泵控非对称液压缸系统能效特性对比研究
非对称液压缸的动态特性仿真研究_郝前华
第 6期
郝前华等 :非 对称液压缸的动态特性仿真研究
9 87
由铲斗自重 通过 连杆 传 递到 活塞 杆上 的 负载 力 FL′。 该 负 载力 FL′与铲 斗液 压 缸瞬 时 长度 L有 关 [ 10] 。 为简化分析 , 假设在时间 t=0时 , 对液压缸输入一阶跃负载力 FL =2 500 N, 同时输入一阶跃 流量 Q1 =110 L/min。
第 6期
郝前华等 :非 对称液压缸的动态特性仿真研究
9 85
现加速或减速的瞬态过程 。非对称液压缸的动态特性分析就是对这一瞬态过程中的输出压力和活塞运 动速度变化进行分析 [ 4] 。对液压系统的动态特性 , 国内有很多学者做了研究 。罗艳蕾 [ 5] 对液压节流调 速系统动态特性进行了仿真 , 崔昊等 [ 6] 对一开关型阀控液压缸进行了仿真与优化 , 史显忠等 [ 7] 对由对
根据式 (7)、(8)可求得外负载和流量单作用下液压缸活塞的速度 , 根据式 (9)、(10)可求得外负载 和流量单作用下液压缸工作腔的输出压力 。在外负载和流量的共同作用下 , 由叠加原理可知 , 液压缸的 输出压力和速度是它们单独作用于液压缸所引起的输出之和 。
根据式 (5)、(6)和图 2非对称液压缸方框图 , 在 MATLAB软件中建立铲斗液压缸仿真模块图 , 如图 3所示 。
质量 (kg);u为非对称液压缸活塞运动速度 (m/s);B为
粘性阻尼系数 (N· s/m);FL为负载力 (N)。 非对称液压缸工作腔的流量连续方程 [ 4]
图 1 非对称液压缸 ——— 负载系统 Fig.1 Theloadedsystem ofasymmetrical
Q1 =A1 u+CiP1 +Vβe1 ddPt1 ,
《起重机泵阀协同压力流量复合控制液压系统能效特性分析》范文
《起重机泵阀协同压力流量复合控制液压系统能效特性分析》篇一一、引言随着现代物流和工程机械的快速发展，起重机作为重要的设备之一，其运行效率和安全性成为研究的关键。
其中，液压系统作为起重机的核心组成部分，其控制性能的优劣直接关系到起重机的整体能效。
本文将重点分析起重机泵阀协同压力流量复合控制液压系统的能效特性，探讨其工作原理及优化策略。
二、液压系统概述起重机液压系统是一个复杂的系统，主要由泵、阀、执行器等组成。
其中，泵负责提供动力，阀负责控制流体的方向和流量，执行器则是实现具体动作的装置。
泵阀协同压力流量复合控制液压系统通过精确控制泵的输出压力和流量，以及阀的开关状态，实现能量的高效利用。
三、泵阀协同控制原理起重机泵阀协同压力流量复合控制液压系统通过先进的控制系统，实现泵和阀的协同工作。
具体而言，系统根据工作需求，实时调整泵的输出压力和流量，同时通过阀的开关状态控制流体的流向和流量，从而达到最优的能量利用效果。
这种协同控制方式不仅可以提高工作效率，还可以降低能耗，延长设备的使用寿命。
四、能效特性分析1. 高效性：起重机泵阀协同压力流量复合控制液压系统通过精确控制泵和阀的工作状态，实现了能量的高效利用。
在起重机的各种工况下，系统能够根据实际需求调整输出压力和流量，避免了能量的浪费。
2. 节能性：该系统通过优化泵和阀的工作状态，降低了能耗。
相比传统的液压系统，该系统在保证工作效率的同时，显著降低了能源消耗。
3. 稳定性：泵阀协同控制系统具有较高的稳定性，能够在不同工况下保持系统的稳定运行。
这有助于提高起重机的作业精度和安全性。
4. 维护性：该系统采用先进的控制系统和高质量的液压元件，降低了维护成本和维修频率。
同时，系统的自诊断功能可以帮助及时发现并解决问题，提高了设备的可用性。
五、优化策略为了进一步提高起重机泵阀协同压力流量复合控制液压系统的能效特性，可以采取以下优化策略：1. 引入先进的控制系统：采用先进的控制算法和传感器技术，实现更加精确的泵阀协同控制。
非对称轴向柱塞泵变排量控制特性分析
非对称轴向柱塞泵变排量控制特性分析张婉茹;熊晓燕;黄家海;罗刚;成杰【期刊名称】《液压与气动》【年(卷),期】2017(000)002【摘要】非对称轴向柱塞泵直接闭式控制单出杆液压缸系统具有结构紧凑、能效高和噪声低的优势,其排量控制特性直接影响泵控系统运行特性.基于此,提出基于斜盘摆角位移反馈的排量控制方案,根据电液比例排量调节工作原理,考虑弹性负载刚度及外负载力干扰的影响,建立了非对称轴向柱塞泵的变排量控制系统模型.通过MATLAB/Simulink仿真分析了不同活塞直径、负载刚度、斜盘摆角、负载压力对泵的出口流量动态特性的影响.仿真结果表明,减小液压缸活塞直径、增大负载刚度可以加快响应速度;增大负载压力可以提高响应稳定性.通过实验验证了仿真结果正确性,实验表明非对称泵的变排量工作性能稳定可靠.【总页数】6页(P11-16)【作者】张婉茹;熊晓燕;黄家海;罗刚;成杰【作者单位】太原理工大学机械工程学院,山西太原030024;太原理工大学机械工程学院,山西太原030024;太原理工大学机械工程学院,山西太原030024;甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司,甘肃兰州730070;太原科技大学机械工程学院,山西太原030024【正文语种】中文【中图分类】TH137.7【相关文献】1.排量控制阻尼孔对轴向柱塞泵动态响应特性的影响分析 [J], 李和言;路华鹏;马彪2.变排量非对称轴向柱塞泵控制特性分析 [J], 黄家海;贺伟;郝惠敏;权龙3.变排量非对称轴向柱塞泵动态特性分析 [J], 贺伟; 黄家海; 郝惠敏; 权龙4.变排量非对称轴向柱塞泵控制性能分析 [J], 杨迦迪;赵斌;武兵;王君;兰媛5.变转速变排量双控轴向柱塞泵脉动特性及噪声研究 [J], 闫政;权龙;黄家海因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
非对称泵控差动缸速度伺服系统特性
度进行动态补偿 。仿真和试验结 果表 明，该控制策 略有 效改善差动缸伸 出和收 回速度动静态性能 ，提高 了系统能量效率 。
关键词 ：差动缸 非对称泵 非线性 动态 前馈 能量效率 中图分类 号：Ｔ Ｈ ６
Ｃｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ Ａｓ ｙ ｍｍ ｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｐｕｍ ｐ Ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｄ Ｄｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｌ Ｃｙ ｌ ｉ ｎ ｄ ｅ ｒ Ｓ ｐｅ ｅ ｄ Ｓｅ ｒ ｖ ｏ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
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非对称泵控单出杆液压缸实验方法研究
非对称泵控单出杆液压缸实验方法研究王爱红;韦关龙;刘等卓;吕振峰;成杰【摘要】非对称泵是一种可平衡单出杆液压缸有杆腔和无杆腔不对称流量的新型高效节能元件,对消除或减少液压系统能量损失具有显著效果,故需要在现有研究基础上从原理、功能及使用等方面不断完善改进,以便于投入到工程应用中.由于非对称泵结构的特殊性,进行泵控单出杆液压缸台架实验设计是非对称泵在液压回路中使用的基础性研究.实验回路中,非对称泵A油口接单出杆液压缸有杆腔、B油口接单出杆液压缸无杆腔、C油口接蓄能器、利用DSpace控制非对称泵斜盘倾角,达到变量控制液压缸.理论和实验表明,非对称泵可以有效匹配单出杆液压缸有杆腔和无杆腔不对称流量,实现非对称泵控单出杆液压缸的有效节能控制.【期刊名称】《太原科技大学学报》【年(卷),期】2017(038)006【总页数】5页(P440-444)【关键词】非对称变量泵;单出杆液压缸;斜盘倾角;DSPACE【作者】王爱红;韦关龙;刘等卓;吕振峰;成杰【作者单位】太原科技大学机械工程学院,太原030024;太原科技大学机械工程学院,太原030024;太原科技大学机械工程学院,太原030024;太原科技大学机械工程学院,太原030024;太原科技大学机械工程学院,太原030024【正文语种】中文【中图分类】TH322负载敏感控制系统当几个执行器同时工作，只有压力最高的负载效率较高，其他负载用压差补偿会产生较大的节流损失[1]。
为了消除阀控系统的节流损失,原德国汉堡工业大学Monika教授在1998年提出将全泵控技术用于工程车辆上，以变量泵/马达为控制元件消除节流损失、实现能量回收利用[2]。
实验表明在轮式装载机上采用泵控差动缸液压系统，燃油消耗量可降低15～25%[3]，挖掘机采用泵控技术，可降低燃油消耗49% [4].国外Rexroth公司、美国Vickers公司、德国Aachen工业大学液压研究所、普渡大学、Hamburg工业大学等 [5-7]，国内哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、太原理工大学等对泵控技术都进行了相关研究[8-11]。
变排量非对称轴向柱塞泵控制特性分析
泵控舵机液压缸动态特性研究
《起重机泵阀协同压力流量复合控制液压系统能效特性分析》
《起重机泵阀协同压力流量复合控制液压系统能效特性分析》一、引言随着现代物流和工程建设的快速发展，起重机作为重要的工程机械，其工作效率和能效特性直接关系到工程进度和成本。
在起重机的众多技术环节中，液压系统是核心部分之一。
本文将重点分析起重机泵阀协同压力流量复合控制液压系统的能效特性，以期望通过技术手段提高起重机的作业效率与节能效果。
二、液压系统概述起重机的液压系统主要依靠泵阀等核心部件的协同作用，实现对压力和流量的精准控制。
泵负责提供动力，阀则负责调节和控制液压油的流向和压力，以驱动起重机的各种动作。
其中，泵阀协同控制技术是当前工程机械液压系统的研究热点。
三、泵阀协同压力流量复合控制原理泵阀协同压力流量复合控制液压系统通过先进的控制系统，实现对泵和阀的协同控制。
这种控制方式能够根据实际工作需求，动态调整泵的输出功率和阀的开启程度，从而达到在满足作业要求的同时，实现能耗的最优化。
这种控制策略不仅提高了作业效率，也降低了能源消耗。
四、能效特性分析（一）节能性分析采用泵阀协同控制的液压系统，能够根据实际工作负载的变化，自动调整泵的输出功率和阀的开启程度。
当负载较轻时，系统会自动降低泵的输出功率，减少不必要的能源浪费；当负载较重时，系统则会增加泵的输出功率，以保证作业的顺利进行。
这种智能调节机制使得起重机在各种工况下都能保持较高的能效水平。
（二）效率性分析泵阀协同控制的液压系统通过精确的压力和流量控制，使得起重机的各项动作更加迅速、准确。
这不仅能够提高作业效率，减少作业时间，还能减少因操作不当导致的设备损坏，从而延长设备的使用寿命。
（三）稳定性分析该液压系统具有较好的稳定性，能够在不同工况下保持系统的稳定运行。
这得益于先进的控制系统和智能调节机制，使得系统能够根据外界环境的变化，自动调整参数，保证系统的正常运行。
五、结论通过对起重机泵阀协同压力流量复合控制液压系统的能效特性分析可以看出，这种控制系统具有显著的节能效果、高效率和良好的稳定性。
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泵控非对称液压缸系统能效特性对比研究王波;李运华;赵斌;葛磊;权龙【摘要】以现有对称泵控非对称缸系统和新型三油口泵控非对称缸系统为对象,对四象限工况下两种系统的能效特性进行了对比研究.介绍了两种系统的工作原理,对系统能效进行了理论分析,进一步在Simulation X软件中进行了仿真研究,并讨论了负载力大小对系统能效的影响.仿真结果表明,与对称泵控系统相比,三油口泵控系统第Ⅰ象限内,可提高系统能量效率7.6％,减少系统能量损失66％;第Ⅲ象限内,可提高系统能量效率21.2％,减少能量损失86.4％,因此具有更好的能效特性,节能效果显著.【期刊名称】《液压与气动》【年(卷),期】2018(000)010【总页数】7页(P8-14)【关键词】对称泵;三油口泵;四象限工况;能效特性【作者】王波;李运华;赵斌;葛磊;权龙【作者单位】太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,山西太原 030024;北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京 100191;太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,山西太原 030024;太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,山西太原 030024;太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,山西太原030024【正文语种】中文【中图分类】TH137引言传统液压阀控系统响应速度快、控制精度高，但存在节流损失大、系统效率低和能量浪费大等问题[1]。
为了提高系统能量效率，最直接的方法是采用泵控系统，通过控制液压泵的排量或转速，直接无节流损失地驱动液压执行器，具有较高的能量效率[2]。
根据执行元件的不同，泵控系统进一步可分为泵控对称缸(马达)和泵控非对称缸两种。
其中，泵控对称缸系统研究起步较早，技术成熟，已广泛应用于飞机舵机等系统。
而泵控非对称缸系统、液压泵流量与液压缸两腔面积不匹配，如何补偿液压缸面积差造成的不对称流量是其需要解决的首要问题[3]。
为此，LODEWYKS[4]提出了采用液压变压器和采用同轴驱动的2个变排量泵两种方案来补偿液压缸面积差造成的不对称流量。
MONIKA课题组[5]对采用液控单向阀补偿不对称流量的泵控系统进行了深入研究，并设计了挖掘机整机混合动力泵控系统，通过与闭式液压泵同轴联接的辅助泵/马达、以扭矩耦合的方式对负载势能进行回收，与负载敏感系统相比，系统能耗降低了50%[6]。
权龙[7-8]提出了一种采用2个独立驱动的变转速泵控制液压缸两腔、通过控制电机转速来平衡系统不对称流量的分腔容积控制方法。
进一步设计了一种新型三油口液压泵，将液压泵配流窗口由2个改为3个，用配流窗口来平衡系统的不对称流量[9]，并将该液压泵用于驱动挖掘机斗杆，获得了良好的控制特性和节能效果[10-11]。
赵丁选[12]采用并联驱动的2个变排量泵补偿液压缸的不对称流量，并增加了蓄能器平衡负载重量和回收重力势能。
姚静[13]提出了一种通过同轴驱动的2个开式液压泵分别控制液压缸的两腔，用液压泵的排量来平衡不对称流量的开式泵控原理。
综上所述，经过多年发展，泵控非对称缸技术取得了很大的进步，有了多种解决方案，但各方案的系统成本、能效特性均有差别。
而现有工作对各类型泵控方案的对比研究较少，哪种方案具有更高的性价比和更好的能效特性尚无定论。
为此，以现有的对称泵控非对称缸系统[5]和新型三油口泵控非对称缸系统[11]为对象，对两种系统在四象限工况下的能效特性进行了对比研究。
1 对称泵控非对称液压缸系统原理图1所示为对称泵控非对称缸系统原理，系统采用电机驱动闭式泵/马达，闭式泵/马达的2个油口直接与液压缸的两腔连通，通过改变闭式泵/马达的斜盘摆角可实现对液压缸的速度和方向的控制。
同时，为了平衡液压缸面积差造成的不对称流量，增加了由定量泵、蓄能器和溢流阀组成的流量补偿回路和大流量的液控单向阀。
1.闭式泵/马达 2.流量补偿回路3a、3b.液控单向阀 4a、4b.溢流阀图1 对称泵控非对称缸系统液压缸伸出和收回时，根据不同的负载力和速度方向，系统可分别处于四个象限内进行工作。
图2给出了系统的四象限运行工况，v为液压缸运行速度，FL为液压缸负载力，m为负载质量，AA、AB分别为液压缸无杆腔和有杆腔面积，pA、qA 分别为液压缸无杆腔的压力和流量，pB、qB分别为液压缸有杆腔的压力和流量，qAf为流量补偿回路与液压缸无杆腔交换油液的流量，qBf为流量补偿回路与液压缸有杆腔交换油液的流量。
图2 对称泵控系统四象限运行工况第Ⅰ象限时，液压缸阻力伸出，电机驱动闭式泵/马达向液压缸无杆腔供油，无杆腔为高压驱动腔，面积大、需求流量多，流量补偿回路通过液控单向阀3b向系统提供需求的流量平衡液压缸的不对称流量。
第Ⅱ象限时，在负载力的作用下，液压缸伸出，有杆腔为高压驱动腔，闭式泵/马达在有杆腔高压油的驱动下带动电机发电，流量补偿回路通过液控单向阀3a向系统补油。
第Ⅲ象限时，液压缸阻力收回，电机消耗能量，驱动闭式泵/马达向有杆腔供油，在有杆腔高压油的作用下，液控单向阀3a打开，系统向流量补偿回路排油。
第Ⅳ象限时，液压缸在负载力的作用下收回，电机工作在发电状态，无杆腔多余的流量通过液控单向阀3b和流量补偿回路流回油箱。
2 三油口泵控非对称缸系统原理图3给出了三油口泵控非对称缸系统工作原理，系统采用了变转速电机驱动新型三油口液压泵，通过改变电机的转速和转向来控制液压缸的运行速度和方向。
其中，新型三油口泵通过配流盘平衡液压缸的不对称流量，油口a与液压缸无杆腔连通，油口b与液压缸有杆腔连通，油口c与油箱连通。
理论上，通过调整配流盘窗口面积使3个油口的排量Da、Db、Dc的关系如式(1)所示，三油口泵转动一圈，流过油口a、b的油液分别与液压缸无杆腔和有杆腔的流量相匹配，油口c完全平衡系统的流量差。
但实际工作中，由于存在系统泄漏、油液压缩以及加工制造误差等不确定因素，系流量不能完全平衡，需增加小流量的补油回路和液控单向阀。
(1)1.三油口液压缸2.补油回路3.液控单向阀4a、4b.溢流阀图3 三油口泵控非对称缸系统3 系统能效理论分析静止状态下，液压缸的力平衡方程为:pAAA-pBAB=FL(2)对于图2所示的对称泵控系统，电机仅在第Ⅰ象限和第Ⅲ象限消耗能量；第Ⅱ象限和第Ⅳ象限时，在负载力的作用下，闭式泵/马达带动电机旋转，电机工作在发电状态，不消耗能量。
而四个象限内，流量补偿回路始终输出一定压力和流量，并通过液控单向阀与系统交换油液，系统存在流量补偿回路的溢流损失和单向阀节流损失；第Ⅲ、第Ⅳ象限时，液压缸无杆腔多余的流量分别通过液控单向阀3a、3b 和流量补偿回路直接返回油箱，系统还存在液压缸不平衡流量造成的能量损失。
由此，可得四个象限内，系统消耗电能和损失能量分别为:EⅠ=(vAA(pA-pB)+Pfill1)dt(3)EⅢ=(vAB(pB-pA)+Pfill1)dt(4)EⅡ/Ⅳ=Pfill1dt(5)EⅠloss=(Pfill1-qBfpB)dt(6)EⅡloss=(Pf ill1-qAfpA)dt(7)EⅢloss=(Pfill1+qAfpA)dt(8)EⅣloss=(Pfill1+qBfpB)dt(9)忽略系统泄漏及油液压缩等因素，流量补偿回路与系统交换的流量等于液压缸无杆腔和有杆腔流量之差，即：qAf=qBf=v(AA-AB)(10)四个象限内，液控单向阀在驱动腔高压油的作用下打开，开口恒定不变，可等效为1个固定节流孔，由式(11)可求出其两端的压差。
而流量补偿回路输出压力恒定不变，第Ⅰ象限时，液压缸非驱动腔压力如式(12)所示。
(11)pBI=p补-Δp(12)联立式(2)、式(3)、式(10)～式(12)可得：EⅠ=vFL-v(AA-AB)p补+km(AA-AB)3v3+Pfill1dt(13)同理，进一步可推出：EⅢ=vFL+v(AA-AB)p补+km(AA-AB)3v3+Pfill1dt(14)EⅠloss=EⅡloss=Pfill1+v(AA-AB)p补+km(AA-AB)3v3dt(15)EⅢloss=EⅣloss=Pfill1+v(AA-AB)p补+km(AA-AB)3v3dt(16)式中，tⅠ、tⅡ、tⅢ、tⅣ 分别为液压缸工作在第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ和第Ⅳ象限的时间； p补为流量补偿回路和补油回路压力； Pfill1为流量补偿回路功率； Cd为单向阀口流量系数； A为单向阀开口面积；ρ为油液密度；三油口泵控系统通过液压泵配流盘平衡系统的不对称流量，补油回路仅输出一小部分流量补偿系统泄漏和维持液压缸非驱动腔压力，液控单向阀造成的节流损失可忽略不计，系统仅存在补油回路造成的能量损失。
因此，四个象限内，系统消耗电能和损失能量分别为：(17)(18)(19)式中， Pfill2为补油回路功率。
通过上式可以看出，四个象限内，对称泵控系统始终存在着与液压缸速度有关的液控单向阀节流损失，液压缸运行速度越大，单向阀节流损失也越大，并造成系统能耗的增加，使系统能耗不仅与负载大小有关，还受液压缸运行速度影响。
而三油口泵控系统通过配流盘平衡液压缸的不对称流量，相较于对称泵控系统，没有单向阀配流造成的节流损失，系统能耗不受液压缸运行速度影响，仅与负载大小有关。
4 仿真研究与结果分析4.1 仿真模型搭建为了进一步对两个系统的能效特性进行验证，利用多学科仿真软件Simulation X 分别参照图1和图3搭建了对称泵控系统和三油口泵控系统仿真模型，建立的仿真模型如图4和图5所示。
图中，对称泵控系统各元件均为现有元件，可直接从软件自带元件库中选取；三油口泵控系统中，三油口液压泵不是现有元件，采用基础元件进行搭建，并进行封装。
为了模拟相同工况，两个仿真模型中各元件规格尺寸相同，负载力大小和方向也相同。
其中，闭式泵/马达和三油口泵排量为45 mL/r(三油口泵为油口a排量)，流量补偿回路流量为22.5 L/min，补油回路流量为5 L/min，设定压力均为2 MPa，负载力大小为30 kN。
图4 对称泵控非对称液压缸系统仿真模型图5 三油口泵控非对称液压缸系统仿真模型4.2 能效特性对比分析为了研究四个象限内两个系统的能效特性，分别对液压缸施加大小相等、方向相反的负载力进行仿真。
图6和图7分别给出了四个象限内，对称泵控系统和三油口泵控系统的液压缸位移、压力和流量曲线。
图6和图7中，液压缸运行20 s为一个周期；0～3 s、7.33～12 s和16.33～20 s，电机不工作，液压缸没有速度；3～7.33 s，液压缸伸出，从200 mm运行到700 mm，最大速度为150 mm/s；12～16.33 s，液压缸收回，以150 mm/s 的速度从700 mm运行到200 mm。