力大小及方向发生变化时,单出杆液压缸速度不受影响,系统运行比较平稳,与进出口独立系统相比,斗杆液压缸一次完整伸出和回缩过程,可降低系统能耗70%以上。当将非对称泵的一个油口连接蓄能器时,则系统可以高效回收执行器工作过程中的动势能,用于驱动液压挖掘机动臂时,可回收工作装置的重力势能80%左右。