成 杰, 高有山, 黃家海, 權(quán) 龍
(1.太原工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系, 山西 太原 030008; 2.太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 山西 太原 030024;3.太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部與山西重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030024)
當(dāng)前出現(xiàn)周期性的全球能源短缺使人類越來越認(rèn)識(shí)到節(jié)能減排的重要性,國家目前已制定出努力爭取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo),在工程機(jī)械領(lǐng)域,許多學(xué)者對節(jié)能技術(shù)做了大量深入的研究[1-6]。液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)的能量通常在液壓閥口上消耗,直接導(dǎo)致了節(jié)能損耗和系統(tǒng)發(fā)熱,大大降低了元件的可靠性。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了一種壓力共軌形式的混合動(dòng)力技術(shù)挖掘機(jī)配置方法,使用液壓系統(tǒng)泵/馬達(dá)回收回轉(zhuǎn)制動(dòng)能[7-8]。中南大學(xué)針對挖掘機(jī)工作時(shí)的工況特性,設(shè)計(jì)了一種電液能量的回收方案,在不降低原系統(tǒng)性能的前提下,達(dá)到了良好的節(jié)能效果[9]。ZX200型日立建機(jī)挖掘機(jī)使用并聯(lián)混合動(dòng)力技術(shù),其回轉(zhuǎn)系統(tǒng)由電動(dòng)/發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng),當(dāng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)處于制動(dòng)工況時(shí),電動(dòng)-發(fā)電機(jī)處于發(fā)電機(jī)模式,當(dāng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)處于加速工況時(shí),電動(dòng)-發(fā)電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)模式[10]。
通過上述對工程機(jī)械的國內(nèi)外節(jié)能技術(shù)研究可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)前工程機(jī)械回收回轉(zhuǎn)系統(tǒng)制動(dòng)能主要是通過增加外接元件的方式進(jìn)行,能量需經(jīng)多種形式的轉(zhuǎn)化,系統(tǒng)復(fù)雜。針對上述問題課題組提出了新型四配流窗口液壓軸向柱塞馬達(dá)回收能量的解決方式,本研究對單動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)下的新型四配流窗口液壓軸向柱塞馬達(dá)特性進(jìn)行了研究分析。
本研究中新型軸向馬達(dá)配流盤采用對稱分布并行排列的結(jié)構(gòu),配流盤結(jié)構(gòu)如圖1所示,4個(gè)配流窗口中有2個(gè)進(jìn)油口和2個(gè)排油口,且能實(shí)現(xiàn)4個(gè)進(jìn)出油口獨(dú)立控制;2個(gè)進(jìn)油口中分別有單壓力源驅(qū)動(dòng)和雙壓力源驅(qū)動(dòng)兩種工況,本研究研究的是第一種工況,新型軸向馬達(dá)與蓄能器組成相關(guān)回路可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)制動(dòng)能量的回收再利用。
圖1 新型軸向馬達(dá)配流盤結(jié)構(gòu)
新型軸向馬達(dá)能量回收原理如圖2所示[11],在此回路中,配流窗口A,B由4個(gè)二位二通電磁比例閥組成的回路獨(dú)立控制進(jìn)油和排油,從而降低系統(tǒng)的節(jié)流損耗?;谂淞鞔翱贏,B進(jìn)出油液流量和負(fù)載旋轉(zhuǎn)方向選取最優(yōu)控制策略,提高旋轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在每個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的運(yùn)行穩(wěn)定性;配流窗口C,D由1個(gè)三位四通比例閥和蓄能器組成的回路進(jìn)行回收能量或再利用能量。系統(tǒng)回路原理為當(dāng)回轉(zhuǎn)負(fù)載機(jī)構(gòu)需要較大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí),液壓泵1通過電磁比例閥2(或3)向窗口B(或A)提供壓力油,同時(shí)窗口B(或A)排除的液壓油通過電磁比例閥4(或5)流回油箱;此時(shí)蓄能器8中的壓力油通過三位四通比例方向閥7進(jìn)入窗口D(或C),在油液驅(qū)動(dòng)負(fù)載后通過窗口C(或D)經(jīng)過三位四通比例方向閥7流回油箱。當(dāng)回轉(zhuǎn)負(fù)載機(jī)構(gòu)在啟動(dòng)后三位四通比例方向閥7處于中位時(shí),回轉(zhuǎn)負(fù)載機(jī)構(gòu)僅能實(shí)現(xiàn)緩慢加速。當(dāng)回轉(zhuǎn)負(fù)載機(jī)構(gòu)需回收能量時(shí),窗口B(或A)通過電磁比例閥4和5與油箱接通,回收的高壓液壓油通過三位四通比例方向閥7儲(chǔ)存在蓄能器中,待回轉(zhuǎn)負(fù)載機(jī)構(gòu)需要較大轉(zhuǎn)矩時(shí)使用。
1.液壓泵 2-5.電磁比例閥 6.新型軸向馬達(dá)配流盤 7.三位四通比例方向閥 8.蓄能器
新型柱塞馬達(dá)的所有柱塞均進(jìn)行一次完整的進(jìn)油和排油過程,馬達(dá)缸體和輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)360°。配流盤外側(cè)進(jìn)排油窗口與內(nèi)側(cè)進(jìn)排油窗口所對應(yīng)的圓心角度相同,則馬達(dá)排量為:
(1)
式中,A—— 柱塞截面面積
smax—— 柱塞沿缸體軸向方向的最大位移
d—— 柱塞直徑
z—— 柱塞數(shù)目
R—— 柱塞的分布圓半徑
γ—— 斜盤傾角
根據(jù)新型四配流窗口液壓軸向柱塞馬達(dá)配流盤內(nèi)外交錯(cuò)腰形槽的特殊結(jié)構(gòu),若A(或B)口進(jìn)油,C(或D)口進(jìn)油,則B(或A)口排油,D(或C)口排油,即保證油液從內(nèi)圈進(jìn)入內(nèi)圈排出,外圈進(jìn)入外圈排出,內(nèi)圈和外圈的油液相互獨(dú)立。若負(fù)責(zé)外圈進(jìn)油和排油的柱塞數(shù)目為z1,設(shè)負(fù)責(zé)內(nèi)圈進(jìn)油和排油的柱塞數(shù)目為z2,z1+z2=z,則馬達(dá)內(nèi)圈和外圈排出油液流量的理論值qB和qD可以分別表示為:
(2)
(3)
式中,n—— 缸體輸出轉(zhuǎn)速
馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速為:
(4)
式中,n1—— 僅有A口進(jìn)入油液式馬達(dá)的理論轉(zhuǎn)速
n2—— 僅有C口進(jìn)入油液式馬達(dá)的理論轉(zhuǎn)速
與A口和C口連通的柱塞,其端面受到的油液壓力分別為:
(5)
(6)
式中,pA—— 窗口A的輸入油液壓力
pC—— 窗口C的輸入油液壓力
pe—— 柱塞腔油液壓力
文獻(xiàn)[12-13]通過建立機(jī)液耦合模型,在考慮柱塞和斜盤摩擦副、柱塞和缸體摩擦副和油液黏性阻尼的綜合影響下,分別得出柱塞的軸向慣性力Fak、柱塞的垂直與軸向方向的切向離心力Fwk、斜盤對柱塞的折算等效摩擦力FTG、缸體柱塞腔與柱塞的相對摩擦力FTK和馬達(dá)的最終輸出轉(zhuǎn)矩MBZ。
Fak=mkω2tanβcosφ
(7)
Fwk=mkRω2
(8)
(9)
(10)
式中,mk—— 單個(gè)柱塞的質(zhì)量
φ—— 柱塞在缸體圓周方向轉(zhuǎn)角
ω—— 缸體角速度
μ—— 滑動(dòng)摩擦系數(shù)
hG—— 斜盤與滑靴端面的垂直距離
fG—— 柱塞與柱塞腔的相對滑動(dòng)摩擦系數(shù)
RG—— 滑靴封油槽外半徑
rG—— 滑靴封油槽內(nèi)半徑
馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)矩為:
(11)
式中,F(xiàn)RBxi—— 作用在柱塞上的外力在x方向的分力
FRByi—— 作用在柱塞上的外力在y方向的分力
xRBi—— 作用在柱塞上的外力在x方向的作用點(diǎn)坐標(biāo)
yRBi—— 作用在柱塞上的外力在y方向的作用點(diǎn)坐標(biāo)
根據(jù)上述討論,在多學(xué)科聯(lián)合仿真平臺(tái)SimulationX中搭建出新型四配流窗口液壓軸向柱塞馬達(dá)仿真模型,高壓液壓油經(jīng)A(或C)口進(jìn)入缸體柱塞腔,柱塞滑靴在斜盤支反力的作用下使缸體和輸出軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩MBZ,在仿真模型中考慮了滑靴和斜盤、柱塞和缸體以及配流盤與缸體等摩擦副處的泄漏[14],將滑靴和斜盤、缸體和配流盤之間的泄漏等效成縫隙流動(dòng)泄漏,將柱塞和缸體之間的摩擦副等效為一個(gè)彈簧-阻尼單元。柱塞馬達(dá)輸出軸需實(shí)現(xiàn)正反雙向轉(zhuǎn)動(dòng),因此需在馬達(dá)配流盤腰形槽上加工雙向阻尼減振槽,以減小柱塞腔的壓力沖擊[15-16],新型四配流窗口液壓軸向柱塞馬達(dá)仿真原理如圖3所示。
圖3 馬達(dá)仿真模型
新型四配流窗口液壓軸向柱塞馬達(dá)模型包括外圈配流窗口單元、內(nèi)圈配流窗口單元以及泄漏模塊單元。外圈和內(nèi)圈配流窗口單元分別包含供油模塊、配流面積計(jì)算模塊、柱塞單元模塊和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊。對于缸體和配流盤之間、斜盤和滑靴之間的泄漏,馬達(dá)模型采用平面縫隙泄漏和相對轉(zhuǎn)動(dòng)泄漏并聯(lián)組合的方法進(jìn)行計(jì)算,馬達(dá)模型中使用的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。
表1 馬達(dá)模型關(guān)鍵參數(shù)
為分析四配流窗口液壓軸向柱塞馬達(dá)仿真模型在單動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)工況下的關(guān)鍵特性,在SimulationX搭建單動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)回路,斜盤傾角設(shè)置為15°,A口加載壓力為5 MPa,B,C,D 3個(gè)油口均不進(jìn)行加載, 直接連接油箱。對油口A的加載通過使用恒流源與溢流閥并聯(lián)的方法實(shí)現(xiàn),恒流源設(shè)置流量為27 L/min,單動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)馬達(dá)原理簡圖如圖4所示。
圖4 單動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)馬達(dá)原理簡圖
兩相鄰柱塞腔流量時(shí)間曲線如圖5所示,馬達(dá)外圈柱塞腔在單動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)下流量與時(shí)間呈正弦變化規(guī)律,且在上止點(diǎn)和下止點(diǎn)附近有流量脈動(dòng)。若忽略上止點(diǎn)和下止點(diǎn)區(qū)域的流量沖擊差異,隨著外圈柱塞腔的進(jìn)油和排油,內(nèi)圈柱塞腔同時(shí)也在進(jìn)行吸油和排油過程,且與外圈柱塞腔流量曲線相同,相位相差36°,此時(shí)馬達(dá)內(nèi)圈相當(dāng)于一個(gè)柱塞數(shù)量為5的柱塞泵,隨著缸體旋轉(zhuǎn)從動(dòng)吸油和排油。在這種工況下,馬達(dá)A油口為新型柱塞馬達(dá)提供能量,馬達(dá)向輸出軸輸出轉(zhuǎn)矩,同時(shí)從D口輸出液壓油液。
圖5 A口加載時(shí)兩相鄰柱塞腔流量時(shí)間曲線
馬達(dá)內(nèi)圈的一個(gè)柱塞腔的壓力-流量曲線如圖6所示,從曲線中可以看出處于泵工況運(yùn)行的內(nèi)圈柱塞腔的油液流量在上、下止點(diǎn)區(qū)域均有流量脈動(dòng)現(xiàn)象,內(nèi)圈柱塞腔油液在下止點(diǎn)的壓力脈動(dòng)約為1.8 MPa,上止點(diǎn)處的壓力脈動(dòng)值較小。
圖6 A口加載時(shí)內(nèi)圈柱塞腔的壓力-流量曲線
馬達(dá)外圈的一個(gè)柱塞腔的壓力-流量曲線如圖7所示,從曲線中可以看出,外圈柱塞腔在5 MPa加載壓力的驅(qū)動(dòng)下,柱塞腔壓力隨著缸體的轉(zhuǎn)動(dòng)呈現(xiàn)出幅值為5 MPa的周期性規(guī)律變化。
圖7 A口加載時(shí)外圈柱塞腔的壓力-流量曲線
新型四配流窗口液壓軸向柱塞馬達(dá)的四配流窗口具有獨(dú)立控制馬達(dá)的能力,現(xiàn)對馬達(dá)進(jìn)油口A分別加載5 MPa和10 MPa的壓力,圖8為A,B,C和D 4個(gè)進(jìn)出油口的流量曲線,曲線數(shù)值為正表示油液排出馬達(dá),曲線數(shù)值為負(fù)表示油液進(jìn)入馬達(dá)。從圖8b中可以得出,在當(dāng)A口加載10 MPa壓力時(shí),A口向馬達(dá)輸入流量約為12 L/min的油液,B口排出流量約為12 L/min的油液;當(dāng)A口加載5 MPa壓力時(shí),A口向馬達(dá)輸入流量約為5 L/min的油液,B口排出流量約為5 L/min的油液;從圖8a中可以得出,當(dāng)A口加載10 MPa壓力時(shí),C口向馬達(dá)輸入流量約為12 L/min的油液,D口排出流量約為12 L/min的油液;當(dāng)A口加載5 MPa壓力時(shí),C口向馬達(dá)輸入流量約為5 L/min的油液,D口排出流量約為5 L/min的油液。A窗口和C窗口在配流盤上處于同側(cè),在A口壓力油的驅(qū)動(dòng)下,缸體從C窗口轉(zhuǎn)動(dòng)到D窗口,與之相連通的柱塞腔容積經(jīng)歷了先變大后變小的過程,從而形成在C口吸進(jìn)油液,在D口排出油液的現(xiàn)象。以上分析進(jìn)一步說明了在單動(dòng)力源A口的驅(qū)動(dòng)下,馬達(dá)外圈A口和B口構(gòu)成馬達(dá)工況,馬達(dá)內(nèi)圈C口和D口構(gòu)成泵工況,且通過A口流進(jìn)的油液流量與C口吸入的油液流量相同,通過B口流出的油液流量與D口流出的油液流量相同。
圖8 A口分別加載不同壓力時(shí)4個(gè)窗口的油液流量曲線
圖9為A口分別加載5 MPa和10 MPa的壓力時(shí)內(nèi)圈柱塞腔的壓力-流量曲線,從上文分析可知馬達(dá)內(nèi)圈當(dāng)前處于泵工況,從曲線中可以看出,馬達(dá)內(nèi)圈流量幅值隨著A口加載壓力的增大而增大,內(nèi)圈柱塞腔在上止點(diǎn)的壓力沖擊隨著A口加載壓力的增大而增大,當(dāng)A口加載5 MPa壓力時(shí),內(nèi)圈柱塞腔壓力沖擊約為0.7 MPa,當(dāng)A口加載10 MPa壓力時(shí),內(nèi)圈柱塞腔壓力沖擊約為1.3 MPa。
圖9 A口壓力不同時(shí)內(nèi)圈柱塞腔的壓力-流量曲線
馬達(dá)內(nèi)圈流量隨著A口加載壓力正相關(guān)增長,原因如下:該馬達(dá)采用恒流源并聯(lián)溢流閥的方式加載,隨著溢流閥調(diào)定壓力的增大,恒流源通過溢流閥溢油流量減少,從而進(jìn)入馬達(dá)的油液增多,因此內(nèi)圈柱塞腔油液流量增大,由流量連續(xù)性方程可知缸體的轉(zhuǎn)速將增大,由于外圈柱塞腔和內(nèi)圈柱塞腔均是缸體的一個(gè)部位,是一個(gè)剛性的整體,因此外圈柱塞繞缸體軸線的旋轉(zhuǎn)速度恒等于內(nèi)圈柱塞旋轉(zhuǎn)速度。由于內(nèi)圈和外圈排量一樣,因此C口吸入馬達(dá)的油液流量恒等于從A口流進(jìn)馬達(dá)的流量,C口流量變化趨勢與A口完全相同;D口排出馬達(dá)的油液流量恒等于從B口排出馬達(dá)的流量,D口流量變化趨勢與B口完全相同。
在單一動(dòng)力源加載下,油口A的壓力分別設(shè)置為5 MPa和10 MPa,加載慣量J分別設(shè)置為0.1 kg·m2和0.3 kg·m2,圖10為該種工況下馬達(dá)的扭矩-轉(zhuǎn)速曲線,從轉(zhuǎn)速曲線可以得出在加載慣量不變時(shí),馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速隨著壓力的增大而增大,當(dāng)加載慣量設(shè)置為0.1 kg·m2,油口A的壓力設(shè)置為10 MPa時(shí),馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速為440 r/min。在油口A的壓力設(shè)置為10 MPa的條件下改變馬達(dá)加載慣量,可以看出加載慣量越大,馬達(dá)加速到目標(biāo)轉(zhuǎn)速的時(shí)間就越長,但加速后的穩(wěn)態(tài)速度逐漸接近,且穩(wěn)態(tài)速度與加載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量無關(guān)。從扭矩特性曲線可以看出,給馬達(dá)加載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大,馬達(dá)輸出的最大扭矩就越大,且油口A的壓力越大,馬達(dá)輸出的最大扭矩亦越大。
圖10 A口加載時(shí)輸出軸扭矩轉(zhuǎn)速特性
在油口A加載工作壓力10 MPa,在D口加載工作壓力5 MPa,馬達(dá)內(nèi)圈的柱塞腔壓力流量曲線如圖11所示,在此工況下油口C和油口D的流量曲線如圖12所示。從圖11可以看出,馬達(dá)內(nèi)圈的柱塞腔流量呈正弦規(guī)律隨時(shí)間變化,壓力曲線在上止點(diǎn)處有2 MPa的沖擊。從圖 12可以看出,油口D在5 MPa的加載壓力下,油口D輸出了流量大小約為5 L/min的油液,說明在此工況下,馬達(dá)內(nèi)圈處于正常工作的泵工況;D口油液的流量脈動(dòng)較大,這說明配流盤腰型槽的減振三角槽結(jié)構(gòu)參數(shù)還未得到優(yōu)化,因此,后續(xù)研究工作需對腰型槽的減振三角槽結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化,以使油口D輸出油液的流量脈動(dòng)盡可能減小。
圖11 D口加載時(shí)內(nèi)圈柱塞腔壓力-流量曲線
圖12 D口加載時(shí)油口C和油口D流量
在油口A加載工作壓力10 MPa,在D口加載工作壓力5 MPa,馬達(dá)外圈的柱塞腔壓力-流量曲線如圖13所示,在此工況下油口A和油口B的流量曲線如圖14所示。圖11和圖13對比可以看出,馬達(dá)內(nèi)圈柱塞腔壓力-流量曲線與馬達(dá)外圈柱塞腔壓力-流量曲線不同,馬達(dá)外圈進(jìn)入油液后柱塞腔壓力最高且保持半個(gè)周期,處于馬達(dá)工作工況;馬達(dá)內(nèi)圈排出油液后柱塞腔壓力最高且保持半個(gè)周期,處于泵工作工況。圖12和圖14對比可以看出,馬達(dá)內(nèi)圈和馬達(dá)外圈吸排油液的流量均值相同,與油口D是否有加載壓力無關(guān),馬達(dá)外圈油口B排油的流量脈動(dòng)為負(fù)向增大的方向,馬達(dá)內(nèi)圈油口D排油的流量脈動(dòng)為正向增大的方向。
圖13 D口加載時(shí)外圈柱塞腔壓力-流量曲線
從圖14和圖8b對比分析可以看出,馬達(dá)油口D的加載使進(jìn)入油口A的油液流量減少,因?yàn)橛涂贒加載使得從油口D排出的油液減少,油口B排出的油液流量等于油口D排出的油液流量,進(jìn)入油口A的油液流量等于油口D排出的油液流量。
圖14 D口加載時(shí)油口A和油口B流量
圖15是油口A加載壓力為10 MPa,油口D無加載壓力和加載壓力為5 MPa工況下,馬達(dá)輸出的扭矩-轉(zhuǎn)速曲線。從曲線可以看出油口D加載壓力為5 MPa時(shí),馬達(dá)輸出的最大扭矩約為29 N·m,出油口D無加載壓力時(shí),馬達(dá)輸出的最大扭矩約為37 N·m,油口D的加載減小了馬達(dá)輸出的最大轉(zhuǎn)矩;油口D加載壓力為5 MPa 時(shí),馬達(dá)輸出的最大轉(zhuǎn)速約為190 r/min,油口D無加載壓力時(shí),馬達(dá)輸出的最大轉(zhuǎn)速約為440 r/min,油口D的加載降低了馬達(dá)輸出的最大轉(zhuǎn)速。由此可以看出,新型四配流窗口液壓軸向柱塞馬達(dá)中在一個(gè)油口A通入壓力油液后,既可以從輸出軸輸出轉(zhuǎn)速和扭矩,又可以形成一個(gè)由C口和D口組成的壓力源。
圖15 D口加載時(shí)馬達(dá)輸出的扭矩-轉(zhuǎn)速曲線
本研究基于理論推導(dǎo)和多學(xué)科聯(lián)合仿真平臺(tái)SimulationX,搭建了單動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)的新型四配流窗口液壓軸向柱塞馬達(dá)模型,在油口A進(jìn)行單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的條件下,分別分析了與馬達(dá)外圈和馬達(dá)內(nèi)圈聯(lián)通的柱塞腔的壓力流量特性;并測試了A口在不同驅(qū)動(dòng)壓力、D口加載工況下,馬達(dá)的流量-壓力特性和扭矩轉(zhuǎn)速特性,驗(yàn)證了新型四配流窗口液壓軸向柱塞馬達(dá)的原理正確性和可行性。
對馬達(dá)外圈進(jìn)行單動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)時(shí)的新型四配流窗口液壓軸向柱塞馬達(dá),與馬達(dá)外圈連通的油路構(gòu)成馬達(dá)工況,與馬達(dá)內(nèi)圈連通的油路構(gòu)成泵工況,此時(shí)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)了兩種能量的輸出;D口的能量相當(dāng)于用輸出軸轉(zhuǎn)速降低得來的能量,可以在一定的控制策略下由蓄能器存儲(chǔ)并利用,也可以由液壓執(zhí)行元件直接利用。