液压再生

关键词: 液压

液压再生(精选三篇)

液压再生 篇1

1.1 残留污染物

主要指液压元件以及管道、油箱在制造、储存、运输、安装、维修过程中, 带入的砂粒、铁屑、磨料、焊渣、锈片、油垢、棉纱和灰尘等, 虽然经过清洗, 但未清洗干净而残留下来的残留物所造成的液压油污染。

1.2 生成污染物

(1) 液压油氧化变质析出物。

液压系统工作时, 因压力损失而消耗的能量, 使系统油温升高。当液压油处于高温时, 一方面油中的高压空气与油分子直接接触, 空气中的氧分子引起油液氧化, 生成有机酸, 对金属表面起腐蚀作用;另一方面, 油液氧化析出粘滞物和浸漆物。

(2) 液压油中混入水分和空气。

多数液压油中含有微量 (小于0.1%) 的水分, 过多的含水量会使液压油乳浊化, 使其润滑性能下降, 对液压油的氧化起触煤作用, 加剧污垢集积。同时, 混入液压油中的空气还会增加油液的氧化作用, 并引起液压系统的振动、爬行和气蚀。

(3) 元件磨损、损坏生成污染物。

液压元件工作时, 运动件之间的金属与金属、金属与密封材料的磨损颗粒以及液流冲刷下的软管胶料、过滤材料脱落的颗粒和纤维、剥落的油漆皮等。它们会腐蚀机件, 并使元件表面的污物分散到油液中去而难以清除, 还降低过滤网附着污物的能力, 常常使节流小孔堵塞。使液压元件失效造成事故故障。

1.3 侵入污染物

主要指周围环境中的污染物, 例如空气、尘埃、水滴等通过一切可能的侵入点, 如外露的往复运动活塞杆、油箱的通气孔和注油孔等侵入系统所造成的液压油液污染;还如维修过程中不注意清洁, 将环境周围的污染物带入, 以粗代细, 甚至不用过滤器, 过滤器常年不清洗、滤网不经常清洗、换油或补油时不注意油的过滤、脏的油桶未经过严格的清洗就拿来用, 从而把污染物带入。

1.4 生物污染物

微生物也可能像其它微小颗粒一样侵入液压介质, 如果不加以阻止, 微生物将繁殖生长并表现为粘质物, 污染介质。一般加杀菌剂或去除微生物繁殖的条件——水或营养物, 以阻止生物污染的增长。

1.5 逃脱污染物

逃脱污染物来自过滤器附近的潜在的液流通道 (如不密封的溢流阀或旁通及滤材的裂口等) , 以及使被截留颗粒上的拖曳力大于过滤器纤维表面的吸附力的流量脉动。

1.6 液压油中混入的其它油品

不同品种、不同牌号的液压油其化学成分是不相同的, 当液压油中混入其它油品后, 就改变了其化学组成, 从而使用其性质也发生变化。

2 控制液压介质污染的方法和措施

由于液压油液被污染的原因比较复杂, 液压传动系统在工作过程中液压油液又在不断地产生污染物, 因此, 要彻底地防止污染是很困难的。为了延长液压元件的使用寿命, 保证液压传动系统的正常工作, 应将液压油液的污染程度控制在一定的范围内。通常情况下, 采取如下措施来控制污染:

2.1 消除残留物污染

液压系统组装前后, 必须对零件进行严格的清洗。

2.2 避免生成污染物污染

(1) 防止油温过高, 液压油温度要控制在一定范围内, 一般液压油使用温度为50℃—70℃, 最高不超过80℃;在设计中, 可采用扩大油箱容量和通风自然冷却来缓解油温的升高;对于发热量大而结构又不允许有较大的油箱容量的情况下, 可采用冷却器进行强制冷却。

(2) 控制水分与空气进入液压油。

2.3 减少外来的污染

为了减少液压系统的污染源, 改善设备的运转环境, 加强粉尘治理, 减少工作现场的粉尘。油箱通大气处要加空气滤清器, 向油箱加油应通过过滤器, 维修拆卸元件应在无尘区进行。

2.4 滤除系统产生的杂质

为了控制油液的污染度, 要根据系统和元件的不同要求, 分别在吸油口、压力管路、伺服阀的进油口等处, 按照要求的过滤精度设置滤油器, 以控制油液中的颗粒污染物, 使液压系统性能可靠、工作稳定。滤油器过滤精度一般按系统中对过滤精度敏感性最大的元件来选择。在需要时, 还可以增设外循环过滤系统, 从而使系统的污染物控制等级得到提高;应定期检查过滤器的滤网有无破裂, 若有破裂要及时更换, 对变质油和清洁度超标油禁止使用, 油箱内壁一般不要涂刷油漆, 以免油中产生沉淀物质, 为防止空气进入系统, 回油管口应在油箱液面以下, 液压泵和吸油管应严格密封。应根据需要, 在系统的有关部位设置适当精度的过滤器, 并且要定期检查、清洗或更换滤芯。

2.5 加强液压系统的维护保养和管理

(1) 选择合适的液压油。

要根据液压系统的特点和使用环境, 选择合适的液压油, 首先要求具备合适的粘度、合适的固体颗粒污染等级, 其次, 要考虑液压油的抗氧化性、抗乳化性及是否有耐磨添加剂等, 此外, 还需考虑液压工作介质与元件金属材料及其密封材料的相容性。

(2) 加强油品管理。

为保证出库油品的质量, 必须定期对库存油料进行取样化验。新油入库时应化验, 不合格的油品不准入库;油应妥善保管;油液转筒或注入时应过滤;并注意油筒、注油口、漏斗口等容器的清洁。

(3) 定期清除滤网、滤芯、油箱、油管及元件内部的污垢。

在拆装元件、油管时也要注意清洁, 对所有油口都要加堵头或塑料布密封, 防止脏物侵入系统。

(4) 通过检查和更换液压油。

油液的使用寿命或更换周期取决于很多因素, 其中包括设备的环境条件与维修保养、液压系统油液的过滤精度和允许污染等级等因素。由于油液使用时间过长, 油、水、灰尘、金属磨损物等会使油液变成含有多种污染物的混合液, 若不及时更换, 将会影响系统正常工作, 并导致事故。

3 废旧液压油的再利用

与所有产品一样, 液压油也有它的使用寿命, 超过使用寿命的液压油, 不得再进行正常使用, 必须进行有效处理。有关数据显示, 全世界每年消费大量的液压油, 仅2007年全球液压油消耗量就超过5000万吨, 如此大量的废旧油品不进行有效处理, 其对环境破坏之大, 可想而知。有消耗就必然有生产, 全球每年均有与消耗数量相应的液压油产生。众所周知, 石油资源并非用之不竭, 对废旧液压油进行再生利用, 不仅保护了环境, 而且节约了资源。

目前我国对废旧油品的回收再利用已开始重视, 大中型厂矿一般都有配套的废旧油品回收设施, 废旧液压油的回收率在80%左右。就现有废旧油品处理技术, 变质的液压油再生利用率一般可达70%左右, 每年将可减少55%以上的新油生产。我国2007年液压油年产量在350万吨以上 (约占石油产品总量的2%) , 其中有近180万吨为再生油品。但是, 仍有上百万吨的废旧油品未得到有效处理, 被随意排放, 造成大量的环境污染。

随着社会的进步, 新型电液比例控制技术和液压伺服控制技术广泛应用在各种型式的机械设备上, 给油液的污染控制提出了更高的要求。液压油的质量直接影响设备的可靠性和寿命, 所以液压油的污染控制不容忽视。而未来大量的液压设备的广泛使用, 液压油品的需求量将会更大, 而相对石油资源则越来越少。因此需要我们更加重视液压油的合理使用, 并不断提高液压油品的再生利用率, 更大程度减少新油生产, 从而节约大量石油资源, 减少对环境的污染。

摘要:介绍了液压油污染的原因及控制液压油污染的方法和措施, 以及废旧液压油的再利用。

关键词:液压油,污染,再生利用

参考文献

[1]金梅玉.浅谈液压传动的应用及其发展[J].内蒙古电大学刊, 2002, (4) .

[2]刘涛, 严莹.液压油污染在线监测研究[J].硅谷, 2008, (11) .

[3]姜美贞, 徐晓峰.浅谈液压油的污染与控制[J].机床和液压, 1999, (9) .

[4]凌勇坚.废液压油, 润滑油再生利用工艺与效益[J].中国资源综合利用, 2003, (6) .

液压再生 篇2

液压挖掘机工作装置质量大、惯性大,为防止

动臂液压缸有杆腔因动臂下降过快而产生吸空,一般通过主阀节流来调速,但工作装置大量的势能绝大部分在主阀节流口转化为热能,造成了能量浪费和系统温度上升,并对液压元器件形成一定程度的破坏,因此研究动臂下降的势能回收问题对于延长挖掘机的寿命、提高挖掘机能量的利用率具有重要意义[1]。

目前国内外关于挖掘机工作装置势能的回收与再利用已经有了一定的研究。瑞典Innas公司将液压变压器应用于挖掘机液压系统中,回收回油的液压能[2,3];Lars[4]推出称为“Eco-Mate”的新节能动臂节能系统并应用于卡特345D型挖掘机上。在国内,张彦廷等[5]采用液压马达配合油电混合动力驱动系统对挖掘机各执行元件进行能量回收,林潇等[6]则对挖掘机动臂单独进行混合动力能量回收。

此外,动臂采用流量再生技术可提高作业速度和降低系统能耗,如日立公司的Zaxis-03型挖掘机、美国凯斯的挖掘机等均采用了该技术。

针对上述分析,基于液压变压器与蓄能器组成的压力-能量转换装置的应用研究[7,8,9,10],本文提出一种实现动臂势能再生和流量再生的新型动臂节能系统。

1 结构原理

挖掘机动臂下降时大量的势能转化为热能消耗在多路阀阀口上,原理如图1所示。为了充分利用这部分势能,根据传统液压变压器的原理和特点[11],提出一种新型液压动臂节能系统方案,如图2所示,其工作原理如下。

1.动臂液压缸 2.动臂阀 3.变量泵 4.原动机

1~6.换向阀 7.节流阀 8.定量泵/马达 9.变量泵/马达 10、11.压力传感器 12.动臂液压缸 13.光电编码器 14.单向阀 15.主泵 16.液压蓄能器 17.发动机

1.1 动臂下降——势能回收与流量再生

动臂下降时,通过控制系统,使换向阀1~3打开,而4~6关闭。无杆腔油液通过换向阀2驱动定量马达8,马达8输出扭矩带动变量泵9,马达8和变量泵9形成液压变压器将油箱中的油液增压为蓄能器充液,实现势能和动能的回收;同时,马达8排出的油经节流阀7回油箱,提高了回油压力,使得油液优先供给有杆腔,可防止动臂因重力作用下迅速下降而使有杆腔产生吸空,实现有杆腔中的油液来自于无杆腔,即动臂流量再生。

1.2 动臂上升——回收能量的再利用

动臂上升时,通过控制系统,使换向阀1~3打开,存储于蓄能器的高压油驱动变量马达9,马达9输出扭矩带动定量泵8转动,马达9和定量泵8形成液压变压器将动臂上腔油液和油箱中油液增压送至动臂下腔,驱动动臂上升;当蓄能器的压力不足以驱动液压变压器向动臂下腔供液时,控制系统将切换到主泵供油。

上述动臂上升与下降的控制策略如下:控制系统将光电编码器13反馈的液压变压器实际转速与理想转速曲线进行比较,并根据压力传感器10、11的压力信号动态调节马达8、变量泵9之间的扭矩差值,调节液压变压器的转速,从而改变负载的运行速度。

1.3 动臂支撑车体工况

系统还考虑了一种特别的工况[12],即动臂下降时,需将铲斗支持在地上,利用动臂下降将车体抬起。此时通过控制系统,将阀2、阀4打开,而阀1、阀3、阀5和阀6关闭,并调节变量泵9排量至仅维持对泄漏的补充。

2 模型

以某公司7t级的液压挖掘机为研究对象,分别建立工作装置执行机构模型和液压系统模型,并在MATLAB Simulink环境中进行仿真。

2.1 工作装置

为了模拟动臂油缸的实际负载,在SimMechanics中建立工作装置的机械结构模型,模型中包括动臂、斗杆、铲斗、连杆以及摇杆。

(1)模型的建立。

通过MATLAB中的SimMechanics对工作装置进行建模,得到图3所示的仿真模型。

(2)模型的参数设置。

模型中转台、动臂、斗杆和铲斗的结构尺寸,各部件重心坐标位置和转动惯量以及质量分别按照上述的7t级液压挖掘机的实际资料设定。其中动臂结构件重450kg,各液压缸的参数如表1所示。

2.2 液压系统模型

该系统运行过程分为动臂上升过程和动臂下降过程,动臂下降时,通过液压变压器实现能量回收和节流阀实现动臂流量再生;上升时,通过液压变压器以最优化的方式再利用回收于蓄能器中的液压能。

2.2.1 液压缸

动臂液压缸为典型的双作用液压活塞执行器,两端的流体连续性方程为

VL1+(S-x)A1βp˙1=Q1-ci(p1-p2)-(VL1-x˙A1)(1)

VL2+xA2βp˙2=Q2+ci(p1-p2)-(VL2+x˙A2)(2)

式中,ci为内泄漏系数,m3/(Pa·s);S为活塞的行程,m;A1、A2为液压缸两端腔室有效截面积,m2;VL1、VL2为液压缸两端管道和其他配合处的流体体积,m3;Q1、Q2为液压缸进口、出口流量,m3/s;p1、p2为液压缸进出口压力,Pa;β为流体体积模数,Pa;x为活塞位移,m。

液压缸的负载FL是液压力和黏性摩擦力的合力:

FL=(p1A1-p2A2)ηm-mx¨-bx˙(3)

式中,ηm为液压缸的机械效率;b为黏性摩擦系数,N·s/m。

动臂负载向系统回馈的能量为

Eboom=t1t2FLx˙dt(4)

式中,t1、t2为动臂运行下降始末时间。

2.2.2 液压变压器——变量泵和马达

动臂下降时,系统流量分配如图4所示,马达8带动变量泵9转动,形成可调式液压变压器为存储能量的蓄能器充液,其流体连续性方程如下:

Qm1=Vmφ˙+cemp1+cim(p1-p2)(5)

Qm2=Vmφ˙-cemp2+cim(p1-p2)(6)

Qp1=Vpφ˙+ceppΤ+cip(pa-pΤ)(7)

Qp2=Vpφ˙-ceppa-cip(pa-pΤ)(8)

Qm2=Q2+QT (9)

Vp=xpVpmaxxp,max(10)

式中,Vm、Vp、Vp,max分别为定量马达排量、变量泵的实际排量和最大公称排量,m3/rad;Qm1、Qm2、Qp1、Qp2分别为马达进出口流量和变量泵进出口流量,m3/s;pa、pT分别为蓄能器压力和油箱压力,Pa;xp、xp,max分别为变量泵控制油缸的实际位移和最大位移,m;cim、cem、cip、cep分别为马达的内外泄漏系数和变量泵的内外泄漏系数;φ为马达转轴角度位置,rad。

液压变压器力矩平衡方程为

Vm(pm1-pm2)-Vp(pp2-pp1)=Jφ¨+rφ˙+Τf(11)

式中,pm1、pm2、 pp1、pp2分别为马达进出口压力和泵进出口压力,Pa;J为液压变压器的转动总惯量,kg·m2;r为液压变压器的当量转动阻尼,N·m·s/rad;Tf为液压变压器内部转动的库仑摩擦力矩,N·m。

根据牛顿第二定律,可得液压变压器和各连接短管中油液的受力平衡方程如下:

(pp2-pa)Apa=mpa(Q˙p2/Apa)=mpaVpφ¨/Apa(12)

(pΤ-pp1)AΤp=mΤp(Q˙p1/AΤp)=mΤpVpφ¨/AΤp

(13)

(p1-pm1)Acm=mcm(Q˙m1/Acm)=mcmVmφ¨/Acm(14)

(pm2-pj)Amj=mmj(Q˙m2/Amj)=mmjVmφ¨/Amj(15)

(pj-p2)Ajc=mjc(Q˙2/Ajc)=mjcVmφ¨A2/(AjcA1)(16)

式中,m为活塞质量,kg;mpa、mTp、mcm、mmj、mjc分别为各段连接短管中油液质量,kg;Apa、Atp、Acm、Amj、Ajc为各段连接短管截面面积,m2。

又短管中油液质量、截面积、长度、油液密度ρ具有如下关系:

mA2=ρLAA2=ρLA(17)

联合式(11)~式(17),可解得

Vm(p1-p2)-Vp(pa-pΤ)=Jtotalφ¨+rφ˙+Τf(18)

Jtotal=J+ρVm2(lcmAcm+lmjAmj+ljcAjcA2A1)+ρVp2(lΤpAΤp+lpaApa)(19)

式中,Jtotal为油液和液压变压器的当量转动惯量,kg·m2;lcm、lmj、ljc、lTp、lpa为各段连接短管长度,m。

2.2.3 皮囊式液压蓄能器

液压蓄能器气囊内气体的热力学方程为

pa0Va0n=paVna (20)

式中,Va0、pa0分别为液压蓄能器初始充气状态下的容积(m3)和压力(Pa);Va、pa分别为液压蓄能器工作状态下的容积(m3)和压力(Pa);n为气体指数。

将式(20)在工作点附近进行泰勒级数展开,并省略高次项可得

dpadt=-npa0Va0dVadt(21)

液压蓄能器的流体连续性方程为

Qp2=dVadt(22)

蓄能器贮存的能量为

Ea=-V1V2padV=-V1V2pa0(Va0V)1.4dV=pa0Va00.4[(pa2pa0)0.286-(pa1pa0)0.286](23)

式中,pa1、pa2分别为初始工作压力和最终工作压力,Pa;V1、V2分别为上述两种状态的气体体积,m3。

3 仿真结果分析

将工作装置机构模型与液压系统模型相结合,对某7t级液压挖掘机的下降阶段进行仿真分析。系统主要参数选择为:液压变压器中的定量马达排量为80mL/r,变量泵最大公称排量为100mL/r,蓄能器充气压力和容积分别为9MPa和5L。

为了得到更合理的模拟负载,并能反映挖掘机的工作特点,选择目前国际上通用的一种典型工作循环:下降-挖掘-提升-旋转90°-放铲-旋转回位[13]。该液压挖掘机的典型工作循环为20s,动臂、斗杆和铲斗液压缸活塞的位移曲线如图5所示,其中下降阶段动臂、斗杆和铲斗做复合动作。

(b)动臂速度曲线

3.1 动臂运行过程分析

根据仿真所得到的各液压缸活塞的位移和动臂速度曲线(图5),以及液压变压器的转速和变量泵的排量曲线(图6)来对动臂升降过程进行分析:

(b)变量泵排量

(1)动臂下降阶段分为加速、稳定和减速三部分:

①初始时,2.15~2.7s,工作装置的势能转化为动能使工作装置加速下降,同时驱动液压变压器加速转动;②2.7~4.4s,液压缸活塞速度在0.185m/s处轻微振荡,液压变压器转速约为1450r/min,通过控制系统实时调节变量泵排量为蓄能器充液,将势能转化为液压能回收,同时使工作装置的下降速度较稳定;③制动时(4.4~4.9s),实时调节变量泵排量,将动能和势能转化为液压能回收存储至蓄能器中,实现动臂快速制动。

(2)动臂上升阶段按动力源的不同划分为两部分:

①7.5~9.25s,蓄能器作为动力源驱动液压变压器快速加速至1330r/min,通过控制系统实时调节液压变压器中的变量泵排量使动臂上升,速度在0.165m/s处轻微振荡;②主泵供油,在9.25s时,速度出现波动,原因是蓄能器压力降至无法使动臂上升,此时通过控制系统切换到主泵供油,继续驱动动臂上升。

在此有必要对图5中的一些现象进行说明:①铲斗与斗杆做复合动作引起动臂速度出现振荡,如在0.29s;而在4.9s时出现的振荡则是源于动臂的制动。②动臂下降时的加速过程比上升时长,这是由于下降时动臂的势能转化为液压能再驱动液压变压器转动,连续上升的下腔出口流量使得压力无法稳定,导致加速时间较长;而上升时蓄能器供油,可保证油液的压力和流量的稳定。

蓄能器的压力和油液体积曲线如图7所示,图中,2.15~2.7s即动臂加速下降阶段回收的能量为0;2.7~4.9s,动臂下放完成后,蓄能器压力从初始时的10MPa上升到21.4MPa,充液1.93L,实现了势能的回收。而7.5~9.25s,蓄能器放液驱动液压变压器使动臂上升,形成回收能量的再利用。

(b)油液体积

根据上述分析可知系统运行状况良好,适用挖掘机的工作特点。

3.2 节能分析

3.2.1 流量再生分析

如图8所示,原系统动臂下降0.425m时,对应时间段为2.15~4.9s,需主泵供油3.0L。而新系统下降时所需流量来自于下腔(即流量再生),无需主泵供油。

3.2.2 能量回收和再利用分析

根据式(4)、式(22),可得动臂势能及其回收与再利用的能量曲线,如图9所示。其中,图9a为下降阶段势能的回收:通过能量回收系统将77.24%的前端工作装置势能(36.435kJ)转化为液压能(28.142kJ)存储至蓄能器。图9b为上升阶段再利用已回收的液压能:将回收于蓄能器中的液压能(28.142kJ)通过液压变压器驱动动臂上升,对动臂做功19.861kJ,已回收能量的再利用率为70.58%。

将下降阶段能量的回收与上升阶段回收能量的再利用相结合,可知在一个典型挖掘过程中动臂势能的再利用率为54.51%。

(a)下降阶段 (b)上升阶段

一台普通7t级挖掘机进行一个工作日(16h)的挖掘,可以回收81 049kJ的能量,相当于6.08kg柴油。回收的能量最终以蓄能器中的液压能的形式存在,可以方便地用于提升动臂,减少动臂上升时的主泵供油,实现回收能量的再利用。

3.2.3 系统能耗分析

主泵供油分析如表2所示,由图8和表2可知,原系统一个工作循环中动臂液压缸共需主泵供油7.4L,而采用节能系统后,所需供油量仅为原来油量的21.35%,显著地降低了动臂对能量的需求,提高了动臂的能量利用率。

3.3 比较分析

(1)原系统动臂下降时,进入液压缸有杆腔的油为主泵供油,而新系统则源自再生流量即无需主泵供油,这样可将主泵输出的压力油集中提供给斗杆,大幅度地提高了斗杆/动臂下降复合操作时斗杆动作的速度。

(2)未进行能量回收前,工作装置大量的势能被白白浪费转化成热能;而改进后,前端工作装置的势能高效率地转化为液压能存储至蓄能器,降低了系统发热。

(3)原系统动臂上升时,进入动臂液压缸下腔的油液全部由主泵提供;而新系统则先由储能元件蓄能器驱动液压变压器使动臂上升,当蓄能器的压力不足以驱动液压变压器向动臂下腔供油时,控制系统才切换到主泵供油。形成回收能量的二次利用,减少动臂对主泵流量的需求,进一步提高了作业量,降低了燃油消耗量。

总之,与原系统相比,新系统不仅提高了动臂能量利用率,改善了挖掘机的燃油经济性,而且可缩短作业循环时间,提高作业效率。

4 结论

(1)通过马达带动变量泵转动形成可调式液压变压器与进行能量回收的蓄能器串联使用,以最优化的方式向蓄能器充液,将77.24%的前端工作装置势能转化为液压能存储至蓄能器;回收于蓄能器的液压能,同样以最优化的方式驱动动臂上升,将70.58%的液压能转化为势能。在一个典型挖掘循环中,动臂势能的再利用率为54.51%。

(2)通过流量再生,动臂下降阶段可节省主泵供油3L(7t级挖掘机动臂下降0.425m),进一步提升了液压挖掘机的节能效果。

(3)同时实现能量回收与流量再生的新型动臂节能系统,所需流量仅为原系统的21.35%,具有显著的节能效果,且运行状况良好,是降低挖掘机动臂能耗的有效途径。

液压再生 篇3

由于环境污染、能源匮乏等问题日益严重,混合动力技术正受到越来越广泛的关注。液压混合动力汽车(HHV)作为混合动力技术的一个重要分支,逐渐引起了各国政府、研究机构及汽车制造商的高度重视[1]。相对于电动混合动力技术,液压混合动力技术具有功率密度大[2,3]、充放能量速度快、能量回收效率高等特点,因此在工程机械的行走装置和军用车辆的驱动系统中显示出较强的可应用性[4]。

再生制动对液压混合动力系统的燃油经济性、排放性和行驶安全性有着直接的影响,目前针对电动混合动力再生制动的研究较多[5,6],但针对液压混合动力的研究还显不足且相关的文献较少。本文以前驱并联式液压混合动力车辆为研究对象,根据车辆的行驶工况、路面附着条件以及制动力的要求等因素,提出了一种基于安全制动的再生制动控制策略,运用后向仿真方法建立整车仿真模型和再生制动系统模型,在典型行驶工况下进行再生制动仿真研究,得出了整车制动能的回收情况,验证了该控制策略的正确性和有效性,为液压混合动力系统的开发与应用奠定了理论基础。

1 制动力分配原则及策略

1.1 并联式液压混合动力汽车原理

并联式液压混合动力汽车(PHHV)主要由发动机、变速箱、主减速器、液压蓄能器、扭矩耦合器和液压泵/马达组成(图1)。

液压泵/马达和液压蓄能器组成能量再生系统,从而形成双动力驱动。在车辆制动和下坡时,液压泵/马达工作于泵工况,回收车辆的制动能和位能,并将其存储于高压蓄能器中;在车辆起动和加速时,液压泵/马达工作于马达工况,利用回收的能量为车辆提供辅助功率,实现余能的再次利用[7]。制动过程中,汽车的前轴轴荷增大而后轴轴荷减小,因此采用前驱方式的液压混合动力车辆具有更大的制动能回收潜力[8]。

液压混合动力车辆的制动转矩分为两部分:液压泵/马达提供的液压再生制动转矩和传统制动器提供的摩擦制动转矩。与电动汽车再生制动不同,液压再生制动功率密度大,能量回收率高,但是其能量密度相对较小,不能长时间提供制动转矩,在这种情况下,传统的机械制动系统必须施加足够的制动转矩以满足驾驶员的制动需求。因此,液压混合动力汽车的制动控制策略需要在考虑制动安全性、液压蓄能器工作压力、泵/马达工作效率等条件的前提下对两种制动转矩进行合理分配,同时,控制策略还应符合驾驶员的制动习惯,并满足对制动舒适性的要求。

1.2 实际制动力分配原则

液压混合动力车辆的前后轮制动力[9]分别为

Ff1=φ(Gb+mdudthg)/L(1)

Ff2=φ(Ga-mdudthg)/L(2)

式中,Ff1为前轮制动力;Ff2为后轮制动力;φ为地面附着系数;G为汽车重力;m为汽车质量;a为汽车质心至前轴中心线距离;b为汽车质心至后轴中心线距离;L为汽车轴距;hg为汽车质心高度;u为车速。

液压混合动力车辆再生制动力分配曲线如图2所示,前后轴制动力的分配如图3所示。图2中,坐标轴上的0.2,0.2,…,0.8代表不同路面附着系数下的f线组和r线组,与图2中的虚折线对应;I线为理想制动力分配曲线;β线为普通车辆摩擦制动力分配曲线。图3中,Mf为前轴载荷,Rf为制动中负载前移导致前轴制动力增大的系数,Ff为总制动力,Z为制动强度,τB为前后轴最终制动力分配系数。液压混合动力车辆的载荷对再生制动策略的制定有着直接的影响。在满载和空载情况下,液压混合动力车辆的重量相差很大,因此液压再生制动力的分配也大不相同。不同载荷下,液压再生制动力的分配原则如下:

(1)当车辆满载且制动强度z≤0.06,或车辆半满载且z≤0.08,或车辆空载且z≤0.1时,液压再生制动能满足整车制动强度需要,提供全部制动力。由于绝大多数路面附着系数大于0.1,因此采用液压再生制动可保证制动安全性。

(2)当车辆满载且0.06≤z≤0.5,或车辆半满载且0.08≤z≤0.5,或车辆空载且0.1≤z≤0.7时,采用液压再生制动与摩擦制动的复合制动方式,前后轴的制动力按照前后轴制动力曲线进行分配。此时前轴的制动力性质视蓄能器的压力而定,若再生制动不能完全满足整车制动需要,剩余制动力由传统的摩擦制动提供。

(3)当车辆满载且z>0.5,或车辆半满载且z>0.5,或车辆空载且z>0.7时,考虑车辆制动的安全性,再生制动不参与工作,制动力全部由摩擦制动提供。

1.3 再生制动控制策略

要实现再生制动的操作要求,需要一个具有较高智能化的控制模块,图4所示为液压混合动力汽车再生制动的控制策略,图4中,aobj为车辆制动减速度,ωr为后轮转速,ωf为前轮转速,s为滑移率,τ*B为再生制动的比例系数,τmax为最大再生制动转矩系数,即液压泵/马达输出最大制动转矩。

当车辆减速时,一方面液压再生制动模块采集液压蓄能器的压力、车速、变速器挡位等信号,确定液压再生制动力大小,另一方面根据制动踏板位置信号及其他相关信号,确定是否为紧急制动。如果是紧急制动则采用传统的摩擦制动方式,确保制动的安全性;如果不是紧急制动,则根据前后轴制动力分配流程确定前后驱动轴上的制动力。同时考虑车轮的滑移率,如果滑移率小于0.2,则进行液压再生制动,否则进行摩擦制动,确保制动的安全性。比较液压再生制动力与前后轴上请求制动力的大小,如果液压再生制动力大,则通过液压再生制动控制模块修正液压再生制动力,使再生制动力等于驱动轴上的请求制动力,以满足车辆制动稳定性及制动时的附着利用率要求;如果再生制动力等于驱动轴上请求制动力,则无需通过修正;如果再生制动力小于驱动轴上请求制动力,则通过摩擦制动控制模块补足所缺的摩擦制动力。

2 并联式液压混合动力系统后向建模

2.1 整车仿真模型

液压混合动力系统后向仿真模型如图5所示,系统仿真模型以城市循环工况作为输入量来代表路面的功率需求。在各个部件模型间传递的是转矩、转速、加速踏板和制动踏板信号。功率在模型间的传递是双向的,功率沿整车模型、车轮模型、变速器模型、液压泵/马达模型、液压蓄能器模型和发动机模型的传递过程为逆向仿真过程,反之为正向仿真过程。

2.2 发动机模型

发动机模型包括发动机力矩计算、燃油消耗计算以及排放计算等子模块。采用发动机实测数据(发动机输出扭矩、转速、燃油消耗率),利用查表法或数据拟合法来模拟发动机的工作特性。

2.3 液压泵/马达模型

采用理论模型和数值建模相结合的建模方法来建立液压泵/马达的数学模型。采用下式建立液压泵/马达通用模型[10]:

Tm=xΔpD (3)

式中,Tm为液压泵/马达转矩;x为斜盘倾角比例系数;D为液压泵/马达排量;Δp为液压泵/马达进出口压力差,MPa

液压泵/马达工作于泵工况时的容积效率为

ηpV=1-Cs|x|S-ΔpG-Cst|x|σ(4)

S=μωΔp(5)

σ=ωD1/3(2Δpρ)1/2(6)

式中,Cs、Cst分别为层流和紊流泄漏系数;G为液体弹性模量;S、σ均为量纲一因子;μ为液体动力黏度;ω为角速度,rad/s

考虑黏性转矩、摩擦转矩和液力转矩损失,液压泵的机械效率可表示为

ηpm=11+CvS|x|+Cf|x|+Chx2σ2(7)

式中,Cv、Cf、Ch分别为层流阻力、机械阻力和紊流损失系数。

2.4 液压蓄能器模型

液压蓄能器在充放能的过程中存在热量损失,因此对蓄能器建模采用等温、绝热和多变指数建模均不准确。为了更加近似表示的氮气的P-V-T特性,本文采用Benedict-Webb-Rubin方程来为液压蓄能器建模[10]。

气体压力与温度和质量体积的状态方程为

pg=RΤv+(B0RΤ-A0-C0Τ2)1v2+bRΤ-av3+aαv6+[c(1+γv2)e-γ/v2]1v3Τ2(8)

式中,pg为气体绝对压力,Pa;R为理想气体常数,J/(kg·K);T为气体绝对温度,K;v为气体质量体积,m3/kg;cv为气体比定容热容,J/(kg·K);A0、B0、C0、a、b、c、α、γ均为BWR物态方程常数。

对式(8)求导得气体能量方程:

dΤdt=Τ0-Ττ-1cv[RΤv(1+bv2)+1v2(B0RΤ+2C0Τ2)-2C0v3Τ2(1+γv2)e-γ/v2]dvdt(9)

2.5 整车控制器模型

整车控制器模型是混合动力车辆整车控制策略的核心。根据循环工况、驾驶员的要求,决定整车的转矩需求在发动机、液压蓄能器、液压泵/马达和机械摩擦制动系统之间的合理分配。整车控制器包括能量分配策略、液压再生制动策略、前后轴制动力分配策略、再生制动力性质判断策略等子模块。制动力分配子模块根据制动减速度的不同,分配前后轴制动力的比例关系。液压再生制动子模块根据液压蓄能器的压力确定再生制动转矩和摩擦制动转矩的比例关系以及制动状态的切换条件,在确保车辆安全制动的同时,高效地回收车辆的制动动能。

3 仿真和分析

根据上述的再生制动策略,选择DD6112H3型大客车作为改造对象,整车参数如表1所示。

选择NYCC循环工况,在后向型液压混合动力汽车仿真平台环境中进行再生仿真试验研究,并联式液压混合动力车辆再生制动系统的各元件工作状况如图6所示,有效能量变化如图7所示。

(b)传统摩擦制动转矩和液压泵/马达工作状态

1. 总驱动能量 2. 总制动能量 3. 再生制动可回收的能量 4. 实际回收到的能量

由图6可见:在车辆行驶过程中,液压蓄能器的工作压力大幅度变化,证明了对制动能量的有效回收和再利用,液压再生制动系统的使用,明显降低传统制动器的使用次数和强度。

在1015、NYCC、UDDS和HWFET 4种典型的行驶循环工况(图8)下,液压混合动力汽车的制动能量回收率和总能量回收率的变化情况如图9所示。

(b)制动强度z≤0.1的分布率

由图8和图9可知:市区工况存在频繁的起动与加减速,平均车速和制动减速度较低,制动强度z≤0.1的情况甚至占74%以上,再生能量所占的比例较大,因此可以充分利用液压泵/马达实现再生制动;市区工况下,制动强度z≤0.1的情况越多,制动能回收率越高,而在制动强度z≤0.1的情况相近时,平均车速越低,制动能回收率越高,总能量回收率越高;在高速工况下,再生能量所占的比例较小,制动能回收率较低,总能量回收率更低,节能效果不明显。采用本文所提出的再生制动控制策略,液压混合动力车辆在保证整车安全制动的前提下,实现了制动能较大程度的回收,制动能回收率最高可达59.60%。

4 结束语

本文分析了液压混合动力车辆再生制动系统的特征,针对城市行驶工况下的制动特点,在满足整车制动安全性和稳定性的基础上,提出了一种新的再生制动控制策略,采用理论模型和数值建模相结合的建模方法来建立的发动机、液压泵/马达、液压蓄能器等子系统模型,运用后向仿真方法建立了并联式液压混合动力汽车仿真模型和再生制动系统仿真模型。选择典型驱动循环工况进行液压再生制动仿真研究。仿真结果表明,本文提出的再生制动控制策略,在考虑制动安全的前提下实现了车辆制动能量的高效回收,具有较大的应用价值。

参考文献

[1]魏英俊.新型液压驱动混合动力运动型多用途车的研究[J].中国机械工程,2006,17(15):1645-1648.

[2]Ki m YJ,Filipi Z.Si mulation Study of a Series Hy-draulic Hybrid Propulsion Systemfor a Light Truck[J].SAE Paper,2007-01-4151.

[3]Si mon B,Christine E,Edward G,et al.HydraulicHybrid Systems for Commercial Vehicles[J].SAEPaper,2007-01-4150.

[4]Hewko L O,Weber T R.Hydraulic Energy Stor-age Based Hybrid Propulsion System For A Terres-trial Vehicle.Energy Conversion Engineering Con-ference[C]//Proceedings of the 25th IntersocietyVolume 4,IECEC-90.Reno,NV,USA,1990:99-105.

[5]秦大同,邓涛,杨阳,等.基于前向建模的ISG型CVT混合动力系统再生制动仿真研究[J].中国机械工程,2008,19(5):618-624.

[6]Peng D,Yin C L,Zhang J W.Advanced BrakingControl System for Hybrid Electric Vehicle UsingFuzzy Control Logic[J].SAE Paper,2006-01-3583.

[7]Kepner R P.Hydraulic Power Assist?a Demon-stration of Hydraulic Hybrid Vehicle RegenerativeBraking in a Road Vehicle Application[J].SAE Pa-per,2002-01-3128.

[8]孙辉,姜继海,王昕.静液传动混合动力车辆再生制动策略研究[J].东北大学学报,2008,6(29):248-252.

[9]余志生.汽车理论[M].2版.北京:机械工业出版社,1996.

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