运用功率键合图的液压系统能量回收研究

制造技术/工艺装备现代制造工程（Modern Manufacturing Engineering）2012年第1期

运用功率键合图的液压系统能量回收研究*

田勇，高宏伟，刘波，李玮琪

（河南工业大学机电工程学院，郑州450007）

摘要：介绍了能量回收型液压电梯的工作原理，并以能量回收回路为研究模型，建立回路的功率键合图模型和状态方程，通过仿真证明能量回收回路的可行性。

关键词：能量回收回路；功率键合图；仿真

中图分类号：TH16文献标志码：A文章编号：1671—3133（2012）01—0100—05

Based on power bond graph’s hydraulic system of energy recovery research

Tian Yong，Gao Hongwei，Liu Bo，Li Weiqi

（School of Mechanical Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou450007，China）Abstract：Describes the energy recovery hydraulic elevator’s principle，work and study on energy recovery circuit for model，es-tablished this circuit of the power bond graph model and the equations of state，the feasibility of energy recovery circuit is proved by simulation．

Key words：the energy recovery circuit；power bond graphs；simulation

0引言

在能源日益紧缺的今天，高效节能和环保的产品日益受到人们的青睐，而液压电梯作为生活中必不可少的垂直交通运输工具，降低其装机功率和能耗势在必行。目前液压电梯的节能方法主要有：增加机械配重、增加蓄能器和变频调速控制等［1-2］。

本文是以液压系统能量回收的方法来探讨液压电梯的节能减排。电梯液压系统除了要求能完成基本的动作外，还要求结构简单、效率高、工作可靠和节省能源等，据此设计的液压系统如图1所示。

功率键合图法是描述系统功率的传输、转化、储存和消耗的图形表示［3］。该方法于20世纪50年代末由Paynter提出，之后由Kainopp和Rosenberg等完善，使其成为控制技术的一个重要组成部分［4］。与其他建模方法相比，键合图法具有其独特之处，即可以处理复杂的系统，模型结构简明，包含信息量大；它对功率流描述上的模块化结构与系统本身各部分物理结构及各种动态影响因素之间具有明确而形象的一一对应关系，便于理解其物理意义；其动力学方程的建立方法具有规则化的特点，便于推导出相应的数学模型。因此该方法已广泛应用于许多工程领域，如机械、液压、电气、热力及医学等［5-6］。鉴于键合图法的特点，本文将利用其建立系统的数学模型，以便于后继的仿真和分析。

1系统设计与分析

图1所示为能量回收型电梯液压系统，其工作原理为：电磁铁5YA通电，泵3的压力油经单向阀4、三位三通电磁换向阀17左位、截止阀13到达蓄能器12进行储能，当系统第一次运行时需首先向蓄能器供油。电梯上行时，电磁铁1YA、3YA同时得电，泵3的压力油经单向阀4、二位二通电磁换向阀6左位，同时，蓄能器12的压力油经截止阀13、蓄能回路液控单向阀15、二位三通电磁换向阀16上位、单向阀26，此时泵3的压力油和蓄能器12的压力油汇合，经过主回路液控单向阀7，进入液压柱塞缸10，顶着轿厢上升。当轿厢到达平层需停止时，1YA、3YA失电，6YA得电，主泵3卸荷，电梯停止，主回路液控单向阀7保压，其中溢流阀5作为安全阀调定系统压力，调速阀8调节轿厢上升速度。电梯下行时，电磁铁2YA、4YA、6YA、7YA同时得电，离合器20吸合，泵3的压力油经

*河南工业大学引进人才专项项目（150256）；河南工业大学2010年研究生科技创新基金项目（10YJS053）

田勇，等：运用功率键合图的液压系统能量回收研究2012年第1

期

图1能量回收型电梯液压系统

1、25．过滤器

2、19．电动机

3、21．液压泵

4、18、24、26．单向阀5．溢流阀6、23．二位二通电磁换向阀7．主回路液控单向阀8．调速阀9、14．压力传感器10．液压柱塞缸11．轿厢

12．蓄能器13．截止阀15．蓄能回路液控单向阀16．二位三通电磁换向阀17．三位三通电磁换向阀

20．离合器22．液压马达

单向阀4，三位三通电磁换向阀17右位回油箱，由于轿厢的自重使得液压柱塞缸里的压力油经主回路液控单向阀7、二位二通电磁换向阀23左位、液压马达22、泵21、单向阀18、二位三通电磁换向阀16下位、蓄

能回路液控单向阀15、

截止阀13，到达蓄能器12，进行储能。其中调速阀8控制电梯下降速度，当轿厢到

达平层需要停止时，

电磁铁2YA 、4YA 、7YA 失电，离合器20断开，电梯停止下降，由主回路液控单向阀7进

行保压。

该系统的能量回收原理为：在电梯下行的过程中，将负载和轿厢的势能转换成液压能，并通过马达、液压泵和电动机三者同轴的一种结构将压力能储存在蓄能器中；在电梯上行过程中，将蓄能器中的压力能释放出来，补充给液压泵，使电梯再次上行的过程中电动机消耗的功率减少，从而达到节能的目的。

由于该系统的核心部分是马达、液压泵、电动机

三者同轴的能量回收回路，

因此本文将对该回路建立功率键合图，列写系统的状态方程，进行仿真和

分析。

图2所示为能量回收回路，在轿厢（外负载）12和

柱塞缸1自重的作用下，

柱塞向下运动，通过调速阀2调节速度，液压油通过液压马达3和液压泵5进入蓄能器9，进行储能，其中，液压马达3、液压泵5和电动机7同轴。能量回收时可分为两种情况：第一，当柱塞缸中的压力大于蓄能器中的压力时，离合器6处于断

开状态，

外负载可视为恒压源向回路提供动力压力油经过液压马达3、液压泵5和单向阀8进入蓄能器9

进行储能；第二，当柱塞缸中的压力小于蓄能器中的压力时，离合器6处于吸合状态，电动机7和外负载同时为回路提供动力

。

图2能量回收回路

1．柱塞缸2．调速阀3．液压马达4、8．单向阀5．液压泵6．离合器7．电动机9．蓄能器10、11．油箱12．轿厢

2

能量回收回路的数学模型

2．1

能量回收回路的功率键合图

图3、图4所示分别为外负载单独作为回路动力

源及外负载和电动机共同作为回路动力源的功率键合图。构成功率键合图的基本元件称为键合图元（如图3和图4中I g 、C g 、R 1等），键合图元间的连线代表功

率的流动称为键。键合图中每一根键均有两个变量，即势变量和流变量，势变量（如图3和图4所示的F 1和p 1等）写在键的上方或左方，流变量（如图3和图4所示的x'和q 1等）写在键的下方或右方。键上的半箭头方向代表功率流的参考方向，当键上的势变量与流变量的乘积为正值时，半箭头的指向就是该键上功

率流的实际方向；为负值时，方向相反［5-6］

。用画在键的一端并且与键垂直的短划线来表示键合图元的

因果关系，该短划线称为因果划，如图3中因果划画在靠近键合图元I g 的一端，其含义为：对于键合图元I g ，势是产生流的原因，流是势作用的结果，对于图3