负载切换过程液压系统的能耗特征研究*

刘志峰，刘晓鹏，秦利民

(合肥工业大学 机械工程学院，合肥 230009)

负载切换过程液压系统的能耗特征研究*

刘志峰，刘晓鹏，秦利民

(合肥工业大学 机械工程学院，合肥 230009)

由于液压系统存在着频繁的负载切换，容易产生额外的能量消耗。为了探究动态负载快速切换过程中系统额外能量损耗的变化规律及影响因素，建立了液压系统负载切换的Simulink-AMESim联合仿真模型，将整个系统的能量消耗反映在电机输入端的电能进行研究，得到了不同工况负载的切换过程中系统的额外能耗的影响因素。其中负载差对整个系统的额外能量消耗影响最大，切换后的负载对额外能量损耗占切换过程中的整个能量消耗的比例大小影响最大。该结果为实现在负载频繁切换环境下液压系统的节能降耗提供了参考。

动态负载；联合仿真；额外能量消耗

0 引言

液压的动态过程是指从原有的平衡状态开始到另一个平衡状态的过程，在液压驱动系统中[1]，能量消耗是以异步电机为出口作用到电网的，由于功率密度较大，产生了相应的功率能量损耗。

针对负载与液压系统功率匹配的问题，赵凯等[2]提出了全局变量匹配控制与局部匹配控制方法，解决了液压系统承受时序负载的过程中所产生的负载与系统额定功率不匹配和负载与电机泵组不匹配的问题。Kazuo Nakano等[3]分析对比了普通电机驱动变量泵系统和变频调速驱动定量泵系统的效率，结果显示后者在中等负载时的效率要高于前者。游明琳等[4]人提出了在负载自适应条件下实现发动机功率与负载匹配的控制方法，揭示了液压系统节能的一种方法。但是没有从负载需求对装机功率进行改善，而且对动态时序负载的暂态过程没有深入研究。

在对动态负载能耗的研究方面，张震等[5]通过降低电机端电压来提高功率因数从而达到节能目的，随后对不同负载情况下的降压进行了分析，并讨论了功率因数角对晶闸管输出电压的影响；李彪等[6]对周期性负载条件下的总损耗进行了重新划分与计算，得到了异步电动机的调压特性曲线，但都仅仅局限于对异步电机本身进行能耗研究，没有考虑整个系统的能量损失。何汝迎等[7]构建出一种多压力源、梯级负载蓄能站并实行主、辅工作泵制度的节能液压系统模型，并没有将系统动态过程的额外损耗包括进去。

综上所述，本文从负载切换的动态过程角度出发，将包括电机泵和阀组在内的能耗考虑在内并通过电机输入端的电压电流进行行动态能耗研究。探究了对动态负载切换过程中额外能耗损失的主要影响因素，以期为提高动态负载切换过程的能量利用提供依据。

1 液压系统模型

液压系统各能量单元元件就形式与结构而言，可以概括为物质与能量交换的“开放系统”。液压系统在动态切换过程中的能量传递如图1所示，电能作为能量总输入作用在电机端，U,I作为三相异步电机的输入电压与电流。由电机学[8]可知，异步电机在功率传递过程当中存在铜损与铁损等损耗，对于时序负载的工况下，动态负载使电动机承受额外的动载荷，功率没有随着负载切换而线性变化，从而加大了机械损耗，将因为负载切换而产生的能量归为额外的能量损耗。τ，ω作为泵的输入转矩与角速度，p,q作为液压系统管道中的流量与压力，F,v作为液压系统输出的力与速度，在各个液压系统单元都存在着在静态负载下产生的损耗和因动态负载切换而产生的额外的能量损耗。因为能量的输入是通过电压U与电流I作用到电机上，则为了研究额外的能量损耗，建立Simulink电机及相关三相电源模型。

图1 系统能量流程图

1.1 液压系统数学模型的建立

液压系统图如图2所示。

根据系统的工作条件与结构，假设液压缸的连接管道对称，且短而粗，管道中的压力损失，动态损失和油液质量可忽略[9]，对于液压系统的执行元件，液压的进油腔与回油腔的流量联系性方程及活塞杆运动的方程为：

(1)

(2)

C1=V1/K,C2=V2/K

(3)

式中，V1，V2为工作缸进，排油腔容积(m3/s)，K为油液体积弹性模量(N/m2)[10]。

对换向阀进行分析，其运动方程为：

(4)

其流量方程为：

(5)

式中，Cd为流量系数，PS为供液压力，x为阀芯开口度，Δp为阀口前后压差，ρ为油液密度。

考虑流进换向阀的流量，对于定量泵而言，忽略移动移动部分的惯性和泵内摩擦，则定量泵的流量方程为：

Q=nVP-kwPv

(6)

式中，Q为泵输出流量；n为泵(电机)的转速；VP为泵的排量；Pv为泵的出口压力；kw为泵的动态泄露系数。

1.2 模型搭建

根据上述元件的数学模型，可以在Simulink与AMESim中得到如图3所示的联合仿真模型。在仿真模型中设置如下参数。

λc液压缸的泄漏系数λc=4.47×10-11(m3·Pa/s)；A1,A2为液压缸进油活塞面积A1=3.925×10-3m3；排油腔活塞面积A2=2.943×10-3m3为活塞及负载的总质量m=150kg；粘性阻尼系数B=100N·s/m；工作缸进油腔容积V1=2.616×10-3m3/s，工作缸排油腔容积V2=1.962×10-3m3/s; 油液体积弹性模量K=7.5×108Pa；阀芯质量为m1=0.1kg；电磁力Fd=100N；弹簧刚度k=100kN/mm；弹簧预压缩量xc=0.001mm；Cd为流量系数为0.7；油液密度ρ=900kg/m3；泵的转速为1500r/min；泵排量VP=0.063L/r；泵的动态泄露系数2×10-11m3/(s·Pa)。通过改变元件9的信号大小及切换时间来模拟加工过程中的负载变化，并由Simulink所建立三相异步电机模型对三相输入电压电流进行采样及分析，得出液压系统随负载变化的动态电能消耗。

图3 Simulink-AMESim联合仿真

1.3 三相异步电机功率与功的量化理论及瞬态过程能耗的计算方法

由于液压系统存在功率波动，对于作用在电机端的总能量输入也存在着功率的波动，为探究能量的额外损失，采用平均功率积分方式进行计算。输入的电能被有效消耗，被转化为热能，光能，机械能或化学能等，称为有功功率，又叫平均功率。交流电的瞬时功率不是一个恒定值，功率在一个周期内的平均值叫做有功功率，以字母P表示。在三相异步电机输入中，单相有用功率计算方式：

三相功率为三个单相有功功率之和，即：

(7)

式中，u[n]为电压采样序列；i[n]为电流采样序列。

记液压系统由负载F1切换到负载F2的动态过程中额外的能量损耗为Qex，切换开始时刻瞬态过程中消耗能量的计算方法为：在瞬态过程中按照平均功率的定义存在一个问题，当响应过程的时长比可以计算的周期时长要短时，无法计算出对应的瞬时功率，则可以用整个过程中的平均功率来取代，但是整个过程中的有功能量计算所得值是不变的。依据Simulink所得电机输入端三相电源中电压和电流的采样数据，通过数据处理后的所得积分功率来设定切换后的稳定周期T2。设周期内功率值的波动在0.3%内则视为已稳定即Pmax-Pmin≤0.3%，其中，Pmax，Pmin分别代表一个周期内三相功率的各采样时刻的最大值与最小值Simulink中采集电压ua、ub、uc与电流ia、ib、ic从切换时刻T1至稳定时刻T2的值，每次试验都通过式有用功率计算方式(7)进行功率积分得出切换过程中的能量损耗值Q，记切换后的平均功率为P2利用式(8)出因切换产生的额外的能量消耗Qex。

Qex=Q-P2(T2-T1)

(8)

2 负载切换过程的能耗特性

观察泵端的压力与流量特性，其中泵端出口压力和流量如图4、图5所示。

图4 泵端口压力曲线

图5 泵端口流量曲线

结果显示，泵输出端的压力易受切换过程的影响，可以明显看到压力上升后脉动振荡减小直至最后平稳，而流量虽有小的波动，但几乎不受影响。由泵端输出流量与压力的波动可知，液压系统在动态负载切换过程中存在功率的波动，波动则会引起能量的额外损耗。

用三相异步电机功率与功的量化理论进行能耗的计算。仿真参数设置在0.5s进行负载切换，每一个周期(约0.02s)进行采样再积分，直至稳定时间停止积分。则根据数据数值，计算在切换过程中的功率随时间的变化，将负载35kN切换到55kN。在Simulink中对电压ua与ia进行数据采样与分析处理。

进行数据图像处理，如图6所示。

图6 切换过程中功率曲线

结果显示，功率在负载由小变大的切换过程中，出现了初调振荡，整体功率有所增加。在0.5s时刻进行负载切换，由于本身三相功率存在振荡特性，在切换后振荡幅度增大，在0.66922s时刻振荡达到最大峰值，超出负载在55kN稳定时刻的平均功率值，在0.81074s时刻，切换过程进入稳定状态。

2.1 不同负载因素的影响大小探究

改变AMESim中元件9的参数，设置改变切换前的负载F1不变，为35kN，依次改变切换后的负载F2，通过三相异步电机功率与功的量化理论及瞬态过程能耗的计算方法得到额外的能量消耗值能量损耗值Qex与能量损耗值Q。

进行数据图像处理，如图7所示。

图7 Qex和Qex/Q随负载F2变化

结果显示，随着负载差值与切换后的负载的增加，电机额外的能量损耗出现振荡并上升的趋势。在固定F1不变的情况下，依次改变F2大小，通过F2等于40kN、45kN、50kN、55kN的试验组比较可知，随着切换后的负载增大，即负载差ΔF的增大，使得额外的能量损耗增大。通过F2等于10 kN、15kN、20kN、25kN、30kN的试验组比较可知，ΔF也相应的增加，能量损耗存在着数值不大的波动，但整体有着增大的趋势。

由上述两组试验比较分析，ΔF不变时，额外能耗的大小及额外能耗在整个切换过程中的比例和F2有关，F2越大，额外能耗越大，占切换过程中的整个能量消耗的比例越小。同理，保持ΔF相等通过比较F2等于15kN与50kN、20kN与45kN、25kN与40kN都能得出相同的结论。

为要探究F1对切换过程中的能耗影响，设置F2不变，定为35kN，依次改变切换前F1的值。通过三相异步电机功率与功的量化理论及瞬态过程能耗的计算方法得到额外的能量消耗值。

对表所得额外能耗与切换后的负载关系进行，如图7所示。

图8 Qex和Qex/Q随负载F1变化

通过F1等于10 kN、15kN、20kN、25kN、30kN的试验组比较可知，随着F1增大，ΔF相应的减小，能量损耗存在着波动并增大趋势。

由上述两组试验，负载差值ΔF不变时，额外能耗的大小及额外能耗在整个切换过程中的比例和F1有关，F1越大，额外能耗越大，占切换过程中的整个能量消耗的比例越大。同理，保持ΔF相等通过比较F2等于15kN与50kN、20kN与45kN、25kN与40kN都能得出相同的结论。

综合图7与图8的数据可得，比较图7与图8中的横坐标相同组号的试验数据，切换过程中的额外能量损耗与路径有关，即保持切换过程中的负载差ΔF不变，由F1切换到F2的额外能量损耗和由F2切换到F1的额外能量损耗不同，且相差较大。

比较图7与图8额外能耗占整个切换过程中能耗的比例，相同横坐标试验组，图8的值明显小于图7的值，可知F2大小是影响额外能耗占整个切换过程中能耗的比例最主要的因素。

3 结论

本文将整个系统的能量消耗反映在电机输入端的电能进行研究，得到了不同工况负载的切换过程中系统的额外能耗的影响因素。结果表明，在确定的液压机系统中，负载差越大，额外的负载损耗越大；切换前后负载越大，额外能量损耗也越大。额外能量损耗占切换过程中的整个能量消耗的比例主要由切换后的负载大小决定，其值越大，所占比例越小，负载差与切换前的负载越大，额外能量损耗占切换过程中的整个能量消耗的比例有所增加，但影响较弱，与切换后的负载大小比较几乎可以忽略。因此在三个因素共同作用下，额外的能耗呈现一定的规律，探究这三者之间对其影响规律和探究动态切换过程中额外能耗所占切换过程中的比例大小，为研究液压动态作用时，是否对动态切换过程采取简化或者忽略其过程以及对提高动态切换过程的能量量化提供了一个参考依据。

[1] 周胜.电机系统节能技术实用指南[M].北京：机械工业出版社, 2009.

[2] 赵凯.液压机系统能量耗散的量化表征及节能控制方法研究[D]. 合肥:合肥工业大学，2015.

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ResearchonEnergyConsumptionCharacteristicsoftheLoadSwitchingProcessintheHydraulicSystem

LIU Zhi-feng，LIU Xiao-peng，QIN Li-min

(School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009,China)

Because of the frequent load switching in hydraulic system,additional energy consumption is easily generated. In order to explore the change rule and influencing factors of extra energy loss during fast switching of dynamic load. A Simulink-AMESim joint simulation model of hydraulic system load switching is established, the energy consumption of the whole system is reflected in the electric energy input of the motor, the influencing factors of the additional energy consumption of the system during the switching process under different load conditions are obtained, in which the load difference on the entire system of the greatest impact of the additional energy consumption, the load after switch is the maximum influence factor for the proportion that additional energy loss accounts for the proportion of total energy consumption during the switching process. The results can provide reference for the energy saving and consumption reduction of the hydraulic system in the environment of frequent load switching.

dynamic load; joint simulation; additional energy consumption

TH137;TG506

A

1001-2265(2017)12-0021-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.12.005

2017-02-09；

2017-02-22

国家自然科学基金重点项目：(51135004)；中美合作国家自然科学基金(51561125002)

刘志峰(1963—)，男，陕西宝鸡人，合肥工业大学教授，博士，研究方向为机电产品绿色设计与制造、先进制造技术，(E-mail) peak.liu@263.net； 通讯作者：刘晓鹏(1991—)，男，江西上饶人，合肥工业大学硕士研究生，研究方向为机电产品节能设计与制造，(E-mail) xiaopengaddress@163.com。

(编辑李秀敏)