毛昊楨，胡軍科，紀文彬

(中南大學 機電工程學院，湖南 長沙 410083)

0 引言

液壓變壓器是一種可從系統(tǒng)油源中無節(jié)流損失獲取能量，并且能夠實現壓力和流量精確控制的液壓元件。近年來，基于液壓變壓器技術的各類節(jié)能型液壓系統(tǒng)不斷被開發(fā)出來，寧初明等闡述了傳統(tǒng)型與3種新型液壓變壓器的結構特征與工作原理，對3種液壓變壓器的發(fā)展概況及其在液壓系統(tǒng)中的節(jié)能應用進行了論述[1]；狄崇峰根據液壓恒壓網絡車輛驅動系統(tǒng)的工作方式，對驅動系統(tǒng)進行了結構優(yōu)化和改進，提出了基于壓力交叉反饋的驅動/再生制動自適應切換驅動系統(tǒng)[2]；劉建對液壓挖掘機動臂回路和基于液壓變壓器的液壓挖掘機動臂回路進行了詳細的分析，在此基礎上提出了新型基于液壓變壓器的液壓挖掘機動臂回路，闡述了其工作原理、控制策略和優(yōu)勢[3]。當前研究中更多的是從系統(tǒng)級別開發(fā)出基于液壓變壓器的節(jié)能型液壓系統(tǒng)，而針對提高節(jié)能效率的控制策略的研究還有不足[4-6]。本文從基于蓄能器-液壓變壓器-液壓缸結構的節(jié)能型液壓系統(tǒng)入手，理論分析節(jié)能型液壓系統(tǒng)的回收與再利用原理，提出針對提高能量回收量和能量再利用效率的控制策略，并利用AMESim建立系統(tǒng)模型，仿真分析節(jié)能型液壓系統(tǒng)的節(jié)能效果。

1 節(jié)能型液壓系統(tǒng)節(jié)能原理

圖1為節(jié)能型液壓系統(tǒng)原理圖。液壓系統(tǒng)由油源部分、蓄能器部分、液壓變壓器部分和負載部分等組成。

1-油箱；2-電動機；3-液壓泵；4，5，6-單向閥；7-兩位三通換向閥；8-蓄能器；9，19-壓力表；10，20-壓力繼電器；11-溢流閥；12-單向閥組；13，21-流量計；14-液壓變壓器；15-擺動馬達；16-偏轉角編碼器；17-電液伺服閥；18-控制油源；22-液壓缸；23-負載；24-位移/速度傳感器；25-安全閥

節(jié)能型液壓系統(tǒng)中，液壓泵3用來為系統(tǒng)提供用于驅動的壓力油液，單向閥4用來防止壓力過高出現油液倒流，單向閥5、6和兩位三通換向閥7一同對蓄能器油液的通斷進行靈活控制；控制油源18在電液伺服閥17的調節(jié)下對擺動馬達15進行擺動控制，從而調整液壓變壓器14的擺動角，進而控制液壓變壓器的排量和輸出壓力；系統(tǒng)油源流入液壓缸22將負載23提升一定高度后停止供油，此時負載在重力的作用下向下運動，液壓缸無桿腔流出的壓力油液驅動液壓變壓器旋轉，油液經液壓變壓器變壓后在A口輸出進入蓄能器8實現能量的回收；在儲存能量釋放階段，蓄能器先將儲存的能量釋放，油液經液壓變壓器變壓后驅動油缸上升，當蓄能器油壓降低后系統(tǒng)油源接入，完成提升動作。

2 節(jié)能型液壓系統(tǒng)控制策略

若不對液壓變壓器的變壓比實行調節(jié)，則在能量回收后期由于蓄能器壓力過高，繼續(xù)回收能量所需轉矩大于負載端的輸出轉矩，使得回收過程無法繼續(xù)完成，在能量釋放階段也會出現這種情況。為提高能量的回收量和能量再利用效率，現提出基于蓄能器壓力反饋和負載轉矩反饋的控制策略，下面以能量回收階段為例分析控制思路。在負載下降時，液壓變壓器自B口流入油液，A口流出油液，此時液壓變壓器的B口和A口分別有：

pB·VB·n=T入·ω.

(1)

P出=T出·ω=pA·VA·n=pA·qA.

(2)

(3)

其中：P入、P出分別為液壓變壓器的輸入功率和輸出功率；m為負載質量；g為重力加速度，取9.8 m/s2；v降為油缸下降速度；T入、T出分別為液壓變壓器的輸入和輸出轉矩；ω為液壓變壓器角速度；pA、pB分別為液壓變壓器A、B口壓力；qA、qB分別為液壓變壓器A、B口流量；VA、VB分別為液壓變壓器A、B口排量；A為無桿腔承壓面積；n為液壓變壓器轉速；k為排量比。

由式(1)和式(2)可知，由于液壓變壓器的輸入和輸出油口的轉矩和其壓力與排量的乘積成正比，因此在能量回收過程中，根據蓄能器端反饋的壓力p和負載端對轉矩T的反饋，由式(3)可計算出液壓變壓器兩端排量應滿足的比值，實現對液壓變壓器的斜盤傾角的實時調整，進而完成對輸出端壓力的動態(tài)調節(jié)。在能量的再利用階段對液壓變壓器的控制思路也相同，這種控制方式在能量回收階段可實現對負載勢能的全部回收，在能量釋放階段可將蓄能器儲存的能量全部釋放。

3 節(jié)能型液壓系統(tǒng)仿真分析

利用AMESim軟件中機械庫、標準液壓庫和信號控制庫的相關元件，根據節(jié)能型液壓系統(tǒng)原理建立仿真模型，如圖2所示。設置的仿真參數如表1所示。仿真內容：第一階段，恒壓油源在0 s～10 s內提供壓力穩(wěn)定的油液，使油缸抬升至最大行程；第二階段，在10 s～25 s內，恒壓油源切斷，負載在重力的作用下開始下降，蓄能器開始回收負載的重力勢能，回收壓力油液的過程為單向回收；第三階段，在第25 s時，控制蓄能器通流方向的電磁閥開啟，蓄能器中儲存的壓力油開始釋放，推動負載上升。分析系統(tǒng)的節(jié)能效果，即第三階段在蓄能器作為唯一能量來源的情況下，負載能回升的最大高度。

圖2 節(jié)能型液壓系統(tǒng)仿真模型

表1 AMESim仿真參數

為了更直觀地對比節(jié)能型液壓系統(tǒng)的節(jié)能效果，根據液壓變壓器的控制邏輯不同而做兩組仿真，以不變壓的情況為參照對象，觀察動態(tài)變壓后的節(jié)能型液壓系統(tǒng)的運行工況，對比分析出節(jié)能型液壓系統(tǒng)在能量回收階段的能量回收量和能量再利用階段的能量再利用率。

仿真得到的液壓變壓器排量比恒定為1時的負載位移情況、蓄能器壓力變化情況和液壓變壓器兩端口的壓力變化情況如圖3所示。由圖3可知：當變壓比恒定為1時，負載在下降到2.2 m左右時便停止繼續(xù)下降，這是由于蓄能器中壓力在負載下降過程中不斷升高，使得在不調整排量比的情況下液壓變壓器A口繼續(xù)流出壓力油液所需的轉矩大于此時B口油液所提供的轉矩；同樣的，在能量釋放階段，蓄能器中的油液壓力隨位移上升不斷下降，當下降到與負載重力相平衡時，蓄能器油液壓力停止下降，負載停止上升。

圖3 液壓變壓器排量比恒定為1時的仿真結果

利用蓄能器壓力-負載轉矩反饋的控制策略后，仿真得到的動態(tài)調整液壓變壓器排量比時的負載位移情況、蓄能器壓力變化情況和液壓變壓器兩端口的壓力變化情況如圖4所示。

由圖4可知：當對液壓變壓器的排量比進行動態(tài)調整時，負載在下降階段不受蓄能器壓力升高的影響，在此過程中液壓變壓器的排量比不斷降低(排量比中“-”表示A/B口斜盤傾角方向相反)，使得A口與B口壓力比可以不斷上升；在負載上升階段液壓變壓器的排量比不斷升高，保證了液壓變壓器B口壓力不隨A口壓力的降低而降低，蓄能器可以完整釋放出前一過程中回收的能量。

圖4 動態(tài)調整液壓變壓器排量比時的仿真結果

4 結語

本文理論分析了節(jié)能型液壓系統(tǒng)的節(jié)能原理，并針對液壓變壓器排量比提出了提高能量回收與再利用效率的基于蓄能器壓力反饋和負載轉矩反饋的控制策略。建立節(jié)能型液壓系統(tǒng)的AMESim模型，并在蓄能器壓力-負載轉矩反饋的控制策略下進行仿真。仿真結果表明：理想狀態(tài)下，負載位移自3 m處下降回收的能量在能量釋放過程中可使負載位移上升至2.82 m，理論上能量的回收再利用率高達94%。