高 涵，梁 濤，權(quán) 龍

(太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部和山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

引言

閥控系統(tǒng)控制精度高、功率密度大，然而傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)采用四邊聯(lián)動(dòng)的比例多路閥進(jìn)行控制，進(jìn)出油口同時(shí)節(jié)流，造成大量節(jié)流損失。針對閥控系統(tǒng)上述問題，目前學(xué)術(shù)領(lǐng)域提出采用進(jìn)出口獨(dú)立控制系統(tǒng)，分別控制執(zhí)行器兩腔壓力和流量。CHOI等[1]分析采用4個(gè)二位比例節(jié)流閥構(gòu)成的進(jìn)出口獨(dú)立控制系統(tǒng)的節(jié)能特性與能量再生特性。YAO等[2]設(shè)計(jì)5個(gè)可編程閥控制差動(dòng)缸系統(tǒng)，在保證控制精度的前提下，節(jié)流損失顯著降低。牛善帥等[3]設(shè)計(jì)進(jìn)油口位置跟蹤、回油口壓力控制的雙伺服閥控缸系統(tǒng)控制策略。CHEN等[4]將蓄能器應(yīng)用于閥控缸系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)能量再生特性。權(quán)龍等[5-6]提出多執(zhí)行器進(jìn)出口獨(dú)立控制系統(tǒng)，具有良好的節(jié)能效果及控制特性。劉凱磊等[7]采用5個(gè)二位二通閥構(gòu)成負(fù)載口獨(dú)立控制系統(tǒng)，顯著提高了傳統(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng)的節(jié)能效率。

泵控系統(tǒng)可從根本上消除閥控系統(tǒng)造成的節(jié)流損失，目前學(xué)術(shù)領(lǐng)域已對泵控系統(tǒng)開展了較多研究。IVANTYSYNOVA等[8-9]采用液控單向閥平衡差動(dòng)缸不對稱流量，并將系統(tǒng)原理應(yīng)用于裝載機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，系統(tǒng)效率顯著提高。王翔宇等[10]提出含3個(gè)配流窗口的非對稱軸向柱塞泵，并將其應(yīng)用于裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行試驗(yàn)，系統(tǒng)能耗降低47.19%。梁濤等[11-12]采用定量泵加變量泵控制多執(zhí)行器系統(tǒng)，可消除多執(zhí)行器工作過程中載荷差異現(xiàn)象。馬艷斌等[13]采用單伺服電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)定量泵和變量泵控制差動(dòng)缸動(dòng)作，并與單泵與非對稱泵系統(tǒng)進(jìn)行對比分析。王波等[14]采用雙變轉(zhuǎn)速泵分腔控制差動(dòng)缸兩腔壓力，系統(tǒng)控制特性與閥控系統(tǒng)相同。AHMED等[15]采用變量泵組成閉式泵控差動(dòng)缸系統(tǒng)，并運(yùn)用2個(gè)可控單向閥補(bǔ)償非對稱流量。MINAV等[16]采用單伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙變量泵構(gòu)成泵控非對稱缸系統(tǒng)。張樹忠等[17]在此基礎(chǔ)上采用蓄能器代替低壓油箱，大幅降低執(zhí)行器四象限工況下速度波動(dòng)問題。然而現(xiàn)有泵控系統(tǒng)控制精度低，大功率泵控系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢、控制策略復(fù)雜。

為結(jié)合閥控系統(tǒng)控制精度高及泵控系統(tǒng)能效高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)減小傳統(tǒng)四邊聯(lián)動(dòng)閥及多執(zhí)行器復(fù)合動(dòng)作載荷差異帶來的節(jié)流損失，本研究提出一種泵閥并聯(lián)進(jìn)出口獨(dú)立系統(tǒng)，將進(jìn)出口獨(dú)立閥控系統(tǒng)與閉式泵控系統(tǒng)相結(jié)合，以6 t液壓挖掘機(jī)為研究對象，建立多學(xué)科聯(lián)合仿真模型，仿真分析了閥控單元與泵控單元不同輸出功率比對系統(tǒng)特性的影響，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了動(dòng)臂單動(dòng)和動(dòng)臂斗桿復(fù)合動(dòng)作控制策略。

1 系統(tǒng)原理

泵閥并聯(lián)進(jìn)出口獨(dú)立系統(tǒng)原理如圖1所示，該系統(tǒng)包括動(dòng)臂液壓缸、斗桿液壓缸、泵控單元、閥控單元、變量泵、溢流閥、異步電機(jī)、能量回收單元、補(bǔ)油單元等。其中，泵控單元由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵組成；閥控單元由4個(gè)三位四通比例換向閥組成；補(bǔ)油單元由小排量定量泵、補(bǔ)油單向閥、蓄能器組成；能量回收單元由逆變器、整流器、雙向DC/DC變換器、超級電容組成。泵控單元用于控制執(zhí)行器的運(yùn)行速度和運(yùn)行方向，閥控單元用于補(bǔ)償液壓缸不對稱流量，同時(shí)與泵控單元分配系統(tǒng)功率。閥控單元采用進(jìn)出口獨(dú)立結(jié)構(gòu)，可大幅減少傳統(tǒng)閥控四邊聯(lián)動(dòng)造成的節(jié)流損失，同時(shí)可將動(dòng)臂下降時(shí)無桿腔多余油液供給其他執(zhí)行器使用。

1.異步電機(jī) 2.變量泵 3.溢流閥 4.補(bǔ)油單元 5.閥控單元 6、7.泵控單元 8.能量回收單元 9.補(bǔ)油單向閥 10.動(dòng)臂液壓缸 11.斗桿液壓缸圖1 泵閥并聯(lián)進(jìn)出口獨(dú)立系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of pump-valve parallel separate meter in and meter out system

當(dāng)動(dòng)臂下放和斗桿縮回時(shí)，系統(tǒng)處于能量回收狀態(tài)，此時(shí)泵控單元中液壓泵/馬達(dá)處于馬達(dá)工況，伺服電機(jī)處于發(fā)電機(jī)工況，泵控單元可將執(zhí)行器動(dòng)勢能轉(zhuǎn)換為電能，通過整流器輸入直流母線，再經(jīng)過雙向DC/DC變換器儲(chǔ)存在超級電容中，并在泵控單元驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器時(shí)釋放能量。

研究了閥控單元與泵控單元分配動(dòng)臂舉升動(dòng)作驅(qū)動(dòng)功率對系統(tǒng)特性的影響，在此基礎(chǔ)上研究了動(dòng)臂斗桿復(fù)合動(dòng)作特性。當(dāng)多執(zhí)行器復(fù)合動(dòng)作時(shí)，泵控單元采用壓力閉環(huán)調(diào)控輕載執(zhí)行器背腔壓力提高，直至各執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)腔壓力相等，進(jìn)而使各執(zhí)行器回路進(jìn)油閥兩端壓差相等，此時(shí)輕載執(zhí)行器進(jìn)油閥可保持較大開口，從而消除了載荷差異造成的節(jié)流損失；同時(shí)集中式變量泵與分布式泵控單元分配各執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)功率，變量泵無需匹配執(zhí)行器峰值功率，可大幅降低系統(tǒng)總裝機(jī)功率。

2 仿真模型

以某6 t液壓挖掘機(jī)作為研究對象，建立如圖1所示泵閥并聯(lián)進(jìn)出口獨(dú)立系統(tǒng)。前期對某6 t液壓挖掘機(jī)進(jìn)行了實(shí)際測繪，并對系統(tǒng)主要元件進(jìn)行選型，系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。在多學(xué)科聯(lián)合仿真軟件SimulationX中，搭建了泵閥并聯(lián)進(jìn)出口獨(dú)立系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型，如圖2所示。該模型將液壓系統(tǒng)與機(jī)械結(jié)構(gòu)完美結(jié)合，并實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)工作過程中作用在執(zhí)行器上的等效負(fù)載力和等效質(zhì)量。

圖2 泵閥并聯(lián)進(jìn)出口獨(dú)立系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型Fig.2 Co-simulation model of pump-valve parallel separate meter in and meter out system

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of system

3 系統(tǒng)控制策略

3.1 動(dòng)臂單動(dòng)控制策略

動(dòng)臂上升階段，動(dòng)臂液壓缸處于阻抗伸出工況，為減少動(dòng)臂舉升過程的能量損失，無桿腔閥與有桿腔閥全開，有桿腔油液部分流入泵控單元吸油口，部分流入油箱。通過控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速及主泵排量，來控制進(jìn)入動(dòng)臂無桿腔的流量，引入功率系數(shù)k1，k2代表閥控單元與泵控單元向動(dòng)臂液壓缸輸出功率占比。

動(dòng)臂泵控單元設(shè)定轉(zhuǎn)速為：

(1)

式中，A1—— 動(dòng)臂無桿腔面積

vu—— 伸出設(shè)定速度

k2—— 泵控單元功率系數(shù)

Vd—— 泵控單元排量

變量泵設(shè)定排量為：

(2)

式中，nb—— 變量泵轉(zhuǎn)速

動(dòng)臂下降階段，動(dòng)臂液壓缸處于超越縮回工況，通過控制泵控單元轉(zhuǎn)速來控制執(zhí)行器運(yùn)行速度，同時(shí)控制無桿腔閥開度來維持動(dòng)臂下降時(shí)無桿腔壓力與執(zhí)行器重力平衡。無桿腔油液一部分通過泵控單元流入有桿腔，一部分通過閥控單元流入油箱。此時(shí)有桿腔閥全開，變量泵不運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖3 控制策略Fig.3 Control strategy

動(dòng)臂泵控單元設(shè)定轉(zhuǎn)速為：

(3)

式中，A2—— 動(dòng)臂有桿腔面積

vd—— 縮回設(shè)定速度

對于電液比例方向閥，閥口流量公式為：

(4)

式中，xv—— 閥口開度

qN—— 比例閥額定流量

pA1—— 動(dòng)臂無桿腔壓力

p0—— 油箱出口壓力

ΔpN—— 額定壓差

無桿腔多余流量為：

qd=A1vd-A2vd

(5)

由此確定無桿腔閥開度為：

(6)

3.2 動(dòng)臂斗桿復(fù)合動(dòng)作控制策略

如圖3所示為本系統(tǒng)多執(zhí)行器復(fù)合動(dòng)作控制策略，動(dòng)臂液壓缸和斗桿液壓缸同時(shí)伸出階段，動(dòng)臂液壓缸為阻抗伸出工況，斗桿液壓缸為超越伸出工況。動(dòng)臂相對于斗桿為重載執(zhí)行器，為消除載荷差異造成的節(jié)流損失，斗桿泵控單元采用壓力閉環(huán)補(bǔ)償背腔壓力，使兩執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)腔壓力相等，閥控單元補(bǔ)償非對稱流量，此時(shí)斗桿無桿腔閥可保持較大開度，有桿腔閥關(guān)閉，斗桿伺服電機(jī)為超級電容充電。動(dòng)臂液壓缸采用動(dòng)臂單動(dòng)控制策略。

動(dòng)臂液壓缸與斗桿液壓缸驅(qū)動(dòng)腔壓差為：

Δp=pA1-pA2

(7)

式中，pA2—— 斗桿無桿腔壓力

斗桿泵控單元設(shè)定轉(zhuǎn)速為：

(8)

式中，A4—— 斗桿有桿腔面積

根據(jù)壓力閉環(huán)確定斗桿泵控單元補(bǔ)償轉(zhuǎn)速為：

(9)

式中，kp—— 比例系數(shù)

ki—— 積分系數(shù)

最終得到斗桿泵控單元轉(zhuǎn)速為：

(10)

動(dòng)臂液壓缸和斗桿液壓缸同時(shí)縮回階段，動(dòng)臂液壓缸為超越縮回工況，斗桿液壓缸為阻抗縮回工況。動(dòng)臂泵控單元轉(zhuǎn)速與動(dòng)臂單動(dòng)時(shí)相同，為降低斗桿泵控單元輸出功率，控制閥控單元將動(dòng)臂無桿腔多余油液流入斗桿有桿腔實(shí)現(xiàn)流量再生，斗桿有桿腔閥全開，此時(shí)變量泵不運(yùn)轉(zhuǎn)。

動(dòng)臂無桿腔閥開度為：

(11)

式中，pd—— 變量泵出口壓力

斗桿泵控單元轉(zhuǎn)速為：

(12)

4 仿真分析

在挖掘機(jī)空載工況下，按所提控制策略完成動(dòng)臂單動(dòng)和動(dòng)臂斗桿復(fù)合動(dòng)作。在動(dòng)臂舉升階段研究了閥控單元與泵控單元不同功率比對系統(tǒng)特性的影響。通過對動(dòng)臂單動(dòng)作仿真分析，確定最優(yōu)輸出功率比，在此基礎(chǔ)上對動(dòng)臂斗桿復(fù)合動(dòng)作進(jìn)行研究，進(jìn)而對比分析傳統(tǒng)進(jìn)出口獨(dú)立控制系統(tǒng)與泵閥并聯(lián)進(jìn)出口獨(dú)立系統(tǒng)的運(yùn)行特性和能耗特性。

圖4 泵閥并聯(lián)進(jìn)出口獨(dú)立控制動(dòng)臂運(yùn)行特性Fig.4 Operation characteristics of pump-valve parallel separate meter in and meter out control boom

4.1 動(dòng)臂單動(dòng)特性分析

1) 運(yùn)行特性分析

設(shè)定執(zhí)行器伸出與縮回速度為100 mm/s。為探究不同功率比對系統(tǒng)特性的影響，設(shè)定閥控單元與泵控單元輸出功率比為1∶1；2∶1；1∶2，此時(shí)k1，k2分別為1/2，1/2；2/3，1/3；1/3，2/3。在動(dòng)臂下降過程中均采用相同控制方法使泵控單元回收動(dòng)臂重力勢能。如圖4所示為泵閥并聯(lián)進(jìn)出口獨(dú)立控制動(dòng)臂運(yùn)行特性。

動(dòng)臂上升階段，當(dāng)閥控單元輸出功率占比大時(shí)，速度響應(yīng)略快。三種情況下，動(dòng)臂均可達(dá)到設(shè)定速度，并且速度波動(dòng)較小。動(dòng)臂下降時(shí)采用泵控單元控制下降速度，動(dòng)臂運(yùn)行平穩(wěn)。運(yùn)行過程中，動(dòng)臂無桿腔壓力保持在7～8 MPa。當(dāng)閥控單元輸出功率占比大時(shí)，無桿腔壓力略高。有桿腔壓力保持較小值，防止吸空。

總體來說，閥控單元輸出功率占比大時(shí)，液壓缸速度響應(yīng)快且無桿腔壓力高，這是由于閥控單元較泵控單元?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)快，閥控單元輸出功率越大，液壓缸無桿腔越先建立較大壓力驅(qū)動(dòng)動(dòng)臂動(dòng)作。增大閥控單元輸出功率占比，可提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

2) 能耗特性分析

泵閥并聯(lián)進(jìn)出口獨(dú)立控制動(dòng)臂能耗特性如圖5所示。動(dòng)臂以相同速度達(dá)到相同位置時(shí)，功率比2∶1時(shí)，兩泵輸出功率P2∶1最大為7.7 kW；功率比1∶1時(shí)，兩泵輸出功率P1∶1最大為7.0 kW；功率比1∶2時(shí)，兩泵輸出功率P1∶2最大為6.7 kW。動(dòng)臂下降時(shí)，變量泵不運(yùn)轉(zhuǎn)，泵控單元輸出功率為負(fù)值，最大為-3.9 kW，采用超級電容回收動(dòng)臂下降的重力勢能。

圖5 泵閥并聯(lián)進(jìn)出口獨(dú)立控制動(dòng)臂能耗特性Fig.5 Energy consumption characteristics of pump-valve parallel separate meter in and meter out control boom

對兩泵輸出功率和系統(tǒng)節(jié)流損失積分后可得動(dòng)臂單動(dòng)工況下系統(tǒng)能耗及節(jié)流損失，功率比2∶1的系統(tǒng)能耗E2∶1為17.3 kJ，節(jié)流損失為5.37 kJ；功率比1∶1的系統(tǒng)能耗E1∶1為16.0 kJ，節(jié)流損失為4.18 kJ；功率比1∶2的系統(tǒng)能耗E1∶2為15.2 kJ，節(jié)流損失為3.56 kJ。

在動(dòng)臂下放階段采用相同控制方法，動(dòng)臂重力勢能經(jīng)過泵控單元、DC/DC變換器、超級電容等元件儲(chǔ)存在超級電容中，由式(13)計(jì)算得超級電容儲(chǔ)能功率，對其進(jìn)行積分可得實(shí)際回收能量，三種功率比下系統(tǒng)通過超級電容回收能量均為5.89 kJ。

Pc=Pb·ηb·ηm·ηDC/DC·ηc

(13)

式中，Pb—— 液壓泵/馬達(dá)功率

ηb—— 液壓泵/馬達(dá)效率

ηm—— 伺服電機(jī)效率

ηDC/DC—— DC/DC變換器效率

ηc—— 超級電容效率

總體來說，泵控單元輸出功率占比大時(shí)，兩泵輸出總功率及系統(tǒng)能耗低。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是，當(dāng)動(dòng)臂舉升時(shí)，閥控單元輸出功率占比增大，導(dǎo)致無桿腔閥節(jié)流損失增大，變量泵實(shí)際輸出功率大于閥控單元輸出功率，兩泵輸出總功率及系統(tǒng)能耗增大。增大泵控單元輸出功率占比，可有效減少系統(tǒng)能耗。

通過對動(dòng)臂單動(dòng)作仿真分析，閥控單元與泵控單元功率比為1∶2時(shí)，系統(tǒng)能耗及節(jié)流損失最低，因本研究主要關(guān)注泵閥并聯(lián)進(jìn)出口獨(dú)立系統(tǒng)的能效提升，所以功率比最終選用1∶2。

4.2 動(dòng)臂斗桿復(fù)合動(dòng)作特性分析

1) 運(yùn)行特性分析

對于傳統(tǒng)進(jìn)出口獨(dú)立控制系統(tǒng)，動(dòng)臂液壓缸與斗桿液壓缸同時(shí)伸出時(shí)，動(dòng)臂進(jìn)出口閥全開，斗桿有桿腔油液流入無桿腔實(shí)現(xiàn)流量再生，變量泵提供動(dòng)臂及斗桿所需流量，動(dòng)臂液壓缸與斗桿液壓缸同時(shí)縮回時(shí)，斗桿進(jìn)出口閥全開，動(dòng)臂無桿腔油液流入有桿腔實(shí)現(xiàn)流量再生，變量泵提供斗桿所需流量。設(shè)定執(zhí)行器伸出與縮回速度為100 mm/s，如圖6所示為傳統(tǒng)進(jìn)出口獨(dú)立控制動(dòng)臂斗桿運(yùn)行特性。

動(dòng)臂液壓缸及斗桿液壓缸同時(shí)伸出時(shí)，斗桿液壓缸快速響應(yīng)伸出，動(dòng)臂液壓缸滯后約230 ms才開始響應(yīng)，動(dòng)臂響應(yīng)滯后會(huì)造成復(fù)合動(dòng)作控制精度降低，駕駛員操作難度增大。通過壓力曲線可知，斗桿液壓缸為輕載執(zhí)行器，變量泵油液優(yōu)先流向斗桿液壓缸，當(dāng)系統(tǒng)壓力足夠高時(shí)，才能驅(qū)動(dòng)動(dòng)臂液壓缸伸出。動(dòng)臂液壓缸及斗桿液壓缸同時(shí)縮回時(shí)，壓力波動(dòng)較小，兩執(zhí)行器均能平穩(wěn)運(yùn)行。

如圖7所示為泵閥并聯(lián)進(jìn)出口獨(dú)立控制動(dòng)臂斗桿運(yùn)行特性，其中，閥控單元與泵控單元功率比為1∶2。動(dòng)臂液壓缸及斗桿液壓缸同時(shí)伸出時(shí)，由于采用泵控單元閉環(huán)控制斗桿驅(qū)動(dòng)腔壓力，斗桿無桿腔壓力pA2迅速增加至與動(dòng)臂無桿腔壓力pA1相等，且在整個(gè)執(zhí)行器伸出過程中，兩執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)腔壓力保持相等。動(dòng)臂液壓缸僅滯后斗桿液壓缸50 ms開始響應(yīng)動(dòng)作，極大縮短了傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)多執(zhí)行器復(fù)合動(dòng)作時(shí)重載執(zhí)行器的響應(yīng)滯后。

圖6 傳統(tǒng)進(jìn)出口獨(dú)立控制動(dòng)臂斗桿運(yùn)行特性Fig.6 Operation characteristics of traditional separate meter in and meter out control boom and arm

動(dòng)臂液壓缸及斗桿液壓缸同時(shí)縮回時(shí)，由于動(dòng)臂泵控單元回收動(dòng)臂下降的重力勢能，且無桿腔多余油液通過閥控單元流入斗桿有桿腔，此時(shí)斗桿有桿腔閥全開，通過控制動(dòng)臂無桿腔閥來控制流入斗桿有桿腔流量，斗桿有桿腔壓力pB2迅速降低至較動(dòng)臂無桿腔壓力pA1相差0.5 MPa，且在整個(gè)執(zhí)行器縮回過程中，斗桿有桿腔壓力pB2始終跟隨動(dòng)臂無桿腔壓力pA1。此時(shí)變量泵不運(yùn)轉(zhuǎn)，兩執(zhí)行器運(yùn)行平穩(wěn)。

2) 能耗特性分析

傳統(tǒng)進(jìn)出口獨(dú)立控制動(dòng)臂斗桿能耗特性如圖8所示，動(dòng)臂液壓缸及斗桿液壓缸同時(shí)伸出階段，由于兩液壓缸驅(qū)動(dòng)腔壓差較大，輕載執(zhí)行器進(jìn)油閥控制進(jìn)入液壓缸流量，導(dǎo)致斗桿進(jìn)油閥節(jié)流損失較大，此時(shí)系統(tǒng)節(jié)流損失Ploss為6.85 kW。動(dòng)臂液壓缸及斗桿液壓缸同時(shí)縮回階段，由于動(dòng)臂液壓缸處于超越縮回工況，無桿腔油液通過無桿腔閥流入有桿腔實(shí)現(xiàn)流量再生，此時(shí)動(dòng)臂無桿腔閥壓損較大，導(dǎo)致動(dòng)臂無桿腔閥節(jié)流損失較大，系統(tǒng)節(jié)流損失Ploss為5.9 kW。且動(dòng)臂無桿腔多余油液無法流入斗桿有桿腔，導(dǎo)致變量泵輸出功率P1較大，為3.27 kW。對系統(tǒng)節(jié)流損失和變量泵輸出功率進(jìn)行積分，得到傳統(tǒng)進(jìn)出口獨(dú)立控制系統(tǒng)節(jié)流損失Eloss為28.35 kJ，系統(tǒng)能耗Eh為39.54 kJ。

圖7 泵閥并聯(lián)進(jìn)出口獨(dú)立控制動(dòng)臂斗桿運(yùn)行特性Fig.7 Operation characteristics of pump-valve parallel separate meter in and meter out control boom and arm

圖8 傳統(tǒng)進(jìn)出口獨(dú)立控制動(dòng)臂斗桿能耗特性Fig.8 Energy consumption characteristics of traditional separate meter in and meter out control boom and arm

泵閥并聯(lián)進(jìn)出口獨(dú)立控制動(dòng)臂斗桿能耗特性如圖9所示，在執(zhí)行器伸出階段，由于采用泵控單元閉環(huán)控制消除載荷差異，因此斗桿進(jìn)油閥可保持較大開度控制執(zhí)行器速度，所以斗桿進(jìn)油閥節(jié)流損失顯著減小，最終系統(tǒng)節(jié)流損失Ploss穩(wěn)定在0.29 kW。此時(shí)主泵提供動(dòng)臂無桿腔的分配流量與斗桿無桿腔的補(bǔ)償流量，峰值功率P1約為4.94 kW。動(dòng)臂泵控單元與主泵分配動(dòng)臂驅(qū)動(dòng)功率，峰值功率P2為4.63 kW。斗桿泵控單元輸出功率為負(fù)值，峰值功率P3為-2.26 kW，采用超級電容回收此能量。

圖9 泵閥并聯(lián)進(jìn)出口獨(dú)立控制動(dòng)臂斗桿能耗特性Fig.9 Energy consumption characteristics of pump-valve parallel separate meter in and meter out control boom and arm

執(zhí)行器縮回階段，動(dòng)臂無桿腔壓力與斗桿有桿腔壓力相差較小，且保持壓力跟隨狀態(tài)，因此節(jié)流損失Ploss較小，為0.6 kW。此時(shí)，動(dòng)臂無桿腔多余油液經(jīng)過閥控單元流入斗桿有桿腔，斗桿泵控單元僅補(bǔ)償需求流量，所以輸出功率較小，峰值功率P3為0.88 kW，變量泵不運(yùn)轉(zhuǎn)。動(dòng)臂泵控單元輸出功率為負(fù)值，峰值功率P2為-3.4 kW，采用超級電容回收此能量。

對系統(tǒng)節(jié)流損失和泵控單元及變量泵輸出功率積分后，得到泵閥并聯(lián)進(jìn)出口獨(dú)立系統(tǒng)節(jié)流損失Eloss為2.72 kJ，系統(tǒng)能耗Eh為23.28 kJ，系統(tǒng)通過超級電容回收能量為8.74 kJ。

通過動(dòng)臂斗桿復(fù)合動(dòng)作能耗分析，可以得到動(dòng)臂斗桿復(fù)合動(dòng)作工況下，與傳統(tǒng)進(jìn)出口獨(dú)立控制系統(tǒng)相比，所提泵閥并聯(lián)進(jìn)出口獨(dú)立系統(tǒng)節(jié)流損失降低90%，系統(tǒng)能耗降低41%。

5 結(jié)論

(1) 提出一種泵閥并聯(lián)進(jìn)出口獨(dú)立系統(tǒng)，通過改變閥控單元及泵控單元輸出功率比，探究其對系統(tǒng)特性的影響。仿真結(jié)果表明，增大閥控單元輸出功率占比，可提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，增大泵控單元輸出功率占比，可有效減少系統(tǒng)能耗；

(2) 采用泵控單元閉環(huán)調(diào)控各執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)腔壓力相等，使得輕載執(zhí)行器進(jìn)油閥保持較大開度下控制液壓缸速度，可消除多執(zhí)行器載荷差異造成的節(jié)流損失。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)進(jìn)出口獨(dú)立控制系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)可減小節(jié)流損失90%，降低系統(tǒng)能耗41%，并改善重載執(zhí)行器響應(yīng)滯后現(xiàn)象；

(3) 系統(tǒng)閥控單元采用進(jìn)出口獨(dú)立控制，可降低執(zhí)行器起動(dòng)與制動(dòng)時(shí)的速度及壓力波動(dòng)，動(dòng)臂下降時(shí)可將動(dòng)臂無桿腔多余高壓油液輸送給其他執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)流量再生；

(4) 系統(tǒng)可推廣應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)所有執(zhí)行器，本研究對減少系統(tǒng)能耗、提高能量回收效率和整機(jī)系統(tǒng)特性研究奠定了基礎(chǔ)。