二次调节静液传动技术的发展及应用

文章编号:1008-1402(2001)01-0052-05二次调节静液传动技术的发展及应用①刘宇辉1,　蒲　红1,　张艳萍2,　姜继海3(1.佳木斯大学机械工程学院,黑龙江佳木斯154007;　2.佳木斯液压件厂,黑龙江佳木斯154007;　3.哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨150001)摘　要:　回顾了二次调节静液传动技术的发展历史,综述了它的基本工作原理和工作特点,介绍了其研究现状及应用情况,并对它的应用前景进行了展望.关键词:　二次调节;静液传动;节能技术中图分类号:　TH137 文献标识码:　A0　引　言静液传动由于具有功率密度大、易于实现工作过程的自动化等优点而被广泛地应用在工程领域中.但由于静液传动存在着漏油、噪声大和效率低等缺点,以及来自于机械传动、电气传动和交流伺服技术快速发展的竞争等原因,进入20世纪90年代以来,其增长速度明显减慢[1].因此,如何在发挥其自身优势的基础上,借鉴于其它传动技术的优点、克服自身的不足,从而设计出新型的静液传动系统,并不断地使其获得进一步地发展,已经成为当前急需解决的关键问题[2,3].二次调节静液传动系统是近年新发展起来的节能系统.它具有一系列的独特优点,越来越引起了人们的重视[4].二次调节静液传动系统是工作于恒压网络的压力耦联系统,能在四个象限内工作,回收与重新利用系统的制动动能和重物势能;在系统中二次元件能无损耗地从恒压网络取得能量,因而大大地提高了系统效率;系统中可以同时并联多个负载,在各负载端可分别实现互不相关的控制规律;扩大了系统的工作区域,改善了系统的控制特性,减少了设备总投资,降低了工作过程中的能耗,节约冷却费用.在能源日益紧缺的今天,基于能量回收与重新利用而提出的二次调节技术具有重要的理论研究意义和实际应用价值[5].国外从70年代末开始此项技术的研究,现已将它应用于造船工业、车辆传动、大型试验台等领域,取得了显著的节能效果.我国从80年代末开始从事二次调节技术的研究,目前尚处于实验室研究阶段.本文简要回顾了这一领域的发展过程及最新成就,并指出了尚需开展或继续进行的工作,不当之处希望得到同行的批评指正.1　二次调节系统的工作原理及特点1.1　二次调节系统的工作原理二次调节静液传动系统(简称为二次调节系统)一般由恒压油源、二次元件(液压泵/马达)、工作机构和控制调节机构等组成.二次调节系统是工作于恒压网络的压力耦联系统,其工作原理是:在恒压网络中,通过调节二次元件斜盘倾角来改变二次元件排量,以适应负载(工作机构)转矩的变化,从而使负载按设定的规律变化.下面以图1说明其工作过程.如图1所示的二次调节系统,二次元件1的排量由变量油缸2进行控制,变量油缸2的流量通过电液伺服(比例)阀3调节.二次元件1转速的变化,通过与二次元件转轴相连的光电编码器(或其它测量元件)测出并转送给控制器,控制器再根据一定的控制方法产生控制信号传送给电液伺服(比例)阀3,再控制变第19卷第1期佳木斯大学学报(自然科学版)Vol .19No .12001年3月Journal of Jiamusi University (Natural Science Edition )Mar .2001①收稿日期:2001—01—21 基金项目:国家教育部留学回国人员基金资助项目 作者简介:刘宇辉(1970—),男,黑龙江泰康人,佳木斯大学机械工程学院讲师,工学硕士.量油缸向左或向右移动以改变二次元件1斜盘倾角的大小和方向,进而改变二次元件1的排量,使系统稳定地工作在某一工作状态.这个平衡状态可产生于任何的设定转速,通过改变电液伺服(比例)阀的控制信号,可以使二次元件1的转速无级变化.二次调节系统中的二次元件(液压马达/泵)对负载转矩变化的反应,最终通过改变二次元件的排量来实现.这种调节在输出区的二次元件上进行,调节功能通过二次元件自身闭环反馈控制来实现,不改变系统的工作压力.通过改变二次元件斜盘摆动方向(过零点),二次元件能在四个象限内工作,既有“液压泵”工况,也有“液压马达”工况,从而提供了能量回收的可能性.当二次元件工作于液压泵工况时,向系统回馈能量,回收的能量既可以由蓄能器储存,也可以立即提供给其它用户使用.1.二次元件2.变量油缸3.电液伺服阀4.恒压变量泵5.蓄能器6.安全阀图1　二次调节静液传动系统工作原理图从以上分析可以得出,实现各种控制目的的最终控制量是作用在变量油缸上,变量油缸的不同位置使二次元件有不同的斜盘倾角,即有不同的排量.因此,二次调节的最终控制是实现对变量油缸位置控制.1.2　二次调节技术的特点及应用二次调节静液传动系统具有以下特点[6]:1)通过改变二次元件的排量来改变输出转矩的大小,进而实现对转速、位置、转矩和功率的控制.通过改变二次元件斜盘摆角的方向(过零点)来改变二次元件的转向.2)由于二次调节系统是压力耦联系统,所以二次元件的流量与其转速和转矩的乘积成比例.3)它是压力耦联系统,系统中的压力基本保持不变.二次元件直接与恒压油源相连,因此在系统中没有原理性节流损失,提高了系统效率.4)二次元件(液压马达/泵)可在四个象限内运行工作,既可以工作在液压马达工况,也可以工作在液压泵工况,为能量的回收和重新利用创造了条件.5)蓄能器回收的液压能可满足间歇性大功率的需要,在设备的启动过程中能利用蓄能器释放出的能量来加速启动过程,由此来提高系统的工作效率.6)由于蓄能器的存在使系统中不会形成压力尖峰,可减少压力限制元件的发热,从而降低用于系统冷却的功率消耗.7)与电力系统相似,二次元件工作于恒压网络,在这个恒压网络中可以并联多个互不相关的负载,并可实现互不相关的控制规律,而液压泵站只需按负载的平均功率之和进行设计安装.8)二次调节系统提供了新的控制规律和控制结构.2　二次调节技术的发展概况德国汉堡国防工业大学的H.W.Nikolaus 教授于1977年首先提出了二次调节静液传动的概念[7].国外从事这方面研究的单位主要有德国汉堡国防工业大学静液传动和控制实验室(LHAS )、亚琛工业大学流体传动与控制研究所(RW TH)和曼内斯曼力士乐有限公司(Mannesma nn Rex ro th Gmb H).1980年W .Backe 和H .M urrenhoff 教授进行了液压直接转速控制的二次调节静液传动系统的研究,他们用的二次元件的变量油缸是单出杆活塞缸[8].1981年至1987年间,R.Ko rda rk 、W.Backe 、H.M urrenhoff 、H .W.Niko laus 和 F.M etzner 等人先后提出了液压直接控制系统、液压先导控制调速系统和机液调速系统[9～11].但这些调速系统的控制性能不太理想,结构复杂,实现较困难.53第1期 刘宇辉等:二次调节静液传动技术的发展及应用1982年至1987年间,H.M urrenhoff 、W.Backe 和H.J.Haas 等人为提高系统的控制性能,对二次调节电液转速控制系统和电液转角控制系统进行了研究[12～14].这种系统可以是单反馈控制回路,但其阻尼比较小,控制性能不太好.为提高系统的阻尼,改善系统的控制性能,引入二次元件变量油缸位移反馈,组成双反馈回路电液转速控制系统.1987年F.Metzner 提出了数字模拟混合转角控制系统[15～17],将经过电液力反馈转速控制的二次元件作为被控对象,控制算法采用数字PID 控制,它能实现二次元件的转速、转角、转矩和功率控制.1988年W.Ho lz 先生发表文章介绍此系统,并给出其应用的可能性[18].1993年W .Backe 教授和Ch .Koegl 又研究了转速和转矩控制的二次调节静液传动问题,其中包括对这两个系统中两个参数的解耦问题的研究[19].1994年R.Kodak 研究了具有高动态特性的电液转矩控制系统[20].近年来,德国汉堡国防工业大学与力士乐公司合作进行了实用性研究[21],把二次调节静液传动技术应用到多种机械设备的液压系统中,取得了显著的节能效果.我国从80年代末开始从事二次调节技术的研究.哈尔滨工业大学、浙江大学、中国农机研究院以及同济大学等单位都对该技术进行了不同形式的研究.1990年哈尔滨工业大学谢卓伟等用单片机组成数字闭环控制系统,并用变结构PID 控制算法来控制二次元件的输出转速[22,23];浙江大学金力民等研究了造成系统低速滞环现象的原因,并采用非线性补偿算法克服低速滞环[24];中国农机研究所阎雨良等进行过二次元件调速特性的实验研究[25];同济大学范基等进行过二次调节系统的节能液压实验系统研制[26];1992年哈尔滨工业大学蒋哓夏首次将自适应控制策略用于二次调节系统[27];1995年哈尔滨工业大学姜继海等人用智能PID 、神经网络和模糊控制等方法分别对二次调节的转速控制和转角控制进行了研究[28～30];1997年哈尔滨工业大学田联房设计、安装了国内第一台应用二次调节原理的转矩伺服加载实验台[31,32],从时域和频域对系统进行了研究,引入了解耦控制,并探讨了对转速和转矩控制系统采用双控制器来消除其间耦合的可行性.3　二次调节静液传动系统的应用由于二次调节静液传动系统具有诸多优点,使它在很多领域得到广泛应用.第一套配备有二次调节闭环控制的产品是建在鹿特丹欧洲联运码头(ECT)的无人驾驶集装箱转运车CT40[33];德国的科那西山特号海上浮油及化学品清污船的液压传动设备配备有二次调节反馈控制系统[34].该系统可以使预选的撇沫泵和传输泵设备的转速保持恒定,并使之不受由于传输介质粘度的变化而引起的外加转矩变化的影响;德累斯顿工业大学通用试验台应用了二次调节反馈控制的四象限运转、能量回收及高反馈控制精度等特点[35].该试验台能满足实际中的严格要求;奔驰汽车公司将二次调节技术应用于行驶模拟试验台以及在无人驾驶运输系统的行驶驱动[36];它还被用于近海起重机的驱动、油田用抽油机和精轧机组的液压系统中[37～41].德国在市区公共汽车上配备二次调节静液传动系统后取得显著的节能效果[42].如图2所示,改造后的市区公共汽车由恒压变量泵2和二次元件4组成的轴向柱塞单元驱动.它在满载启动时能给出大约180kW 的功率,由此可使汽车在20s 内加速到它的最大速度50km /h.而发动机1的功率却只有30kW,其中150kW 的差值是从液压蓄能器3中获得的.液压蓄能器的充压是在制动过程中进行的,在这个过程中二次元件作为泵来工作,而液压蓄能器为下次的加速过程充压.系统的损失由液压泵来补偿.1.发动机2.恒压变量泵3.蓄能器4.二次元件5.汽车后桥图2　二次调节静液传动系统在公共汽车中应用原理图54佳　木　斯　大　学　学　报　(自　然　科　学　版) 2001年综上所述,二次调节静液传动系统可实现能量回收和重新利用,其主要应用在以下几个方面[43]:1)位能回收　如液压驱动的卷扬起重机械.由于卷扬机械中有位能变化,采用二次调节静液传动技术可以回收其位能.它可用于起重机械和矿井提升机械,缆索机械的索道传动,船用甲板机械等;2)惯性能回收　如液压驱动摆动机械和实验装置.应用二次调节静液传动技术可对摆动机械在频繁起动、制动过程中产生的惯性能进行回收和再利用;3)综合节能　如群控作业机械和实验装置.对多台周期性工作设备共用一个动力源,这样既节省费用又节约能源.4　前景展望二次调节静液传动技术由于提供了能量回收和重新利用的可能性,它在许多领域都有应用前景,特别是在能源日益紧张的今天更具有重要的理论研究和应用价值.国外对此项技术的研究日趋成熟并且得到了较为广泛的应用.但在国内仍只限于试验研究阶段,离实际应用尚有差距.为使此项技术早日在我国得到应用,在许多方面仍需进行细致的研究工作,尤其是在以下几方面:1)二次元件本身的改进研究.二次元件作为二次调节系统的关键部件,其性能的优劣对系统整体性能的影响起决定作用.如何在提高元件性能和延长使用寿命的前提下降低成本,是一个有待解决的问题.2)对系统的能量回收与重新利用进行更细致的研究,给出能量回收相关条件,为实际应用奠定基础.目前,哈尔滨工业大学流体传动及控制研究室正对此项技术进行研究,已取得阶段性成果.3)控制方法的研究.进行对系统的位置、转速、扭矩和功率的复合控制研究,更好的改进其控制特性.4)进一步加强与微电子技术和计算机技术的结合,拓宽二次调节系统的应用领域.参考文献:[1]　李运华,史维祥.流体传动技术的现状与发展[J ].机床与液压.1994,(4):187-193.[2]　田科.十年来液压技术应用的发展[J].液压与气动.1988,(1):7-10.[3]　W.H .Dieter.The Fu tu re fo r Hydraulics [J 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