張 寅, 張建洋, 陸順新, 孔祥東, 張 晉, 曹 明

(1.燕山大學機械工程學院, 河北秦皇島 066004; 2.秦皇島職業(yè)技術(shù)學院機電工程系, 河北秦皇島 066004;3.北京華德液壓工業(yè)集團有限責任公司, 北京 100000)

引言

液壓泵和液壓馬達分別作為液壓系統(tǒng)的“心臟”和“手臂”,直接決定系統(tǒng)的動靜態(tài)特性,影響設備運行的安全與平穩(wěn)[1]。由于受到先進的設計方法和生產(chǎn)制造技術(shù)的限制,一些高端液壓元件依舊被國外壟斷[2]。雖然通過有限元分析和建模等仿真技術(shù)可以為液壓元件的正向設計和生產(chǎn)給予一定的指導意見,但無法得到實際的檢驗[3]。只有不斷的對液壓泵和馬達進行各項性能的測試,才能找到產(chǎn)品存在的問題。因此,設計和研制性能較高的液壓泵馬達性能測試臺十分必要。本研究針對液壓泵馬達性能測試臺中的功率回收問題進行研究。

據(jù)美國能源部門統(tǒng)計,發(fā)展中國家的所有能源消耗中液壓泵所消耗的能量占據(jù)其1/5[4-5],并且,絕大多數(shù)的測試臺都是通過溢流加載的方式改變系統(tǒng)壓力,這樣會產(chǎn)生大量的熱能,功率回收旨在對這部分能量進行回收,是在響應國家對節(jié)約資源的號召,同時也能降低企業(yè)的運營成本[6-9]。

針對泵、馬達試驗臺,董晗等[10]介紹了并聯(lián)式液壓混合動力系統(tǒng)制動能量回收的節(jié)能機理。吳時飛[11]設計出一種新型的功率回饋式電液比例泵—馬達試驗臺,采用功率回饋式原理,具有裝機功率小、應用范圍廣、應用精度高等優(yōu)點。張春輝等[12]對液壓泵可靠性試驗臺常用功率回收方式及其特點進行分析,結(jié)合并行式節(jié)能理念設計搭建新型可靠性試驗臺。高強等[13]針對可靠性高、壽命長的液壓泵(馬達)在可靠性試驗中功率消耗大的問題,設計了一種基于電功率回收方式的液壓泵(馬達)可靠性試驗臺。候小華等[14]對大功率液壓元件及系統(tǒng)實驗、長時間壽命實驗和超載實驗、大批量液壓元件產(chǎn)品性能實驗過程中的能量浪費進行分析,設計了一種基于液壓反饋的功率回收方式。王汝成等[15]針對傳統(tǒng)大功率液壓泵馬達試驗臺采用節(jié)流閥或溢流閥方式加載,導致能量均以熱能的形式浪費的問題,設計了一種可對開式液壓泵、閉式液壓泵和液壓馬達進行性能測試的機械補償功率回收式試驗系統(tǒng)。

本研究分析了電功率、機械補償和液壓補償?shù)墓β驶厥障到y(tǒng)方案,確定出液壓泵馬達測試臺較為理想的功率回收系統(tǒng)形式。對選用的電功率回收系統(tǒng)通過AMESim軟件建立了功率回收系統(tǒng)模型,對不同工況下電功率回收系統(tǒng)的回收率進行分析。

1 液壓泵馬達測試臺功率回收方案確定

具有能量回收功能的測試臺,其原理是通過能量回收裝置或系統(tǒng),將被試產(chǎn)品輸出的部分能量回收并以機械能、電能或液壓能的形式重新輸入到系統(tǒng)中,從而降低了輸入的功率,達到節(jié)能的目的。圖1為非功率回收形式下液壓系統(tǒng)能量傳遞示意圖,圖2為功率回收形式下液壓系統(tǒng)能量傳遞示意圖[5]。

圖1 非功率回收形式下液壓系統(tǒng)能量傳遞示意圖

圖2 功率回收形式下液壓系統(tǒng)能量傳遞示意圖Fig.2 Schematic diagram of energy transfer of hydraulic system in power recovery mode

其中,pr1和pc1分別為非功率回收形式下液壓系統(tǒng)的輸入功率和輸出功率;pr2為功率回收形式下液壓系統(tǒng)的輸入功率,pc2為功率回收形式下液壓系統(tǒng)的整體輸出功率,pf為功率回收形式下液壓系統(tǒng)能量回收裝置的回收功率。

其中:

pc1=pr1η1

(1)

pc2=pr2η1+pfη1

(2)

pf=pr2η1η2η3+pfη1η2η3

(3)

(4)

若兩種形式下,動力裝置與被測元件相同。

pr2=pr1-pr1η1η2η3

(5)

(6)

式中,η1—— 驅(qū)動裝置的效率

η2—— 被試件的效率

η3—— 能量回收的效率

ξ—— 功率回收率

隨著液壓測試技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)階段形成了比較成熟的3種功率回收方案,下文將對3種方案進行分析對比。

1.1 液壓補償回收測試臺原理分析

液壓補償形式的液壓測試臺多用于對液壓馬達的性能測試,以液壓能的形式進行回饋。液壓補償又分為串聯(lián)液壓補償形式和并聯(lián)液壓補償形式。

串聯(lián)形式的液壓補償測試臺包括主泵、加載泵、被試馬達以及節(jié)流閥等主要部分。測試臺中主泵和加載泵串聯(lián),加載泵和被試馬達連接,主泵為加載泵輸送壓力油,馬達輸出扭矩給加載泵實現(xiàn)能量回收。試驗過程要保證被試馬達的排量小于加載泵的排量,并且通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度進行壓力調(diào)節(jié)。原理如圖3所示。

圖3 串聯(lián)形式的液壓補償回收系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of hydraulic compensation and recovery system in series

并聯(lián)形式的液壓補償測試臺包括主泵、負載泵、被試馬達以及溢流閥等主要部分。變頻電機作為主泵的動力裝置為其輸出動力,主泵的液壓油提供給被試馬達,從而馬達轉(zhuǎn)動輸出轉(zhuǎn)矩給負載泵,負載泵工作產(chǎn)生的壓力油加上主泵提供的壓力油輸送到被試馬達。負載泵為變量泵,被試馬達的入口壓力值的調(diào)整由調(diào)節(jié)溢流閥開口大小和改變負載泵的排量來實現(xiàn);調(diào)節(jié)主泵的出口流量改變馬達的工作轉(zhuǎn)速。原理如圖4所示。

圖4 并聯(lián)形式的液壓補償回收系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic diagram of parallel hydraulic compensation and recovery system

1.2 機械補償回收測試臺原理分析

機械補償形式的液壓泵馬達測試臺包括液壓泵、電動機、加載馬達以及溢流閥等主要部分。其原理圖如圖5所示。

圖5 機械補償回收系統(tǒng)原理圖Fig.5 Schematic diagram of mechanical compensation and recovery system

當測試臺工作時,電動機為液壓泵提供動力,并利用變頻器改變不同試驗轉(zhuǎn)速;液壓泵與液壓馬達之間通過聯(lián)軸器等傳動裝置進行連接。因此液壓馬達將液壓泵輸出的液壓能轉(zhuǎn)化為機械能傳遞給液壓泵[6]。

1.3 電功率回收測試臺原理分析

電功率回收形式的液壓泵馬達測試臺主要包括驅(qū)動電機、液壓泵、液壓馬達、加載電機(加載時為發(fā)電機)以及整流逆變裝置等主要部分,其原理圖如圖6所示。

圖6 電功率回收系統(tǒng)原理圖Fig.6 Schematic diagram of electric power recovery system

驅(qū)動電機連接液壓泵進行轉(zhuǎn)動,液壓泵驅(qū)動液壓馬達,液壓馬達帶動加載電機進行發(fā)電,發(fā)出來的電能進行回收供驅(qū)動電機使用,形成電能回饋系統(tǒng)。從而使能量循環(huán)使用,只需要從電網(wǎng)汲取較少能量便可完成試驗[7]。

1.4 測試臺功率回收形式的比較

本研究某液壓泵馬達測試臺按照試驗標準進行液壓泵和液壓馬達各項性能測試,同時還要保證試驗過程的方便性,減少試驗約束條件,而且功率回收系統(tǒng)的嵌入不能影響測試臺的調(diào)速、調(diào)壓等測試精度和性能指標。

3種功率回收方式的優(yōu)缺點對比見表1,綜合測試試驗的要求和優(yōu)缺點,選擇采用電功率回收系統(tǒng)方案。

表1 功率回收形式優(yōu)缺點比較Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of power recovery

2 測試臺電功率回收系統(tǒng)

本研究采用的電功率回收系統(tǒng)實質(zhì)上是以共直流母線技術(shù)為核心的變頻多傳動系統(tǒng),既能實現(xiàn)調(diào)速功能又可以進行加載制動。電功率回收系統(tǒng)能夠?qū)⒃囼炦^程中產(chǎn)生的功率流通過電路進行能量反饋,從而達到能量循環(huán)利用的目的。該系統(tǒng)由動力控制模塊、系統(tǒng)主電路、變頻控制電路、IGBT逆變驅(qū)動電路以及檢測電路組成[8]。電功率回收系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 電功率回收系統(tǒng)圖Fig.7 Electric power recovery system diagram

電功率回收形式的液壓試驗系統(tǒng)能量流動簡圖如圖8所示。

圖8 液壓試驗系統(tǒng)能量流動簡圖Fig.8 Schematic diagram of energy flow of hydraulic test system

3 功率回收效率研究

3.1 功率回收系統(tǒng)模型建立

在AMESim中利用液壓元件庫、信號庫、基礎電氣庫和電動馬達驅(qū)動庫搭建液壓馬達開式回路、驅(qū)動電機、加載電機以及整流逆變裝置的仿真模型。電功率回收形式的試驗系統(tǒng)仿真模型如圖9所示。

圖9 電功率回收系統(tǒng)AMESim仿真模型Fig.9 AMESim simulation model of electric power recovery system

3.2 不同工況下功率回收系統(tǒng)效率分析

根據(jù)性能試驗的典型工況,進行泵馬達測試臺電功率回收效率的仿真分析。仿真中將加載側(cè)電機的輸出功率與輸入到驅(qū)動電機的功率之比作為回收率。由于液壓泵和液壓馬達在不同轉(zhuǎn)速以及工作壓力時具有不同的機械效率和容積效率,同時電機的效率也會隨負載不同而變化,因此在根據(jù)不同工況設定液壓泵、液壓馬達以及電機的效率。測試臺系統(tǒng)主要參數(shù)如表2所示。

表2 測試臺系統(tǒng)主要仿真參數(shù)Tab.2 Main simulation parameters of test bench system

1) 不同負載壓力下功率回收系統(tǒng)仿真分析

在馬達的排量為120 mL/r,給定馬達階躍轉(zhuǎn)速為2100 r/min的條件下,施加不同的負載壓力分別為7.5, 12, 16.5, 21, 24 MPa,得到系統(tǒng)輸入功率、輸出功率以及功率回收率的仿真曲線如圖10所示。

圖10 不同負載壓力下系統(tǒng)功率仿真曲線Fig.10 Simulation curves of system power under different load pressures

通過仿真結(jié)果可以看出,在同一轉(zhuǎn)速下,負載壓力變化時,系統(tǒng)的輸入功率、回收功率以及回收率也會變化。在額定壓力范圍之內(nèi),施加的負載壓力越高,穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)的輸入功率、回收功率、回收率就越高。給定階躍轉(zhuǎn)速信號后,系統(tǒng)瞬間會有較高的壓力沖擊和轉(zhuǎn)速超調(diào),系統(tǒng)驅(qū)動電機的啟動電流也會瞬間增大,因此系統(tǒng)的輸入功率會有峰值。當系統(tǒng)的壓力和轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后,輸入功率也趨于穩(wěn)定。

不同負載下系統(tǒng)仿真結(jié)果如表3所示。通過表中數(shù)據(jù)可知,當系統(tǒng)負載壓力為21 MPa 時回收率為 62.77%,與理論計算值接近,這是因為此時液壓泵、馬達的總效率均在 80%左右,與理論計算時設定的效率值相同。并且系統(tǒng)在中高轉(zhuǎn)速、額定壓力范圍內(nèi)運行時,隨著壓力增大液壓回路效率略有下降但變化較小,而電機效率以及變頻單元的效率會隨之顯著提高,綜合作用下整個系統(tǒng)回收率會增大。

表3 不同負載下系統(tǒng)仿真結(jié)果Tab.3 System simulation results under different loads

2) 不同馬達轉(zhuǎn)速下功率回收系統(tǒng)仿真分析

在馬達的排量為120 mL/r、負載壓力為24 MPa的條件下,給定馬達階躍轉(zhuǎn)速分別為750, 1200, 1650, 2100, 2400 r/min,仿真分析系統(tǒng)回收性能以及回收效率。仿真曲線如圖11所示。

圖11 不同轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)功率仿真曲線Fig.11 Simulation curves of system power at different speeds

通過仿真結(jié)果可以看出,在馬達排量和系統(tǒng)壓力不變的情況下,給定馬達轉(zhuǎn)速越高,穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)的輸入功率、回收功率越高,而回收率越低。給定階躍轉(zhuǎn)速信號后,系統(tǒng)瞬間會有較高的壓力沖擊和轉(zhuǎn)速超調(diào),系統(tǒng)驅(qū)動電機泵的啟動電流也會瞬間增大,因此系統(tǒng)的輸入功率會有尖峰值;當系統(tǒng)的壓力和轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后,輸入功率也趨于穩(wěn)定。馬達轉(zhuǎn)速升高時穩(wěn)態(tài)的回收率降低,這是因為轉(zhuǎn)速升高液壓回路的效率有所增加,但同時為保證系統(tǒng)壓力不變加載電機的負載扭矩隨轉(zhuǎn)速升高而減小,從而電機的效率會降低;在中高壓力工況下電機效率的作用大于液壓回路效率的作用,綜合電機和液壓回路兩部分的影響,轉(zhuǎn)速升高回收率降低。不同轉(zhuǎn)速工況下系統(tǒng)仿真結(jié)果如表4 所示。

表4 不同轉(zhuǎn)速工況下系統(tǒng)仿真結(jié)果Tab.4 Simulation results of system under different speed conditions

3) 不同馬達排量下功率回收系統(tǒng)仿真分析

在馬達的轉(zhuǎn)速為2100 r/min、負載壓力為24 MPa的條件下,調(diào)節(jié)馬達排量分別為60, 90, 120 mL/r,在不同的排量下仿真分析系統(tǒng)回收性能以及回收效率。仿真曲線如圖12所示。

圖12 不同排量下系統(tǒng)功率仿真曲線Fig.12 Simulation curve of system power under different displacement

通過仿真結(jié)果可以看出,給定馬達排量越高,穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)的輸入功率、回收功率越高,而回收率略有降低。給定階躍轉(zhuǎn)速信號后,系統(tǒng)瞬間會有較高的壓力沖擊和轉(zhuǎn)速超調(diào),系統(tǒng)驅(qū)動電機的啟動電流也會瞬間增大,因此系統(tǒng)的輸入功率會有尖峰值;當系統(tǒng)的壓力和轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后,輸入功率也趨于穩(wěn)定;排量越大,輸入功率上升速率越快,到達穩(wěn)定值的時間越短。馬達排量越大,發(fā)電機的回收功率的最終穩(wěn)定值越大。馬達轉(zhuǎn)速為中高轉(zhuǎn)速并且排量增大時,穩(wěn)態(tài)時的回收率降低,并且到達穩(wěn)定回收率的時間越短。

4 功率回收功能試驗

本章將對液壓泵馬達綜合試驗臺的功率回收率進行試驗研究,并與仿真結(jié)果對比,驗證仿真模型的正確性。

在試驗開始前,已對試驗臺選用的各類傳感器進行校準,確保實驗數(shù)據(jù)準確可靠。功率回收功能試驗選用型號為HD-A6VM100的斜軸式變量馬達,該款馬達性能可靠。同時試驗測量的數(shù)據(jù)將與馬達的原始規(guī)格數(shù)據(jù)進行比較,確保液壓泵馬達試驗臺的設計合理,滿足液壓泵馬達的出廠測試要求。

試驗主要研究馬達最大排量和最小排量時的系統(tǒng)回收率,觀察在不同轉(zhuǎn)速的條件下,系統(tǒng)回收率隨加載壓力的變化曲線,最終結(jié)果如圖13a和圖13b所示。

圖13 功率回收性能試驗曲線Fig.13 Experimental curve of power recovery performance

從試驗曲線中可以看出,在轉(zhuǎn)速和排量不變的條件下,壓力與系統(tǒng)的功率回收率整體上成正比,即壓力越大回收率越高;在壓力和排量不變的條件下,轉(zhuǎn)速越高回收率越低。這與仿真結(jié)果一致,驗證了仿真結(jié)果的正確性。

5 結(jié)論

(1) 將功率回收系統(tǒng)和非功率回收系統(tǒng)的原理進行了對比,詳細介紹了三種不同形式的功率回收系統(tǒng),最終確定選用基于共直流母線技術(shù)的電功率回收系統(tǒng)方案;

(2) 通過AMESim軟件搭建了液壓系統(tǒng)和電功率回收系統(tǒng)的仿真模型,針對三種不同工況分別進行了仿真分析,相同的條件下,又進行了測試臺功率回收性能試驗,試驗和仿真得到的曲線一致。結(jié)果表明:液壓馬達轉(zhuǎn)速和排量一定,系統(tǒng)在中高轉(zhuǎn)速、額定壓力范圍內(nèi)運行時,壓力越高回收率越高;液壓馬達壓力和排量一定,系統(tǒng)中高壓力、額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行時,轉(zhuǎn)速越高回收率越低;系統(tǒng)在中高轉(zhuǎn)速和中高壓力運行時,排量越大回收率越低。