飞轮储能型二次调节流量耦联系统

　　二次调节系统与传统的液压系统相比具有显著的特点,不仅没有节流和溢流损失,还能在四个象限内工作,能够回收系统的制动动能和重力势能,并重新加以利用,可以大大提高系统效率[1-3].该技术已经成功地应用于大型实验台、车辆传动、造船工业、冶金工业等领域[4-6].但国内外专家学者对二次调节技术的研究都只是在基于压力耦联的恒压网络或准恒压网络中展开的[7-8].虽然二次调节压力耦联系统有许多优点,但同时也存在不足之处:即当系统接入排量不能改变的液压执行元件时(如液压缸),在系统中必须引入相应的压力转换装置(液压变压器)来实现系统恒压油源与变压载荷工况之间的协调[9].这类装置的引入使系统结构复杂化、成本升高,给该技术在生产实际中的推广应用带来了不利影响.因此,本研究利用二次调节技术和流量耦联系统的优点,并结合飞轮储能的特点[10-12],提出了飞轮储能型二次调节流量耦联系统,并对系统进行数学建模以及相关的仿真试验研究.本研究有助于提高该类装置的效率,减少发热,延长元件寿命,改善控制特性;由此可节省地球有限的能源和保护环境.

　　1　飞轮储能型二次调节流量耦联系统

　　如图1所示,飞轮储能型二次调节流量耦联系统可直接接入排量不可改变的液压缸(定量液压马达),而且不用引入价格昂贵且技术还不成熟的压力转换装置(液压变压器)来实现系统压力与变载荷工况之间的协调关系.该系统可把原来系统负载下降时的势能和动能存储为飞轮的机械动能,在液压缸上升时再回收利用.与传统二次调节系统通过压力联系的方式不同,本系统是通过流量联系的,液压缸的输出速度和力取决于液压泵/马达的能量供应.当负载发生变化时,系统流量保持基本不变,系统压力随负载变化,即负载决定了系统工作压力.本系统通过调节电液伺服阀和变量油缸来改变液压泵/马达的斜盘倾角,使其能够实现四象限工作.本系统适用于频繁往复工况,其工作原理如下:

　　(1)电磁离合器和交流接触器均处于接合状态,控制器发出指令调节二次元件(由液压泵/马达、电液伺服阀和变量油缸组成)的斜盘倾角为零,电机向储能飞轮传递功率使飞轮加速.

　　(2)当飞轮加速到电机额定转速时,电磁离合器处于接合状态,交流接触器处于分离状态,控制器发出指令调节二次元件的斜盘倾角,使二次元件工作在液压泵工况.这时储能飞轮单独传递功率驱动负载上行.

　　(3)当飞轮转速低于设定值时(其功率不足以带动负载),此时交流接触器吸合,电磁离合器分离,电机驱动负载上行.

　　(4)当液压缸达到上行极限位置时,电磁离合器处于接合状态,交流接触器处于分离状态,控制器发出指令调节二次元件的斜盘倾角,使二次元件工作在液压马达工况.此时将重物下降的势能转化为飞轮动能储存于飞轮中,带动飞轮加速.