高低压蓄能器在回转泵控液压系统中应用及仿真

马海英，张 鹏，郭志军

(1.黄河交通学院汽车工程学院，河南武陟 454950； 2.河南科技大学车辆与交通工程学院，河南洛阳 471003)

引言

现阶段，发动机可以为液压马达的运行过程提供所需动力，同时利用控制阀与管路实现能量分配与传输过程，为液压执行器提供动力[1-4]。液压回转动作会造成节流与溢流损耗，这些能量在回转作业过程中最终转变成热量而散失，根据前期研究可知，许多学者通过降低节流损失与消除溢流的方式来提升液压能量效率[5-9]。为有效控制低负载执行器产生的压力损耗，使液压系统获得更高能量效率，减少能量损耗[10-11]。泵控技术是通过控制泵容积的方式达到调速的功能，不会造成液压系统能量的明显损失，但需为其配备多个动力源，导致液压系统成本增加，因此上述技术主要被应用在功率与流量都较大的场所[12-13]。

REN等[14]将蓄能器应用于闭式回转驱动回路中，使该系统获得更高能量利用率；TIKKANEN等[15]则通过构建双泵混合动力闭式回路液压系统来达到降低液压泵功率与转矩的作用，实现动力源容量的明显减小，获得了更大的功率密度，利用液压缸为活塞杆运动过程提供动力，使泵/马达达到不同的工作状态。MINAV等[16]综合运用闭式泵控与二次调节的方法来达到控制回转泵控液压系统的运行过程，实现了对蓄能器压力的实时调控，显著提升了回转系统运行效率。为了提高挖掘机回转系统的运行稳定性，通过引入高低压蓄能器的方式提出了一种回转泵控液压系统，通过相互协同的方式来实现泵控过程，并在Simulink平台开展了仿真分析。

1 回转泵控液压系统设计

1.1 系统结构

回转泵控液压系统属于挖掘机的一个重要组成结构，对能量的消耗也较大。进行正常作业的过程中，回转系统通过控制阀对油液流量与方向进行控制，导致工作阶段形成明显的节流损失；进入加速起动阶段，液压泵为回转马达提供油液，考虑到上车转动惯量较大，无法快速获得最大的回转速度，会形成一段接近匀加速状态的过程，此时回转马达无法将泵流量充分吸收，未吸收的液压油，只会经溢流阀发生溢流，造成明显的溢流损失。挖掘机不能快速制动到0，在减速制动阶段，会引起回转马达的减速侧形成更高的压力，当压力升高至溢流阀的临界值时便会开启溢流阀，导致减速侧压力进一步升高，使回转马达按照特定速度完成减速制动过程[10]。

本研究选择38 t的泵系统进行正流量控制，使用川崎K5V轴向柱塞双联变量泵。将主液压泵、先导齿轮泵以及发动机输出轴按照同轴方式进行相连，实现柴油机动力的传输功能。图1给出了回转泵控液压系统的工作原理，通过相互协同的方式来实现泵控系统的工作过程。

1.电磁比例减压阀 2.切换阀 3、6.调节柱塞 4.伺服阀5.变量缸 7.柱塞泵 8.溢流阀图1 回转泵控液压系统结构

对回转过程进行分析可以发现，只存在单动作回转的情况下，考虑到回转系统是通过单泵单发的方式进行控制，因此前液压泵并不对回转过程产生影响，处于待机状态下维持低流量，只通过后泵为液压回转提供流量与压力。图2显示了在回转阶段泵排量随负载压力的变化。液压泵的出口压力经压力传感器进行采集，之后根据恒功率曲线获得相应的恒功率排量，可见随负载压力稳定后泵具有稳定的排量。

图2 泵排量随负载压力的变化

1.2 高低压蓄能器运行原理

图3给出了高低压蓄能器工作原理，其中，高低压蓄能器只调整蓄能器，而整个液压系统则保持不变。高低压蓄能器包含了高压蓄能器、低压蓄能器与各自的控制阀。在初始工作阶段，只有高压蓄能器实现能量回收功能，由此获得较高的初始压力，对能量进行一段时间持续回收后，高压蓄能器处于最高能量状态；将高压和低压蓄能器相连后，两者共同构成蓄能器组，由此形成了容积更大的蓄能器，之后蓄能器组的压力持续减小。

图3 高低压蓄能器工作原理图

将低压蓄能器设定在20 MPa的最低值以及30 MPa 的最高值，驱动模式实施调整如下：

(1) 加速释放能量的阶段，高、低压蓄能器状态值介于0～1之间，当AOC值小于0时，关闭相应的控制阀；

(2) 减速回收能量的阶段，首先开启高压蓄能器控制阀，当状态值超过1时，开启相应的控制阀并回收能量，高、低压蓄能器状态值同时为1时，关闭相应的控制阀。

高低压蓄能器能够确保蓄能器能量释放后依然处于高低压状态，进行后续能量回收时同样可以高效回收动能并完成制动功能。单蓄能器与高低压蓄能器以固定模式保持匀速运行状态。发生减速制动时，高低压蓄能器开启控制阀，通过液压作用回收制动能量，从而在更短时间内完成制动过程，获得更优的制动效果。

2 仿真分析

2.1 泵模型的建立

根据样本测试结果确定斗山36 t液压参数，结果见表1，Simulink仿真模型见图4。

通过蓄能器回收液压回转动能时，在最初减速制动阶段形成了较大的转速，降低转速后，形成了更小的液压上车回转动能。其中，蓄能器在最初减速制动阶段只形成了较小的液压油压力，在之后的减速制动期间，形成了更高的液压油压力，同时制动力矩也随之增大，在减速制动期间，随着上车动能的降低，蓄能器获得了更大的制动力矩。为克服上述问题，设计了一种高低压蓄能器，优化了单蓄能器的压力变化过程，使制动力矩变化与能量回收达到更好的匹配状态。

表1 挖掘机参数

图4 回转泵控液压系统的Simulink模型

图5 单/双蓄能器回转系统转速变化

2.2 单/双蓄能器结果分析

图5显示了单/双蓄能器回转系统形成的转速n变化。根据图5可知，单蓄能器和双蓄能器在各运动阶段基本一致，形成了相同的能量释放与保持特性。回收减速制动能量时，受高低压蓄能器的影响，制动期间的被动马达出油口压力在能量回收阶段保持较高压力，从而获得了更优的制动效果。从8.5 s和18.5 s位置处可以看出，相对于单蓄能器，双蓄能器回转系统的制动时间缩短了约0.5 s。

图6显示了单/双蓄能器回转系统泵输出功率P变化。通过分析发现，单蓄能器与双蓄能器下形成了同样的泵输出功率，这是因为高低压蓄能器改变的是蓄能器的能量回收特性，主液压泵进行制动时不会输出能量，因此泵保持恒定的输出能量。

图6 单/双蓄能器回转系统泵输出功率变化

2.3 高低压蓄能器结果分析

图7给出了高低压蓄能器回转系统形成的压力p变化。根据图7可知，高压蓄能器释放能量的过程中，压力快速降低，当压力值降低至24.5 MPa时，压力信号被传感器收集，触发最低压力，此时高压蓄能器的液压油口被切断，压力保持24.5 MPa的稳定状态，之后当压力减小到19.5 MPa时，低压蓄能器油口被切断。当挖掘机发生减速制动时，高压蓄能器先进行能量回收，压力快速增大，高压蓄能器压力增大至30 MPa 时，此时开启低压蓄能器液压油口，高压与低压蓄能器都进入能量回收状态，直至挖掘机完成制动过程。挖掘机上车以同样方式完成反向和正向运行过程。

图7 高低压蓄能器回转系统压力变化

图8显示了高低压蓄能器回转系统液压油的体积V变化。其中，低压与高压蓄能器分别预充19 MPa与24 MPa的气体，因此高压蓄能器形成了较小的油液充放范围，接近1.7 L，但能够达到较高的压力，同时低压蓄能器又可以起到弥补高压蓄能器体积偏小，压力快速变化的作用，因此低压蓄能器形成了更大的液压油变化体积，约为3.2 L，压力与体积变化相对于高压蓄能器显著提高，实现了单蓄能器处于高压状态下也可以完成能量回收的功能。

图8 高低压蓄能器回转系统体积变化

图9给出了高低压蓄能器回转系统的能量E变化。通过对比发现，释放能量过程中，高低压蓄能器表现出与40 L单蓄能器相近的压力变化特征，而当高压蓄能器经过一段时间释放并关闭后，由于低压蓄能器需输出达到单蓄能器2倍的流量，导致流量发生更快变化，同时能量变化速率也明显加快。进入减速制动阶段时，高压蓄能器升高到最大压力后，高低压蓄能器开始回收能量，始终保持高压状态，可以更加高效回收能量，显著缩短了制动时间。

图9 高低压蓄能器回转系统能量变化

3 结论

(1) 本研究设计的回转泵控液压系统通过相互协同的方式来实现泵控过程，根据恒功率曲线获得相应的恒功率排量，随负载压力稳定后泵具有稳定的排量；

(2) 单蓄能器和双蓄能器在各运动阶段和泵输出功率基本一致，形成了相同的能量释放与保持特性，相对于单蓄能器，双蓄能器回转系统的制动时间缩短了约0.5 s；

(3) 高压蓄能器形成较小的油液充放范围，但能够达到较高压力，同时低压蓄能器起到弥补高压蓄能器体积偏小问题，减速制动时，高压蓄能器升高到最大压力后高低压蓄能器开始回收能量，可以更加高效回收能量，显著缩短制动时间。