多执行器载荷差异储能均衡系统特性

针对阀控多执行器复合作业系统节流损失大、动势能浪费严重等问题,提出一种多执行器载荷差异储能均衡原理。首先对多执行器系统功率分配特性进行分析,明确了载荷差异产生节流损失的原因是动力源压力与最大负载相匹配,导致其他执行器控制阀产生过大的压力损失。然后建立了载荷储能均衡液压挖掘机联合仿真模型。并设计电液储能单元控制各执行器进油腔的压力相等,从而消除执行器载荷差异造成的节流损失。在动臂、铲斗同时动作时,与流量匹配系统相比,所提系统节流损失降低达75%,系统效率提升39%;同时,电液储能单元实现了传统压力补偿器的压差调控功能,显著提升了系统运行平稳性。

集成储能挖掘机动臂液压缸运动特性优化

集成储能液压缸是一种多腔液压缸,由差动缸和柱塞缸组合形成。其储能腔与蓄能器直接连接,形成储能回路,用于回收再利用动臂势能,具有高效的势能再生利用和广泛适用性,但蓄能器的引入使其难以实现高精度运行。为了解决上述问题,提出了一种主回路和储能回路协同控制的方案,在储能回路中引入比例阀,并与主回路阀协同控制,以改善挖掘机动臂的运动特性。通过在SimulationX软件环境中建立挖掘机的联合仿真模型,分析并对比采用该方案与采用传统控制方案下的动臂运动特性。结果表明,该方案可以降低蓄能器对动臂运动特性的影响,并提升集成储能液压缸的速度和位移控制精度。

电液比例方向阀阀芯及流道结构优化

电液比例方向阀作为液压系统的关键元件,对系统控制性能起关键作用。以某型号电液比例方向阀为研究对象,针对主阀芯凹角处漩涡和进出油口处阀芯所受径向力不均匀问题,提出在阀芯凸肩处增加上下双斜边加圆弧的阀芯结构、进出油口流道设计为圆弧型的结构优化方法。研究中,首先建立了电液比例方向阀的三维模型,并对内部流场进行抽取,采用Fluent软件对不同结构的电液比例方向阀内部流场进行仿真和分析。研究表明,在主阀芯阀口开度一定,入口压力相同的条件下,随着上斜边夹角增大,阀芯凹角处最低压力明显增大,最大湍动能明显减小,有效地抑制了漩涡产生和发展。通过圆弧形流道设计,在不同进口压力和不同阀口开度下,阀芯所受径向力均有所减小,为电液比例方向阀结构优化提供理论基础。

闭式泵控液压-机械直线执行器的离散PID控制

液压驱动因其功率密度高、直线输出力大,广泛应用于装备制造领域。但非对称液压缸受两腔面积差的制约,在阀控系统中需要用非对称阀控制,在闭式泵控系统中需要增加额外的补油回路。而电动缸具有对称的输出力和较高的能效,解决了非对称液压缸面积差的影响,但功率密度低使电动缸难以满足低转速大扭矩的高负载工况。针对上述问题,提出了液压回转与机械直线转换相结合的新型驱动方式,采用闭式泵控马达驱动滚珠丝杠带动活塞杆动作。由于在闭环控制中单一的PID难以满足全负载工况,系统采用局部最小化优化方法自动寻找最优PID参数,生成离散PID图表并根据负载自动选择对应的PID参数控制以减小负载干扰。结果表明:离散PID自动调定的系统能避免负载变化产生较大干扰,在变负载和目标位移情况下,离散PID参数自动调整的响应曲线阶跃下降和上升的稳态误差最大分别为4.5 mm、3.0 mm。

基于转矩控制的变转速定量泵的运行特性研究

采用变转速电机驱动定量泵作为电液动力源时,通过控制转速来实现压力控制,难以适应负载流量快速变化的工况。而采用伺服电机通过直接转矩控制的方法驱动定量泵实现压力控制,与变转速控制压力相比,具有动态响应更快的优点。但受转速等非线性因素影响,使得转矩与压力具有非线性对应关系,在开环控制时,压力控制偏差较大。为此,在开环控制压力时,采用可以迭代离线生成的转速、压力控制偏差二维图表来进行转速补偿。通过理论分析与数字仿真进行研究,结果表明,在相同条件下,与用拟合曲线进行转速补偿的压力控制方案相比,该方案的压力控制误差降低为2%,可以更好的实现压力控制。

电液伺服增压系统压力冲击抑制方法研究

传统阀控增压系统通过开环控制换向阀来控制双作用增压缸高频次往复运动进而达到高压容腔的工作压力,但开环控制换向阀频繁阶跃换向会导致巨大的压力冲击,易造成系统元件损坏与管路破裂等问题,影响系统稳定性和可靠性。因此,基于增压缸位置闭环与主动调节液压泵输出压力的复合控制策略连续调节换向阀的阀芯位移,从而减小增压缸系统工作过程中液压冲击。利用多学科仿真软件SimulationX搭建所提增压系统液压仿真模型,与传统阀控增压系统试验所得曲线对比。结果表明:所提系统增压缸油腔刚启动时压力冲击由19.45 MPa降低为7 MPa,运行过程中增压缸油腔压力冲击由4.8 MPa降低为1.11 MPa,液压泵压力冲击由18.3 MPa降低为2.8 MPa。此方法可有效降低增压系统压力冲击,具有良好的减缓冲击效果,有助于增强系统可靠性,延长元件及系统寿命,降低运维成本。

基于三容腔液压缸的装载机举升系统能效特性

为消除装载机阀控液压系统在举升和下降过程产生的节流和溢流损失,并回收举升过程中积累的重力势能,提出由三腔液压缸和闭式泵控组合的高能效液压驱动系统。首先,将现有非对称液压缸中的柱塞杆改为中空结构,设计中空腔室柱塞腔与有杆腔的面积相等,两腔室直接与液压泵进油口和出油口相连,构成闭式泵控回路,第三腔室直接与蓄能器相连,构成液气储能单元;然后,根据工作原理和理论分析初步确定系统基本元件的参数,构建所提出的系统的多学科联合仿真模型,通过动态特性的仿真分析,验证系统的可行性;最后,搭建高能效液压驱动系统试验样机验证仿真结果的准确性,并分析不同势能回收腔压力对系统能效和特性的影响。研究结果表明:采用闭式泵控液压系统,不仅完全消除了节流损失,还通过伺服电机驱动定排量液压泵,实现了动臂液压系统供需流量匹配;蓄能器与液压缸第三腔重力势能回收腔直接相连,下降过程中可直接回收利用举升系统动力势能,当此腔压力为5 MPa时,所提系统能量回收效率最高,可达79.4%。

液电混合直线驱动系统位置控制特性研究

提出了一种采用电机械直线执行器和液压缸的液电混合直线驱动系统。为消除电机械直线执行器和液压缸之间的耦合影响,液压泵和比例阀协同控制液压缸输出力和运行方向,满足系统负载力需求,电机械直线执行器用于运动控制,并补偿液压缸输出力波动和外部干扰力。为实现上述目标,设计了基于扩张状态观测器的电机械直线执行器自适应滑模控制方法,以估计的负载力调节泵压力和比例阀开度,对液压缸输出力进行调控。比例阀在系统运行中主要用于控制液压缸运动方向,阀开度较大,可显著降低节流损失。通过仿真和试验分析了系统的运行特性和能效特性。结果表明,该系统具有良好的位置控制特性,能量效率高,较传统阀控系统能耗减少51%。

纯电驱液压挖掘机复合动作电液能量回收再利用系统研究

为了改善纯电驱液压挖掘机工作过程中大量能量浪费的情况,提出一种基于超级电容和蓄能器的挖掘机复合动作能量回收与再利用系统。首先对该系统的主要元件进行参数匹配和泄漏分析,然后基于SimulationX平台建立某6 t纯电驱液压挖掘机能量回收再利用系统仿真模型,对标准工况下的一个循环周期进行运行及能耗特性的仿真研究。结果表明,该系统比原纯电驱液压挖掘机系统实现了29%的节能,达到了良好的节能效果。

基于变排量液压泵/马达的电液混合驱动曳引电梯节能系统研究

在普通曳引电梯运行过程中,当处于轻载上行和重载下行工况,曳引机处于发电状态,再生能量通过制动电阻消耗掉,不仅造成了能量的浪费,而且还增加了机房的散热负担。为解决上述问题,提出并设计了一种采用变排量液压泵/马达的电液混合驱动曳引电梯节能系统。该系统可将曳引机处于发电状态时产生的能量储存在蓄能器中,当电梯处于电动状态时,蓄能器能量释放,辅助曳引机驱动。研究中,在SimualtionX中建立了考虑蓄能器压力脉动及曳引机负载转矩变化的电-液联合仿真模型,并基于曳引机的运行特性,建立了变量泵/马达的流量动态模型。仿真获取了曳引机的能耗及转矩的特性,并与传统电梯及采用定排量泵/马达节能系统电梯的电机能耗进行比对分析。结果表明,采用变排量液压泵/马达来吸收和释放电梯运行时所产生的能量能够最大限度的达到能量的回收利用,与定排量节能曳引电梯相比,节能效果可达到10%~40%。

液电混合高能效直线驱动系统控制及仿真分析

现有电液控制系统为控制液压缸位置,采用比例阀或伺服阀,造成了非常大的节流损失。为改善能效,提出了一种采用电-机械执行器和液压缸的新型液-电混合驱动系统,电-机械执行器用于控制负载运行速度和位置,主要克服惯性力;液压缸主要克服外负载力。为了抑制二者之间的耦合影响,电-机械执行器采用位置闭环控制,并在转矩环补偿干扰力。控制阀主要起液压缸换向作用,节流损失很小,以设定的电-机械直线执行器输出力阈值为基础,通过调节泵压力(液压缸进油压力)或阀开口(液压缸回油压力)控制液压缸输出力。研究结果表明,所提系统具有与阀控缸系统相同高的控制精度,并可大幅减小节流损失。与阀控缸系统相比,液电混合驱动系统能效提升了43.1%。

有源先导级控制的电液比例流量阀特性研究

针对现有技术采用压差补偿器或插装式流量传感器控制流量,会降低阀的通流能力,增加系统的功率损失和发热;大流量场合只能通过阀开口面积间接控制流量,受负载变化影响控制精度低;低工作压力范围可控性差、动态响应慢;大通径采用三级结构,构造复杂等问题,提出用小功率伺服电动机驱动小排量液压泵/马达(有源)、结合液压晶体管(Valvistor),构造新的低能耗、高可控的电液比例流量阀。该方法可扩大阀的流量控制范围,提高阀在低压时的动态响应。建立阀的静态数学模型,分析获得影响阀负载流量特性最主要的因素是反馈节流槽预开口量大小;进一步建立阀的动态数学模型,获得主阀芯稳定条件。根据阀的结构组成,建立阀的仿真模型,仿真分析主阀各参数对主阀性能的影响。结果表明,反馈节流槽预开口量越小,主阀负载流量特性越好;主阀口压降越大,主阀芯响应越快;但由动态数学模型可知主阀口压降太大且先导流量较小时,阀的稳定性也会降低。研究也表明,在保证主阀良好的动态特性前提下,可通过使先导泵/马达转速随负载压力变化,实现对阀的流量补偿,从而改善阀的负载流量特性。

电-液混合驱动曳引电梯特性及能效分析

电梯作为高层建筑运输人及货物的设备,自发明至今一直为人们的出行提供便捷;但诸多研究表明电梯能耗占高层建筑总能耗的20%左右,尤其是在能源供需矛盾日益突出的今天,电梯能耗已成为制约其发展和应用的主要问题。为降低电梯能耗,达到电梯节能运行的目的,结合曳引电梯的结构特点、运行特性及能耗特性,提出并设计一种新型的电-液混合驱动高能效曳引电梯节能系统。对传统电梯的运行特性进行分析,进而对提出的新型节能原理进行分析。建立曳引电梯能耗的仿真模型,并对传统电梯和节能电梯运行过程中的能耗进行仿真分析,仿真结果表明新型节能系统的节能效果明显。搭建电梯节能综合试验平台,通过在高层建筑进行能耗试验,验证仿真模型的准确性,试验结果表明新型节能系统的节能效率约为10%～14%。本文的研究成果不但是曳引电梯节能方面的发展方向之一,而且在其他垂直提升机械中也具有较好的应用前景。

用于纯电驱液压挖掘机的双向DC/DC变换器储能系统

为进一步提高纯电驱液压挖掘机的能量利用率且降低电源功率波动,针对变转速纯电驱液压挖掘机的动力系统,使用非隔离双向DC/DC变换器及超级电容组进行电力能量回收及利用。在SimulationX中,使用全纹波建模方法,建立了基于等效电阻的半桥变换器及超级电容组储能系统的模型,设计了各元件参数及其控制器,提出了一种适应性控制方法。仿真过程中,通过给定伺服电机设定的变转速信号及转矩信号模拟电机功率波动,使双向DC/DC变换器储能系统自动补偿或吸收电源功率。仿真结果表明,采用该控制器,在保证电机功率与超级电容效率的前提下,能够较好地维持恒定的输出电源功率,并能保证较快的动态响应及减小切换过程中的功率波动。

新型高速开关转阀性能分析

最近,美国明尼苏达州立大学研究人员提出一种高速开关转阀,该高速开关转阀具有流量大、频率高、寿命长等优点,但该阀阀芯转速不稳定,尤其当小流量工况时,阀芯转速急剧下降,从而导致其不能正常工作。在其研究基础上提出一种改进方案,该方案主要由阀芯和阀套构成,阀芯旋转运动由步进电机驱动,改变阀套轴向位移调节PWM占空比。为了验证该方案的可行性,在多域仿真软件Simulation X3.5中搭建相应的仿真模型,继而对其压力、流量和效率等性能进行分析,计算结果表明改进后的高速开关转阀转速稳定,流量特性好,效率高。

纯电驱液压挖掘机电气式动臂势能回收再利用系统研究

针对纯电驱液压挖掘机传统的动臂电气式回收系统无法实现回收能量再利用的问题,提出一种势能回收再利用系统。以某型6 t纯电驱液压挖掘机为研究对象,对其回收系统各主要元件进行了参数匹配与损耗研究,基于SimulationX平台建立起该系统机电液联合仿真模型,对系统的动态特性与能耗特性进行了仿真研究。结果表明,系统在动臂下落时回收能量效率达到了60%。相比普通纯电驱液压挖掘机的动臂系统实现了21.8%的节能,该项研究实现了动臂回收能量的再利用。

闭式泵控液压机运行与能效特性

液压机的特点是滑块质量大,工进负载力大,其滑块空程下放造成了重力势能、动能等能量的浪费。为了回收利用这部分能量并且降低电机转矩,基于“伺服电机+定量泵”的闭式泵控方案,提出了带超级电容储能系统的双排量泵/马达闭式驱动液压机方案,并制定能量管理策略对能量进行回收与再利用。搭建了液压机试验台,试验结果表明,储能系统的能量回收效率为79.3%;进一步开展仿真研究,基于SimulationX多学科仿真软件,构建了液压机的多学科仿真模型,仿真结果表明,双排量泵能大幅度降低电机转矩,储能系统能够减少液压机整机6.9%的能耗。

非对称泵控单出杆液压缸系统特性分析

为了提高液压系统能量效率,闭式泵控技术是最直接的方法。但单出杆液压缸流量不匹配是闭式泵控系统亟需解决的问题。为此,提出一种变转速定量泵-变量泵结合的闭式泵控系统,通过控制变量泵的排量来匹配液压缸两腔的不对称流量,从而减小甚至消除补油流量。在多学科仿真软件SimulationX中搭载了单泵控系统模型、非对称泵控系统模型和定量泵-变量泵结合的闭式泵控系统模型,分析对比了3个系统对不对称流量的匹配性能及在四象限工况中能效特性,并讨论负载变化对液压缸速度的影响。仿真结果表明,新系统可以完全平衡不对称流量,且能量利用率高,且在负载变化时,速度波动小。

纯电驱液压挖掘机动力源特性试验研究（英文）

现有工程机械主要以柴油发动机为原动机,存在燃油效率低,排放严重等问题,新的趋势是采用电动方式代替内燃方式。采用变速异步电动机驱动定量泵作为动力源,针对变频异步电动机动态响应较慢的问题,提出在定量泵出口增设液压蓄能器并将其油液引入液压泵入口的方法,提高电动机动态响应。建立采用蓄能器辅助起制动后电驱动力源的试验系统,对比分析了有无蓄能器辅助时液压泵的起制动特性。在此基础上,将这一动力源用于驱动进出口独立控制的液压挖掘机,对动臂运行特性和能耗特性进行试验研究。与发动机驱动系统相比,采用新型电驱动方式,实现同样的操纵性能,可降低动臂运行成本50%,并显著降低供电电源峰值电流。

旋挖钻机卷扬装置电液混合驱动系统特性

现有旋挖钻机卷扬系统是由阀控液压马达驱动。作业过程中,该系统存在非常大的节流损失;而且工作装置下放过程中,大量重力势能经控制阀节流作用转化为热能耗散掉,造成整机能效较低。为此,提出一种卷扬装置电液混合驱动系统,电动机作为主驱动,控制工作装置运动,降低节流损失;液压泵/马达与蓄能器等组合,构成能量回收单元,回收利用重力势能,辅助电动机驱动卷扬装置。分析了液压卷扬、电动卷扬与电液混合驱动卷扬系统的工作原理和运行特性,建立了旋挖钻机机电液多学科联合仿真模型,对不同驱动系统的运行和能量特性进行研究。结果表明,电液混合驱动系统具有良好的运行特性,相较于液压、电动驱动的卷扬系统,可节能27%~66%。