翟富剛 趙桂春 魏立忠 姚 靜,2 李冬明

1.燕山大學(xué)機械工程學(xué)院，秦皇島，0660042.燕山大學(xué)河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室，秦皇島，0660043.江蘇恒立液壓股份有限公司，常州，213000

0 引言

近年，“節(jié)能與環(huán)保”逐漸成為各行各業(yè)重視的主題。隨著我國制造業(yè)的迅速發(fā)展，鍛壓設(shè)備在制造領(lǐng)域中扮演著越來越重要的角色，綠色制造已成為鍛壓生產(chǎn)的發(fā)展趨勢。鍛造操作機作為鍛造車間實現(xiàn)鍛造機械化與自動化的重要設(shè)備，其夾鉗下降動作過程中重力勢能和大車行走制動過程中慣性勢能全部轉(zhuǎn)換為節(jié)流損失和溢流損失。因此，面對鍛造操作機多個執(zhí)行器動作過程存在能量損耗的問題，亟需探尋一種新原理去實現(xiàn)各種動作下的能量回收以節(jié)能降耗。

國內(nèi)外學(xué)者對機械設(shè)備或工程機械的液壓系統(tǒng)能耗分析和節(jié)能技術(shù)做了大量研究：通過對液壓泵和液壓馬達(dá)效率的研究，提出基于回轉(zhuǎn)馬達(dá)效率的變量馬達(dá)和變量泵容積調(diào)速回轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制策略，使油耗量下降了16.5%，實現(xiàn)了系統(tǒng)的節(jié)能[1]；裝有液壓蓄能器的二次調(diào)節(jié)液壓抽油機可以減少50%的裝機功率，相對相同功率的抽油機減少近50%的耗電量[2]；電動液壓混合系統(tǒng)的應(yīng)用、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能控制的運用等實現(xiàn)了挖掘機液壓系統(tǒng)的節(jié)能[3-4]。針對機械設(shè)備液壓系統(tǒng)的節(jié)能控制的研究成果還有很多[5-9]，如負(fù)載敏感系統(tǒng)、正流量系統(tǒng)、負(fù)流量系統(tǒng)、比例變量泵系統(tǒng)、變頻液壓控制等。上述研究從元件、系統(tǒng)和控制策略等方面實現(xiàn)了機械設(shè)備的節(jié)能目的。還有學(xué)者對系統(tǒng)能量回收進行了研究，其中，流量補償位置閉環(huán)控制方式下正弦泵控液壓控制系統(tǒng)能量回收率達(dá)80%以上[10]；采用蓄能器進行能量回收的新型液壓系統(tǒng)，通過實驗驗證了其回收能量為22%～59%[11]；二次調(diào)節(jié)技術(shù)應(yīng)用于叉車上，系統(tǒng)節(jié)能43%[12]；基于動臂液壓缸-蓄能器平衡的能量回收再利用系統(tǒng)方案比原系統(tǒng)節(jié)能36.3%[13]。在液壓電梯中采用蓄能器-液壓泵/馬達(dá)壓力能量轉(zhuǎn)換裝置輸出能量和儲存能量，顯著地降低了系統(tǒng)裝機功率和能耗[14]。上述方案都較好地實現(xiàn)了節(jié)能，但鍛造操作機的工作狀態(tài)是多執(zhí)行器動作，夾鉗下降動作和大車行走動作都存在可回收能量，現(xiàn)有節(jié)能液壓系統(tǒng)僅關(guān)注單個執(zhí)行器能量回收方法，這雖然為研究鍛造操作機多執(zhí)行器能量回收提供了一定的理論指導(dǎo)，但仍需要在此基礎(chǔ)上探索一種新原理，實現(xiàn)對各個執(zhí)行器動作時分別進行能量回收。

本文借鑒多級壓力源液壓矩陣回路理念[15]，利用泵/馬達(dá)能量傳遞單元以及矩陣閥組的靈活組合，設(shè)計能量回收液壓系統(tǒng)以及恒定壓差的伺服控制方法。

1 液壓矩陣回路

液壓矩陣回路主要由閥矩陣、液壓源(流量源/壓力源)、執(zhí)行器(液壓缸/馬達(dá))、比例閥或者伺服閥、蓄能器等組成，如圖1所示。同普通的液壓傳動系統(tǒng)相比，液壓矩陣回路由于存在嵌入閥矩陣，其特性在原有液壓系統(tǒng)特點上拓展了許多。

圖1 液壓矩陣回路Fig.1 Hydraulic matrix circuit

閥矩陣可靈活控制，其組合具有多樣性，其元件標(biāo)準(zhǔn)化，可互換性強，因此能夠?qū)崿F(xiàn)液壓源、執(zhí)行器和儲能單元的匹配，具有很大的節(jié)能潛力。液壓矩陣回路基本特性可總結(jié)如下：節(jié)能性，冗余性，多功能性，可逆設(shè)計。

矩陣閥組是液壓矩陣回路的核心部分，矩陣閥組由互相垂直排列的兩組液壓管路組成，每組至少有m“行”、n“列”互相平行的液壓管路(m≥2、n≥2)，兩組液壓管路分屬不同層相疊排列，縱向排列的液壓管路組稱為“列”，橫向排列的液壓管路組成稱為“行”。在“行”和“列”間的每個交匯點處均用二通液壓閥連接。開啟交匯點處的二通插裝閥即可實現(xiàn)該點處“行”與“列”的連通。矩陣閥組的工作原理如圖2所示。

圖2 矩陣閥組的工作原理Fig.2 The working principle of the matrix valve group

2 系統(tǒng)原理

原鍛造操作機夾鉗下降液壓系統(tǒng)為典型的閥控缸系統(tǒng)，夾鉗下降動作過程中夾鉗及負(fù)載的重力勢能全部由比例閥節(jié)流損失掉；大車行走液壓系統(tǒng)為電液比例控制系統(tǒng)，電液比例換向閥控制用于驅(qū)動大車行走的液壓馬達(dá)，大車制動過程中，大車的慣性勢能由控制閥和回路中的溢流閥損失掉。

能量回收系統(tǒng)通過液壓矩陣回路實現(xiàn)，在回路中泵/馬達(dá)能量傳遞單元和蓄能器構(gòu)成能量回收裝置，通過矩陣閥組將液壓泵、蓄能器、執(zhí)行器等連接起來?？刂贫ㄩy的啟閉實現(xiàn)能量回收系統(tǒng)對不同執(zhí)行器動作過程中的能量回收。夾鉗下降時的重力勢能和大車行走的慣性勢能回收系統(tǒng)基本原理如圖3所示。

1.恒壓變量泵 2.電機 3.泵/馬達(dá)能量傳遞單元 4.矩陣閥組 5,6.蓄能器 7,8.換向閥 9.升降缸 10.馬達(dá)圖3 勢能回收實現(xiàn)原理Fig.3 The realizing principle of the potential energy recovery

利用矩陣閥組的靈活控制，實現(xiàn)不同執(zhí)行器動作時，不同形式的能量回收狀態(tài)隨時切換。如圖3a所示，當(dāng)夾鉗下降動作時，升降缸9的無桿腔內(nèi)高壓油液經(jīng)升降控制閥7流至矩陣閥組，此時開啟交匯點a、b處二通插裝閥即可實現(xiàn)升降控制閥T口與泵/馬達(dá)3.1入口的連通，高壓油驅(qū)動泵/馬達(dá)3.1工作，帶動泵/馬達(dá)3.2從油箱吸油，此時開啟交匯點c處二通插裝閥可實現(xiàn)泵/馬達(dá)3.2與蓄能器5的連通，通過高壓油將能量儲存到蓄能器5中。如圖3b所示，大車行走動作的慣性勢能回收系統(tǒng)的原理基本相同：通過開啟交匯點d、e、f、g、h處二通插裝閥即可實現(xiàn)油路連通，利用泵/馬達(dá)能量傳遞單元將慣性勢能轉(zhuǎn)換成液壓能儲存到蓄能器5中。

3 系統(tǒng)控制方法

鍛造操作機的夾鉗下降和大車行走過程中均存在可回收能量，能量回收液壓系統(tǒng)對可回收能量進行回收，其基本設(shè)計思想是采用恒定壓差伺服控制方法，降低系統(tǒng)節(jié)流損失并對可回收能量進行回收，所以工作過程中需要對壓力進行控制；夾鉗下降和大車行走兩個動作除了對壓力控制實現(xiàn)節(jié)能之外還要對位置進行控制，以滿足鍛造操作機與液壓機的聯(lián)動工作。系統(tǒng)控制原理如下：

夾鉗下降動作控制原理如圖4所示。給定位移信號yi，通過升降控制閥7控制升降缸以及升降機構(gòu)的位移yo；通過調(diào)整泵/馬達(dá)3.2的排量來控制泵/馬達(dá)3.1的入口壓力pT，使比例閥進出口兩端的壓差保持在一個較小的恒定值，降低比例閥的節(jié)流損失；比例閥能量損失降低的那部分能量通過泵/馬達(dá)3.2儲存到蓄能器5中，實現(xiàn)重力勢能的回收。

圖4 夾鉗下降動作控制原理簡圖Fig.4 Schematic of control principle for dropping motion of the clamp

大車行走動作控制原理(圖5)如下：由大車行走控制閥8控制大車行走的位移yo；通過控制泵/馬達(dá)3.2的排量來控制泵/馬達(dá)3.1的入口壓力，使控制閥8進出口兩端的壓差Δp保持在一個較小的值，從而使大車行走控制閥的能耗降低；原系統(tǒng)中大車行走慣性勢能大部分由大車行走控制閥和溢流閥損失掉，而能量回收系統(tǒng)中的大車行走控制閥節(jié)流損失降低的那部分能量就通過泵/馬達(dá)3.2儲存到蓄能器5。

圖5 大車行走動作控制原理簡圖Fig.5 Schematic of control principle for walking motion of the cart

4 仿真分析

4.1 重力勢能回收

為了分析能量回收系統(tǒng)在重力勢能回收過程中能量流動狀態(tài)，采用圖3a、圖4系統(tǒng)及控制原理，基于AMESIM建立仿真模型，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)見表1。

表1 仿真模型主要參數(shù)(重力勢能回收)

給定位移為-200 mm的斜坡信號。仿真得到升降缸的位移響應(yīng)、無桿腔壓力、泵/馬達(dá)3.1入口壓力和蓄能器的壓力曲線，以及相關(guān)能量曲線，如圖6所示。

圖6 重力勢能回收仿真Fig.6 The simulation of the gravitational potential recovery

由圖6a所示位移響應(yīng)曲線可以看出，給定-200 mm的斜坡信號，系統(tǒng)在夾鉗下降動作時位移跟隨性較好，穩(wěn)態(tài)誤差僅為1 mm，能量回收系統(tǒng)不影響系統(tǒng)響應(yīng)特性。由圖6b所示壓力響應(yīng)曲線可以看出，泵/馬達(dá)3.1口的壓力可以控制在6 MPa附近，證明了能量回收系統(tǒng)控制策略的有效性；比例閥進出口兩端的壓差保持在1 MPa附近的恒定值，有效降低了比例閥的節(jié)流損失。

蓄能器的壓力曲線見圖6c，夾鉗在下降過程中蓄能器的壓力逐漸增加，說明一直在儲能，至動作結(jié)束，蓄能器的壓力達(dá)3.95 MPa。重力勢能回收系統(tǒng)各部分的能量曲線見圖6d，整個下降過程中無桿腔輸出的能量為11 091.5 J，其中，蓄能器回收的能量為4 627.4 J，比例閥損失的能量為1 737.0 J，蓄能器回收了重力勢能的41.7%,比例閥及管路損失占無重力勢能的15.7%。

4.2 慣性勢能回收

采用圖3b、圖5系統(tǒng)及控制原理，基于AMESIM建立仿真模型，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)見表2。

表2 仿真模型主要參數(shù)(慣性勢能回收)

給定位移為200 mm的階躍信號，得到大車行走位移響應(yīng)曲線，如圖7所示。可以看出，給定200 mm的階躍信號，行走動作約0.7 s即可達(dá)到穩(wěn)態(tài)，超調(diào)量為0.5%，能量回收系統(tǒng)不會影響位移響應(yīng)特性。大車行走能量回收系統(tǒng)與原系統(tǒng)能量分布對比如圖8所示。

圖7 位移響應(yīng)曲線Fig.7 The response curves for displacement

圖8 泵輸出能量分布Fig.8 The output energy distribution of the pump

仿真得到原系統(tǒng)泵輸出能量為21 669 J，能量回收系統(tǒng)泵輸出能量為22 673 J，鍛造操作機的慣性勢能為10 080 J，蓄能器回收的能量為3 735.51 J。該參數(shù)下能量回收系統(tǒng)中蓄能器回收了慣性勢能的37.1%，占泵輸出能量的16.47%，能量回收系統(tǒng)泵相對輸出能量比原系統(tǒng)減少約13%。

5 實驗

依托電液伺服系統(tǒng)多功能教學(xué)實驗臺對能量回收系統(tǒng)中的重力勢能回收開展實驗，驗證鍛造操作機夾鉗下降時重力勢能回收方案的可行性。

5.1 實驗臺概述

電液伺服系統(tǒng)多功能教學(xué)實驗臺是集負(fù)載模擬系統(tǒng)、多級壓力源系統(tǒng)、多流量等級系統(tǒng)、二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)等多種功能于一體的電液伺服系統(tǒng)。鑒于勢能回收原理基本相同，只對重力勢能回收進行實驗驗證。重力勢能回收模擬實驗所采用的液壓系統(tǒng)原理如圖9所示。該實驗臺實物如圖10所示。

1.蝶閥 2.減振喉 3.電機 4.手動變量泵 5.高壓過濾器 6.溢流閥 7.壓力傳感器 8.泵/馬達(dá)能量傳遞單元 9.壓力表 10. 單向閥 11.閥矩陣 12.蓄能器 13.流量計 14.伺服比例閥 15.比例方向閥 16.雙出桿缸 17.單出桿缸 18.力傳感器 19.位移傳感器圖9 液壓系統(tǒng)原理Fig.9 Schematic of hydraulic system

圖10 實驗臺實物圖Fig.10 Experimental table physical map

在此實驗臺上進行鍛造操作機夾鉗下降時重力勢能回收系統(tǒng)的模擬實驗(圖9)：單出桿缸17模擬鍛造操作機夾鉗升降缸，活塞缸的縮回動作模擬夾鉗下降動作。比例閥15.4模擬鍛造操作機夾鉗升降控制閥。通過伺服比例閥14控制活塞缸16輸出恒力，以此來模擬夾鉗下降時夾鉗及負(fù)載的重力。

重力勢能回收模擬實驗的基本控制思想如下：單出桿缸17縮回時控制泵/馬達(dá)8.1作用于定量馬達(dá)工況，控制泵/馬達(dá)8.2作用于變量泵工況，通過控制泵/馬達(dá)8.2的排量來控制比例閥15.4兩端的壓差保持較小恒定值，減小活塞缸縮回動作時比例閥15.4的節(jié)流損失，減少的能量通過泵/馬達(dá)8.1和8.2傳遞到蓄能器12中儲存起來。主要元件選型見表3。

實驗中控制單出桿缸17的負(fù)載力為56 kN，用來模擬工作過程中恒定的重力環(huán)境，泵/馬達(dá)8.1入口側(cè)的壓力為5.5 MPa，活塞缸的初始位置為300 mm。采集力傳感器力值、單出桿缸無桿腔壓力、泵/馬達(dá)8.1的入口壓力，如圖11、圖12所示?？梢钥闯?，單出桿缸17的負(fù)載力基本能控制在56 kN左右，無桿腔的壓力基本能控制在6.5 MPa左右，僅在缸啟動時和減速階段會有一定的壓力沖擊。泵/馬達(dá)8.1入口側(cè)的壓力基本能控制在5.5 MPa，僅在缸的啟動時和減速階段會有一定的壓力沖擊，使比例閥15.4兩端的壓差保持在1 MPa。

表3 液壓系統(tǒng)主要元件參數(shù)及精度

圖11 單出桿缸負(fù)載力曲線Fig.11 Load force curve for single rod cylinder

圖12 壓力曲線Fig.12 Pressure curve

采集實驗過程中相關(guān)元件的壓力、流量及功率曲線，如圖13所示。忽略無桿腔至泵/馬達(dá)8.1入口處的泄漏，視無桿腔的輸出流量與泵/馬達(dá)8.1輸入流量相同。根據(jù)活塞缸無桿腔側(cè)的流量和壓力、泵/馬達(dá)8.1的入口壓力和流量、泵/馬達(dá)8.2的流量和壓力就可以得到無桿腔的輸出功率、泵/馬達(dá)8.1的輸入功率、泵/馬達(dá)8.2的輸出功率以及比例閥15.4、經(jīng)閥矩陣及管路的能量損失功率曲線，如圖13c所示。

圖13 實驗曲線Fig.13 Experimental curve

以無桿腔的輸出能量作為能量回收系統(tǒng)的輸入能量，通過對功率的積分，可得到在活塞缸的動作期內(nèi)，無桿腔輸出能量為6 962.7 J，比例閥12.2及管路的損失能量為1 073.4 J，泵/馬達(dá)3.1的輸入能量為 5 889.3 J，泵/馬達(dá)3.2的輸出能量為2 726.2 J。

忽略泵/馬達(dá)8.2至蓄能器12之間管路及單向閥的能量損失，蓄能器12回收了重力勢能的39.2%。其余各部分能量占重力勢能的比例如下：比例閥15.4及管路的損失能量占15.4%，泵/馬達(dá)8.1、泵/馬達(dá)8.2和聯(lián)軸器損失的總能量占45.4%，證明了能量回收系統(tǒng)針對重力勢能回收的有效性。

6 結(jié)論

夾鉗下降動作中，仿真時蓄能器回收了重力勢能的41.7%，比例閥及管路損失能量占重力勢能的15.7%；對夾鉗下降動作進行實驗驗證，蓄能器回收了重力勢能的39.2%，比例閥及管路損失的能量占重力勢能的15.4%。大車行走過程中，蓄能器回收了慣性勢能的37.1%；占泵輸出能量的16.47%，采用能量回收系統(tǒng)后，泵源輸出能量比原系統(tǒng)減少約13%。