液压二次调节惯性负载系统节能研究

　　惯性负载是指具有一定质量的负载,在执行器驱动下处于旋转运动或者直线运动状态,具有一定的惯性能。由于负载具有一定的惯性能,在制动或者下降的过程中有一部分能量需要转化,如果能够被液压系统回收则可以转化成液压能存储起来或被重新利用,如果不能回收就会变成热量消耗掉。在这样的工作过程中,以往都是采用泵控马达或者阀控缸等执行机构进行控制,负载的惯性能得不到回收,系统发热量大从而影响系统元件寿命。目前,有研究者采用变频控制以及负载敏感等方式对该类系统进行研究,取得了一定的成果[1-3]。本文拟采用二次调节技术对该类系统进行研究。二次调节元件能工作在由转速和输出转矩组成的坐标系的四个象限,调节方式为负载端排量调节,具有很好的功率匹配特性,能回收制动或者下降中的惯性能,并在启动阶段可以释放这部分能量,减少系统的发热量,提高整个系统关键元件的使用寿命而且能够减小装机功率,达到节能的目的[4-7]。

　　1　二次调节惯性负载系统

　　二次调节惯性负载实验系统原理如图1所示。本实验系统主要完成二次调节惯性负载系统控制特性及节能研究实验。图1中,1为恒压变量泵,2为回收能量用蓄能器,3为伺服阀,4为位移传感器,s表示位移,U表示其输出形式为电压输出,5为压力传感器,其中p表示压力,U的含义同上,6为二次调节元件,7为转矩转速传感器。

　　负载简化图见图2。其中,Kse为二次元件输出轴等效弹簧刚度,J2为二次元件输出轴上的转动惯量,RH为二次元件输出轴上的阻尼系数,ω2为二次元件运动的角速度。

　　实验系统中,惯性负载为两个相同的惯性盘,可以模拟不同惯性负载时的特性要求。惯性负载盘的运动分析如图3所示。惯性负载质量为m,半径为r,运行角速度为ω。

　　2　节能特性计算

　　对二次调节惯性负载节能的研究主要是针对二次调节惯性负载系统计算其节能特性,得出负载制动时的能量回收效率。该二次调节系统采用转速闭环控制,惯性负载以某一速度运转时,具有一定的动能,二次调节惯性负载系统能量回收过程就是在负载制动过程中将这一部分能量进行回收,实际回收能量大小与这一部分能量的比值就是能量回收效率:

　　η₁= E₂/E₁　　(1)

　　式中,η1为从惯性负载到二次元件的能量回收效率;E1为负载平稳运行时的动能;E2为二次元件向系统输出的能量。

　　负载绕水平轴转动的转动惯量为

　　惯性负载运行时所具有的动能为