能量回收式液压缸测试系统分析与研究.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ， NO ． 1 2 ． 2 0 1 3 能量回收式液压缸测试系统分析与研究 刘在政 1 , 2夏毅敏 ． 廖金军 1 , 2 1 ． 中南大学机 电工程学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 8 3 ； 2 ． 中国铁建重工集 团有限公司 液压研究 院， 湖南 长沙4 1 0 1 0 0 摘 要 依据液压缸试验标准 G B f F 1 5 6 2 2 2 o o 5 液压缸试验方法 ， 设计能量回收式液压缸测试系统回路。通过流体系统建模仿真软件 建立液压缸试验系统回路模型 。针对液压缸负载效率测试 的复杂性 ， 分析了基于能量 回收式原理进行液压缸负载效率试 验的可行性及 特点 ， 并根据实例进行液压缸试验节能效率的计 算 ， 从而进一步验证能量 回收式原理进行 液压缸试验系统模 型设计 的正确性 和可行性 。 关键词 液压缸 ； 能量 回收 ； 测试系统 ； 建模 中图分类号 T H1 3 7 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 1 2 0 0 2 1 0 5 The Re s e a r c h a n d Ana l y s i s o f Ene r g y Re c o v e r y Hy d r a u l i c Cy li nd e r Te s t S y s t e m L I U Z a i - z h e 。 ， X I A Y i - m i n ， L I AO J i n - j u n 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g o f C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 ． C h i n a R a i l w a y C o n s t r u c t i o n H e a v y I n d u s t r y C o ． ，L t d ． ，C h a n g s h a 4 1 0 1 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r t e s t s t a n d a r d n a me d GB ／ T 1 5 6 2 2- 2 0 0 5 t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r t e s t me tho d ， the p o w e r r e c o v e r y h y d r a u l i c c y l i n d e r t e s t c i r c u i t i s d e s i g n e d ． a l s o ， T h e mo d e l o f h y d r a u l i c t e s t s y s t e m c i r c u i t i s s e t u p ． As the c o mp l e x i t y o f h y d r a u l i c c y l i n d e r l o a d e ff i c i e n c y ，wh i c h b rin g s a l o t o f d i f fi c u l t i e s f o r g e n e r a l t e s t e q u i p me n t t o wo r k ， t h e r e l i a b i l i t y a n d c h ara c t e ris ti c s o f h y d r a u l i c c y l i n d e r l o a d e ffic i e n c y b a s e d o n p o we r r e c o v e ry p ri n c i p l e are a n a l y z e d ． the n ， T h e e n e r g y- s a v i n g e ffic i e n c y o f h y d r a u l i c c y l i n d e r i s c o mp u t e d w i t h r e al p ara me t e r s ， fi n a l l y ， the f e a s i b i l i t y o f h y d r a u l i c c y l i n d e r t e s t s y s t e m mo d e l d e s i gn b a s e d o n p o we r r e c o v e ry p ri n c i p l e i s v e ri fi e d ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c c y l i n d e r ； e n e r gy r e c o v e ry ； t e s t s y s t e m； mo d e l i n g 0 引言 液压传动 以其功率密度高、 驱动力大 、 布置灵活方 便等优点 ． 在工程实践中得到 了广泛应用 ． 已成为航空 航 天、 船舶 、 工程机械 、 矿冶设备等领域不可或缺 的传 动方式。由于液压系统对元件性能参数 的敏感性 ， 液压 元件 的性能直接影响系统功能实现和系统工作可靠性 等 ， 因此 ， 无论是液压元件的加 工制造 、 系统集成设计 和使用等都希望能较全面掌握液压元件 的性 能参数 。 液压元件 的参数测量不仅为液压系统设计 、建模仿真 和优化等提供可靠的元件性能参数和特性 曲线 ．也是 元件生产商进行元件设计开发和优化的重要参考依据 和验证 ．其对液压系统设计和元件开发等都具有重要 的工程意义和学术价值 在 工程 实 际 中 ．作 为 普遍 使 用 的液 压 执 行 机 构液压缸的性能无 疑是集 中关注 的焦点之一 液 压缸的各种故障和潜在的故 障点往往是在使用一段时 基金项 目 国家高技术研究发展计划 8 6 3计划 ， 2 0 1 2 A A041 8 0 1 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 2 8 作者简介 刘在政 1 9 7 4 _ ， 男 ， 山东烟台人 ， 工程师 ， 硕士 ， 主要从事流体 、 液 压技术相关的科研和技术管理工作 。 间后慢慢暴露出来或者是 突现的 ．一旦液压缸发生故 障将直接导致工作的停 止甚 至是整个 系统 的停机 。 由 此造成的直接和间接损失也是难以估量的。因此 。 在液 压缸的生产 、系统集成等环节均应 以液压缸性能测试 指标作为衡量其可靠性、 安全性 的唯一标准 。 以液压缸 型式试验和 出厂试验规定项 目为主要考核点 ．严格各 测试项 目试验条件 ．以测试标准为依据进行细致 的性 能测试 国内液压缸测试试验 台广泛采用溢流加载方式 ． 其具有加载方式简单、 可靠等优点 ． 但是同时系统能耗 大 ．特别对于大功率系统测试 而言 。其存在 固有 的缺 点 ； 比较而 言 ， 相 同测试 功率条件下 ， 通过能量 回收技 术开发的液压缸测试试验系统具有显著的优势。 1 模 以液压缸试验标准 G B ／ T 1 5 6 2 2 2 0 0 5 液压缸试验 方法 为设计依据 ， 设计能量回收式液压缸测试系统回 路如图 1 所示。 该系统具备完成液压缸起动特性试验、 耐压试验、 耐久性试验、 泄漏 内泄漏和外泄漏 试验和 负载效率试验等测试项 目的功能 ． 且具有操作简单 。 测 试效率高等特点 2】 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 3年 第 1 2期 如 图 1中所示 ．能量 回收式液压缸测试系统主要 由泵站 、 控制 阀组 、 被测液压缸 和加载液压缸以及相关 附件组成。 液压缸 1 液压缸 2 l 一 l 1 锋 IA A l B r ，xI 。 I ’ r z』 l 一 AV 5 l山 A B ． l T 丌 ． 1 XI ； J r ⋯ l 一l 一 一P l 0 3 控 制 阀 6 羞 O 2 士 I 9 -．4 } 1 J J 。 瞅 8 、 ∞ 山 3’ ． ／＼ 2 01 l - -q ． u 泵站 1 一 油 箱 2 一 过 滤 器3 一 电机4 一 液 压 泵5 一 单 向 阀6 一 溢 流 阀 7 一 电机8 一 液压泵9 一 单向阀 1 O 一 溢流阀 1 1 - 拉压力传感器 1 一 二位二通换 向阀2 一 二位二 通换向阀3 - Z． 位二通换向阀 4 - 二位二通换 向阀5 一 二位四通换 向阀6 扣 二位四通换向阀 图 1 能量 回收式液压缸测试系统回路 1 ． 1 工作原 理 如图 1 所示 ． 液压缸测试试验系统主要 由高压 小 流量 泵 4 ， 低压 大流量 泵 8 ， 控制 阀 1 、 2 、 3 、 4 、 5 、 6 ， 被测缸／ a n 载缸 1 、 2 和主加载座以及各种物理 参数传感器等组成。高压小流量泵 4负责向被测缸 、 加 载缸和高压 回路补油 由于液压缸和管路 系统的油液 泄漏很小 。 该泵 的流量原则上只要大于液压缸 内、 外泄 漏加上管路泄漏量即可 ； 低压 大流量 泵 8提供克服 液压缸动 、 静摩擦和管路压降损失的动力 。 以推动加载 缸做在试验规定方 向往 复运动 ． 低压 大流量 泵 8一 般选用变量泵 ． 在其工作压力 由溢流阀调定的情况下 ． 可实现液压缸 变速测试 ；控制 阀 1 、 2 、 3 、 4 、 5 、 6 作为液压缸测试试验系统功能测试和逻辑运动的控制 元件 ． 通过控制高压 回路换向阀． 切换被测缸， 力 Ⅱ 载缸两 腔高 、 低压 油的位置 ， 实现对被测缸 的双 向测试 。 通过 控制低压 回路换 向阀 ． 切换液压缸中低压油的位置 ． 实 现液压缸运动方 向的改变 。因此 ． 通过联合控制低压 回 22 路和高压 回路控制阀 ．即可实现 同时液压缸的双 向测 试和双缸测试 。 提高系统测试效率。 1 ． 2数 学模 型 如图 2所 示 ， 设 1 液压缸的输入压力为 P 。 输人 流量为 q ， 输入功率为 Ⅳ， ， 输 出压力为 P ’ ， 输入流量为 q ’ ，无杆腔的面积为 A ， 有杆腔的面积为 A ， 活塞 的运 动速度为 ， 容积效率为 仉， 机械效率为 ； 设 2 液压 缸 的输入压力 为 p ， 输人流量为 q ， 输入功率为 Ⅳ2 ， 输 出压力为 P ’ ， 输人流量为 q ’ ， 无杆腔的面积为 A ， 有杆 腔 的面积为 A ， 活塞 的运动速度为 ， 容积效率为 叩 ， 机械效率为 ； 设高压小流量泵的输入功率为 Ⅳ 3 ， 输 出 压力为 p ’ ， 输人流量为 ； 设低压小流量泵的输入功率 为 Ⅳ 4 ， 输 出压力为 P ’ ， 输入流量为 q ’ 。 图 2负 载 效 翠 试 验 i 夏压 缸 连 接 图 于是 ， 根据液压缸容积效率的定义 ， 可以得出 立 n q1 n q 1 业 q1 监 q2 1 V 1 A 2 y A 由式 1 可得 q 2 q 1 0 2 根据系统流量连续性可以得到 g 1 g ’ 3 q ’2 3 联立式 1 和式 3 得 q 3 q l 1 - r ／ 4 根 据系 统能 量守 恒原 理可 列 出 p - p ’1A 5 由式 5 化简得到 p 4 6 式 中 液压缸有杆腔与无杆腔面积 比 功率 回收的液压缸测试系统 中．高压小流量和低 压大流量泵对应 的电机输入功率分别为 Ⅳ 3 Ⅳl 7 血 虹 Ⅳ1 7 0 3 。l l 3 “ 0 1 - 0 m N1 8 8 。l I 4 。1 l 4 由式 7 得到液压缸测试系统功率 回收系数为 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 2 ． 2 01 3 N 3 N 4 【 2 2 J r 1 2 实例分析 2 ． 1 系统参数 根据实际设计 ．能量 回收式液压缸测试系统 主要 参数见表 1 所示 。 表 1 系统仿真计算主要参数 其 中．为了能够直观地反应液压缸负载效率测试 时系统 的整体运行情况 ． 将 6 二位 四通换 向阀的控制 信号设为方波信号 ， 如图 3所示。 E亟 匦 翌 四 时 I闭／ s 图 3 6 控 制阀控 制信 号 在下一节 中将分析在该控制 阀工作时系统 的运行 参数 。其他各主要参数依据表 1中所示进行设置 。 2 ． 2结 果分 析 通过对液压缸测试试验系统仿真模型的系统参数 设置 ． 运行仿真后得到如图 4 ～ 图 1 4所示结果。 高压 小 流量 泵总流量 约为 1 ． 5 L ／ mi n 如 图 4所 示 。 其 主要实 现了液压缸高压 回路 的保压 ， 须保证 高 压回路管路 泄漏和液压缸泄漏总量小于该值才能实现 系统试验时的加载 ， 模拟试验加载的变负载工况。 2 0 ． 1 5 ．暑 争 1 0 皿 Ⅲ I】 蠕 0 5 I一 高压小 流 量泵 输出 流 量几 ra i n Ix 2 2 2 7 l I y 1 l 4 9 8 6 2l O 2 0 4 0 6 O 8 0 1 00 时间／ s 图 4 高压小流量泵流量 图 5所示为系统高压回路流过 1 ． 2 控制阀的流 量 ， 从图中可以看 出 此时 。 从 1 样液压缸无杆腔流入 2 液压 缸无 杆腔 的流量约为 1 5 L ／ mi n ．图中两者方 向相 反 ．表明流量方向是 1 控制阀的油液流动方 向是从 A 口流到 P口． 而 2 控制阀的油液流动方向是从 P口到 A 口 。 按 照图 3给定控制信号进行试验时 ．从 图 5中还 可 以发现 当 6 } } 控制 阀每次换 向时都将引起系统压力 和流量 冲击。 1 I h h h h h h 4 J 1 l 控制阀A口流量， L ． mi n ．L { ---2 控制阀A 12 1 流量／ L ． m i n - { 时间／ s 图 5 高压 回路流过1 静 ， 2 控制阀流量 为 了验证液压缸试验双 向驱动 的有效性 ．给低压 回路中控制 阀施加方波信号 。 从 图 6中可 以看出 方波 信号周期为 2 O s ． 即换 向阀每 l 0 s 换 向一次 ． 图中梯形 曲线为液压缸位移 曲线 ． 随着 6 控 制阀的换 向 。 液压 缸 的运 动方 向也发生改变。从控制 阀控制信号和液压 缸位移逻辑关系的分析可以得出结论 该测试系统 可 实现液压缸双向驱动 r 。 _。 一 I I I I J I 【． J I ⋯ 液压缸位移， m 一 6 控制阀控制信号／ n u l l ● ● l l i } 图 6低 压 回 路 控 制 阀信 号 和 液压 缸位 移 图 7为低压 大流量 泵流量 ， 其值约为 1 5 0 L ／ rai n ， 泵最大 出E l 压力由溢流阀 1 O调定 低压大流量泵主要 为液压缸模拟实际速度工况运行提供动力 ．其流量主 要分为两部分 ． 一部分经 6 控制 阀进入测试缸 。 一部 分经溢流 阀溢流 1 O 如果液压泵 8为定量泵 ． 则系统 必定存在溢流损失 ． 此处若选用电比例变量液压泵并 通过反馈实现流量闭环控制 ．则可实现理论上无溢流 损失 O 5 O 5 O O 加 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 3年 第 1 2期 一 低压大流量泵输出流量／ L ．min lx 2 2 2 7 l v 1 1 4 9 8 6 2 图 7低 压 大 流 量 泵 流 量 为进一步说 明该测试系统可能存在的能量损失 ． 以 图 2所示系统为例 ．该系统低压 回路选用定量泵加溢流 阀组合 ， 因此在低压 大流量 泵 出V I 存在溢流 能量损 失 。 相对而言。 由于低压回路系统压力较低 ， 即使存在溢 流． 其能量损失较采用溢流加载的液压缸测试系统少 低压大流量泵所在 回路 的流量如图 8所示． 在该流 量下，从 图 9中可以看 出．低 压回路总溢 流流量约为 7 5 L ／ m i n 高压 回路总溢流流量约为 1 ． 5 L ／ m i n 。 时N／ s 图 8低压大流量泵所在 回路 的流量 通过对能量回收型液压缸测试系统回路模型的仿 真计算 ． 得到系统运行时液压缸运动速度、 加速度和加 载力如图 1 0 、 图 1 1 和图 1 2所示 。 在该系统预设参数下 见表 1 ， 由于控制阀存在突然换 向， 对液压缸两腔形 成流量和压力冲击 ．其冲击的幅度与流量大小和换 向 时间快慢等直接有关。图 1 0中， 液压缸运动速度约为 0 ． 3 m ／ s ， 峰值速度约为 0 ． 4 5 m／ s 出现在换 向阀换 向的瞬 间 ； 图 l 1中液压缸运动加速度峰值 约为 4 m ／ s z 图 1 2 中液压缸加载力约为 3 0 0 k N．其大小直接与加载压力 相关 ， 随着加载压力的增大 ． 液压缸加载力也越大。 2 4 时间／ S 图 9回路溢流流量 图 1 0液压缸运动速度 2 O 4 0 6 O 8 O 1 O O 时间／ s 图 1 1 液压缸运动加速度 图 1 2液压 缸加 载 力 2 ． 3 节 能效 率 从 图 1 3中可以看出 。 高压加载系统 回路压力开始 阶段以斜线上升 ． 当达到 4 0 0 b a r 后稳定不变 ． 这是由于 负载建立高压加载 回路压力的是通过高压小流量泵来 完成 ， 其流量仅为 1 ． 5 L ／ m i n ． 而液压缸无杆腔 的容腔体 积达到了 1 2 ． 5 7 L 初始容腔体积 ． 因此 ． 要在该容腔 中 建立 4 0 0 b a r 的压力需要一个建压时间．即为图中斜线 经历的时间 低压驱动系统 回路压力在液压缸运动时 的压力为 2 5 b a r ． 即当液压缸负载效率测试时 ． 在加载 压力为 4 0 0 b a r 时 ．在液压缸有杆腔仅需要 2 5 b a r的压 力就可以驱动液压缸做往复运动 当液压缸活塞到达 行程终点时． 该压力将有溢流阀 1 0来设定 图 1 4中． 液压缸内泄漏曲线的数值符号仅代表其 流动方 向 由于液压缸负载效率测试时液压缸两腔形 成压差 。 而液压缸活塞与缸筒之间存在配合 间隙 ． 因此 在该工作边必然存在有泄漏。从数据上来看 ． 液压缸 内 4 2 O 2 4 0 6 4 2 O 8 6 4 2 0 1 l 1 1 O O 0 O Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ N0 ． 1 2 ． 2 0 1 3 泄漏流量整体在 1 0 3 L ／ mi n级别 ， 属于正常泄漏 ， 当然 其大小与液压缸活塞配合长度 ．配合间隙和偏心等有 直接关系。 高压加载系统回路压力／ b a r 低压驱动系统 回路压力／ b m ／ ／ ] ／ l y _ l 4 0 0 0 0 3 l ／l y _ 2 2 5 2 3 6 I f I 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。一 门厂 ] 厂 ] 厂 ] 厂 ] 厂 ] 厂 ] 厂 O 2 O 4 0 6 O 8 0 1 0 0 时间／ S 图 1 3高压小流量 回路压 力 图 1 4高 压 小 流 量 回路 压 力 从采用能量 回收原理设计的液压缸测试试验系统 工作原理可 以发现 ． 试验工作过程 中的能量损耗可分为 两部分 ． 一部分 为高压泄漏和溢流 ． 另一部分为低压溢 流 理论上可实现零损耗 。 以下针对该预设参数下液压 缸测试试验台能耗进行分析 忽略管路流阻损失 。 1 高压泄漏和溢流功率损耗 6 P 高 压 4 e 7 x 1 ． 5 ／ 6 0 x 1 0 l k W 2 低压溢流功率损耗 6 P 低 压 2 ． 5 2 3 6 e 6 7 5 ／ 6 0 1 0 3 ． 1 5 k W 3 溢流加载系统功率损耗 6 p 溢 流 4 e 7 7 5 ， 6 0 1 O 5 0 k W 4 节能率 7 ／ 1 高 压 印 低 压 溢 流 9 1 ． 5 ％ 由计算结果可 以看出 ．理论上通过能量 回收技术 设 计开发液压缸测试试验台可实现节能效率近 9 0 ％以 上。实际系统 中 ， 在考虑管路流阻损失情况下 ， 采用能 量回收技术设计 的液压缸测试试验台综合节能率也通 常在 6 O ％ 8 0 ％左右 3 结论 以液压缸试验标准 G B ／ T 1 5 6 2 2 2 0 0 5 液压缸试验 方法为依据 ，设计 了能量 回收式液压缸测试系统回 路 通过对液压缸试验系统 回路 A ME S i m模型的计算 和分析 ． 并根据液压缸负载效率试验节能效率 的计算 ． 可以得到以下几点启示 1 基于能量 回收式液压缸试验测试系统原理上 完全可行 ， 该 系统具备完成液压缸起动特性试验 、 耐压 试验、 耐久性试验、 泄漏 内泄漏和外泄漏 试验和负载 效率试验等测试项 目的功能 2 根据液压缸负载效率试验节能效率 的计算结 果说明采用能量 回收式较现普遍采用的溢流加载式具 有明显 的节能效果 。 在忽略管路流阻损失的情况下 ． 其 节能效率达到 9 0 ％以上 ．即使考虑管路流阻损失 和溢 流损失等在 内， 节能效率也将接近 6 0 ％～ 8 0 ％。因此 。 其 在液压缸的大功率 、全 寿命等测试 中具有溢流加载所 不可 比拟的优势 3 试验中 ， 液压缸 的往复运动是通过换 向控制阀 来实现的 ．在控制阀换 向动作 时系统存在流量和压力 冲击现象。其 冲击的幅度与控制 阀换向时间和系统流 量有关 ， 因此 。 在工况允许 的情况下 ． 应尽 量延长控制 阀的换 向时间 4 由于 目前市场上 高压小流量 液压 泵使用并 非 普遍 ．因此在系统高压加载系统 回路中可以考虑采用 高压泵十 蓄能器 溢流阀代替高压小流量泵 溢流阀 不 过此时将牺牲一点系统加载压力的稳定性 通过对能量回收式液压缸实验测试系统模型的建 立和分析 ， 进一步验证 了模型的正确性和有效性 结合 系统特点分析 了系统运行中可能出现的问题 ．从而为 下步液压缸试验测试系统的建立和测试打下 了良好 的 基 础 。 参考文 献 [ 1 ] 曾 良才 ， 陈奎生 ， 湛从 昌． 高精 度液压缸实验 台[ J ] ． 工 程机械 ， 1 9 9 6， 1 1 0 1 2 ． [ 2 】 吴成志 ， 赵艳平， 苗丰． 液压缸试验台液压系统的改进设计[ J ] ． 流体传动与控制 。 2 0 0 4 ， 3 9 一 l 0 ． [ 3 】 吴 向东 ， 安维胜 ． 液 压系统 的能 量 回收方法 [ J 】 ． 液压 与气 动， 2 0 0 1 ， 1 2 1 6 - 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