王 瑩，馬曉力，王 強(qiáng)

（1.河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程管理系，河南鄭州450000；2.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州450000；3.河南飛工重型機(jī)械制造有限公司設(shè)計(jì)部，河南鄭州450061）

在智能設(shè)備控制系統(tǒng)中，回轉(zhuǎn)平臺(tái)屬于一個(gè)重要組成部分，對(duì)機(jī)械動(dòng)力傳輸、自動(dòng)控制等領(lǐng)域的技術(shù)升級(jí)發(fā)揮了重要作用。由于設(shè)備需要頻繁轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致回轉(zhuǎn)平臺(tái)也發(fā)生高頻啟動(dòng)與制動(dòng)過(guò)程，考慮到設(shè)備具備較大的慣性，啟動(dòng)階段形成了比液壓馬達(dá)溢流閥部位更大的臨界壓力，產(chǎn)生明顯溢流的現(xiàn)象［1-3］。回轉(zhuǎn)平臺(tái)動(dòng)能經(jīng)制動(dòng)閥作用以熱能的形式散失，造成嚴(yán)重的能量損耗；回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)選擇開(kāi)環(huán)形式的閥控馬達(dá)時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)行控制，同時(shí)控制閥油口部位會(huì)出現(xiàn)明顯的節(jié)流損耗［4-8］。針對(duì)當(dāng)前全球環(huán)境污染日益加重以及對(duì)能源耗量的持續(xù)增加，如何實(shí)現(xiàn)減小系統(tǒng)能耗以及達(dá)到更優(yōu)的減排效果逐漸引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。

進(jìn)行液壓能回收的過(guò)程通常是以液壓馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)平臺(tái)制動(dòng)能量的回收并將其儲(chǔ)存至蓄能器內(nèi)，使用階段再把高壓油液重新輸出至跟發(fā)動(dòng)機(jī)保持同軸連接形式的變量泵中，設(shè)置削峰填谷的方式，確保發(fā)動(dòng)機(jī)處于燃油高效區(qū)的運(yùn)行狀態(tài)，獲得優(yōu)異的節(jié)能效果［9-12］。Lee［13］利用蓄能器實(shí)現(xiàn)制動(dòng)油液的儲(chǔ)存過(guò)程，之后進(jìn)入回轉(zhuǎn)啟動(dòng)階段時(shí)，再把高壓油引入液壓馬達(dá)進(jìn)油口，由此得到理想節(jié)能效果?？聢?jiān)等［14］設(shè)計(jì)一種可以對(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)動(dòng)能進(jìn)行間接回收的系統(tǒng)，制動(dòng)過(guò)程中采用控制閥切換的方式將高壓油液壓入到回收馬達(dá)中，接著通過(guò)驅(qū)動(dòng)能量回收泵把高壓油充入蓄能器內(nèi)，完成回收動(dòng)能的過(guò)程，同時(shí)控制高壓油液進(jìn)入多路閥進(jìn)口，使主泵以更小功率輸出。黃偉男［15］設(shè)計(jì)了一種雙液壓馬達(dá)的主被動(dòng)復(fù)合控制技術(shù)，根據(jù)原閥控馬達(dá)系統(tǒng)運(yùn)行控制機(jī)制，為回轉(zhuǎn)平臺(tái)設(shè)置了一套包含液壓馬達(dá)與蓄能器的液壓馬達(dá)系統(tǒng)，通過(guò)被動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)回收動(dòng)能的功能，進(jìn)入啟動(dòng)階段時(shí)則為主動(dòng)系統(tǒng)提供輔助作用，由此實(shí)現(xiàn)制動(dòng)動(dòng)能的充分利用，達(dá)到系統(tǒng)能耗的有效控制。在前人研究的基礎(chǔ)上，為了提高挖掘機(jī)節(jié)能效果，本文提出了一種伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)及補(bǔ)油系統(tǒng)，并開(kāi)展節(jié)能及補(bǔ)油效果仿真分析。

1 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

本研究設(shè)計(jì)了圖1 的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)并標(biāo)注了各部分的名稱(chēng)，同時(shí)為原機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)配備了蓄能器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、雙向伺服電機(jī)、電比例換向閥、制動(dòng)電阻與超級(jí)電容等部件，利用減速器實(shí)現(xiàn)將伺服電機(jī)與液壓馬達(dá)的連接，并將其安裝于回轉(zhuǎn)平臺(tái)上。

圖1 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理Fig.1 Servo motor driven rotary system schematic diagram

按照?qǐng)D示方向作為回轉(zhuǎn)平臺(tái)的正轉(zhuǎn)方向，利用操作手柄實(shí)現(xiàn)控制器的信號(hào)輸出，通過(guò)電驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，換向閥在右位處保持全開(kāi)的狀態(tài)，蓄能器開(kāi)始為液壓馬達(dá)輸出高壓油，利用減速器和伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的共同驅(qū)動(dòng)。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 仿真模型搭建

本研究選擇矢量變換控制的模式，通過(guò)SimulationX 軟件以及相關(guān)電器元件構(gòu)建得到如圖2所示的仿真模型。

圖2 伺服電機(jī)仿真模型Fig.2 Servo motor simulation model

本次試驗(yàn)以1320C 永磁同步伺服電機(jī)作為動(dòng)力測(cè)試部件，同時(shí)在系統(tǒng)中設(shè)置了路斯特驅(qū)動(dòng)器。為模型設(shè)置的驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、三相電源都屬于不會(huì)發(fā)生損耗的理想元件。當(dāng)伺服電機(jī)運(yùn)行于額定工況下時(shí)，輸出的效率接近94%，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器處于額定功率下時(shí)，輸出效率是98%，根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算從電網(wǎng)至電機(jī)的輸出效率為92.12%；當(dāng)伺服電機(jī)進(jìn)入發(fā)電階段時(shí)，以額定工況運(yùn)行時(shí)的效率是70%，驅(qū)動(dòng)器以額定功率運(yùn)行時(shí)的效率是98%，儲(chǔ)能系統(tǒng)效率達(dá)到90%，因此在額定功率運(yùn)行的狀態(tài)下，回收制動(dòng)動(dòng)能被轉(zhuǎn)化成電能的效率達(dá)到62%。

2.2 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)仿真分析

以90°滿(mǎn)載工況作為測(cè)試工況，由此計(jì)算運(yùn)行控制過(guò)程的能耗指標(biāo)。通過(guò)原機(jī)正流量回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)構(gòu)建仿真模型，按照滿(mǎn)載90°的條件開(kāi)展仿真測(cè)試。圖3 給出了各回轉(zhuǎn)系統(tǒng)下形成的運(yùn)行曲線(xiàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)圖3 可知，本系統(tǒng)運(yùn)行特性跟原機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)相近，整個(gè)制動(dòng)過(guò)程結(jié)束后，回轉(zhuǎn)平臺(tái)達(dá)到了穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了精確控制的目標(biāo)。

圖3 不同回轉(zhuǎn)系統(tǒng)運(yùn)行特性Fig.3 Operating characteristics of different rotary systems

圖4 是在滿(mǎn)載90°條件下進(jìn)行能耗測(cè)試得到曲線(xiàn)，當(dāng)時(shí)間介于1.0~3.8 s 范圍內(nèi)時(shí)，回轉(zhuǎn)平臺(tái)發(fā)生正轉(zhuǎn)起動(dòng)，逐漸增加回轉(zhuǎn)角度后，蓄能器發(fā)生了壓力持續(xù)減小的現(xiàn)象，此時(shí)電機(jī)開(kāi)始輸出更大的功率，峰值達(dá)到54.24 kW；介于3.8~6.2 s 時(shí)間段時(shí)，回轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)，蓄能器和伺服電機(jī)一起實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收，通過(guò)蓄能器回收的能量為43.14 kJ，電機(jī)達(dá)到了-12.92 kW 的峰值功率，總共回收10 kJ 的制動(dòng)動(dòng)能；介于8.0~10.8 s 時(shí)間段內(nèi)，回轉(zhuǎn)平臺(tái)發(fā)生反轉(zhuǎn)起動(dòng)，根據(jù)圖5 可知，處于正向回轉(zhuǎn)期間，起動(dòng)階段蓄能器形成了比制動(dòng)階段回收過(guò)程更多的油液，進(jìn)入反向回轉(zhuǎn)的過(guò)程時(shí)，蓄能器中形成了更小的初始?jí)毫Γ欧姍C(jī)產(chǎn)生了比正向回轉(zhuǎn)過(guò)程更高輸出功率，達(dá)到59 kW 的最高值；介于11.8~13.2 s 之間時(shí)，回轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)通過(guò)蓄能器回收的能量為42.35 kJ，電機(jī)達(dá)到-15.35 kW 的峰值，總共回收14.87 kJ 的制動(dòng)能量。因此以90°滿(mǎn)載工況運(yùn)行時(shí)，伺服電機(jī)在一個(gè)回轉(zhuǎn)循環(huán)內(nèi)消耗了101.93 kJ 的能量，蓄能器總共輸出118.72 kJ，相對(duì)初始回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的能耗減小65%，對(duì)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)節(jié)流與溢流損耗程度起到了明顯限制。

圖4 不同回轉(zhuǎn)系統(tǒng)能耗特性Fig.4 Energy consumption characteristics of different rotary systems

圖5 蓄能器油液壓力和體積Fig.5 Accumulator oil pressure and volume

以滿(mǎn)載90°狀態(tài)運(yùn)行一個(gè)循環(huán)過(guò)程，伺服電機(jī)共消耗102 kJ，蓄能器共輸出117.81 kJ，相對(duì)最初的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)能耗減小了63.26%，對(duì)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)節(jié)流與溢流過(guò)程的能耗起到明顯抑制作用。

根據(jù)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果可知，達(dá)到了優(yōu)異節(jié)能效果，測(cè)試期間蓄能器只完成一個(gè)回轉(zhuǎn)循環(huán)，包括兩次回轉(zhuǎn)操作，蓄能器壓力減小至21 MPa，無(wú)法達(dá)到設(shè)定的油液壓力與體積要求，需采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)油措施。為克服伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)運(yùn)行控制缺陷，在滿(mǎn)足回轉(zhuǎn)起制動(dòng)控制要求以及確保蓄能器使用壽命達(dá)標(biāo)的狀態(tài)下，以變量馬達(dá)取代定量馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)小排量調(diào)控的效果，進(jìn)一步降低了蓄能器油液釋放，進(jìn)入制動(dòng)過(guò)程后，保持大排量輸出，實(shí)現(xiàn)高壓油液的快速回收。

2.3 采用變量馬達(dá)補(bǔ)油仿真優(yōu)化

考慮到回轉(zhuǎn)起動(dòng)時(shí)間比制動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng)，根據(jù)前期研究結(jié)果可知，處于90°滿(mǎn)載條件下，蓄能器共釋放油液體積近6 L，回收體積近2.5 L，通過(guò)蓄能器回收獲得的油液體積相對(duì)釋放油液體積比達(dá)到43%。因此起動(dòng)階段變量馬達(dá)保持40%的較低排量，進(jìn)入制動(dòng)階段后保持全排量的工作狀態(tài)，起動(dòng)階段蓄能器釋放更少的油液，從而控制蓄能器達(dá)到更小的壓力波動(dòng)幅度，延長(zhǎng)了補(bǔ)油周期，實(shí)現(xiàn)作業(yè)效率的明顯提升。通過(guò)設(shè)置不同的電機(jī)運(yùn)行曲線(xiàn)實(shí)現(xiàn)變量馬達(dá)的排量調(diào)節(jié)功能，其中，起動(dòng)與制動(dòng)階段分別設(shè)置成小排量與全排量。設(shè)定變量馬達(dá)排量介于200~290 mL/r 范圍內(nèi)，蓄能器總?cè)莘e為60 L，可以達(dá)到28 MPa 的最大壓力，設(shè)定預(yù)充壓力為16 MPa，按照滿(mǎn)載90°的工況測(cè)試了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

根據(jù)圖6 可知，設(shè)置變量馬達(dá)額定排量為200 mL/r 的條件下，經(jīng)過(guò)1 個(gè)回轉(zhuǎn)循環(huán)后在蓄能器中形成了27 MPa 的壓力，產(chǎn)生了13.2 L 的油液，壓力波動(dòng)幅度為1.03 MPa，容積差值0.82 L。在同時(shí)達(dá)到回轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制性能與使用壽命要求的條件下，經(jīng)仿真測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，總共可以完成5.5 個(gè)循環(huán)。由此可見(jiàn)，采用優(yōu)選處理的變量馬達(dá)能夠大幅降低補(bǔ)油次數(shù)，實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)工作過(guò)程，可顯著提升工作效率。

圖6 蓄能器油液壓力Fig.6 Accumulator oil pressure

圖8 給出了以不同排量變量馬達(dá)進(jìn)行回轉(zhuǎn)控制時(shí)形成的能耗變化曲線(xiàn)?？梢悦黠@看到，選擇260 mL/r變量馬達(dá)時(shí)，形成了57.1 kW的峰值功率，制動(dòng)峰值功率達(dá)到-1.12 kW；進(jìn)行反轉(zhuǎn)起動(dòng)時(shí)，峰值功率達(dá)到58.06 kW，制動(dòng)時(shí)峰值功率為-2.50 kW，回轉(zhuǎn)階段伺服電機(jī)共消耗164.2 kJ 的能量。

圖7 蓄能器油液體積Fig.7 Accumulator oil volume

圖8 伺服電機(jī)能耗圖Fig.8 Servo motor energy consumption diagram

上述研究結(jié)果顯示，液壓馬達(dá)排量為260 mL/r的情況下，回轉(zhuǎn)制動(dòng)過(guò)程的輸出功率接近0，制動(dòng)動(dòng)能回收效果很差，此時(shí)不需要配備電氣儲(chǔ)能裝置，只需通過(guò)蓄能器與變量馬達(dá)來(lái)達(dá)到高效回收平臺(tái)制動(dòng)動(dòng)能的效果；液壓馬達(dá)排量超過(guò)260 mL/r的情況下進(jìn)行回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)，通過(guò)液壓馬達(dá)輸入蓄能器內(nèi)的油液力矩比制動(dòng)期間回轉(zhuǎn)平臺(tái)輸出制動(dòng)力矩更高，此時(shí)可以將部分電能轉(zhuǎn)換為制動(dòng)能量，最后以液壓的形式進(jìn)行儲(chǔ)存。對(duì)變量馬達(dá)進(jìn)行優(yōu)選時(shí)，需為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)配備260 mL/r 的變量馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)油頻次的大幅減小，獲得更簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

（1）以90°滿(mǎn)載工況作為測(cè)試工況，本系統(tǒng)運(yùn)行特性跟原機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)相近，整個(gè)制動(dòng)過(guò)程結(jié)束后，回轉(zhuǎn)平臺(tái)達(dá)到了穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了精確控制的目標(biāo)。相對(duì)最初的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)能耗減小了63.26%，對(duì)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)節(jié)流與溢流過(guò)程的能耗起到明顯抑制作用。

（2）起動(dòng)階段蓄能器釋放更少的油液，從而控制蓄能器達(dá)到更小的壓力波動(dòng)幅度，延長(zhǎng)了補(bǔ)油周期，實(shí)現(xiàn)作業(yè)效率的明顯提升。采用優(yōu)選處理的變量馬達(dá)能夠大幅降低補(bǔ)油次數(shù)，實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)工作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)工作效率的顯著提升。為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)配備260 mL/r的變量馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)油頻次的大幅減小，獲得更簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)。