液压蓄能器储能型二次调节流量耦联系统研究

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二次调节静液传动技术具有独特的优点,不仅能减少节流和溢流损失,还可以在四个象限内工作,能够回收和重新利用系统的制动动能和重力势能,可以大大提高系统效率。但到目前为止,国内外专家学者对二次调节静液传动技术的研究都是在基于压力耦联的恒压网络或准恒压网络中展开的。虽然二次调节压力耦联系统有许多优点,但系统如果接入排量不能改变的液压执行元件时(如液压缸),则系统必须引入相应的压力转换装置(如液压变压器)来实现系统恒压油源与变压载荷工况之间的协调关系。这类装置的引入使系统结构复杂、效率降低、成本升高,给二次调节静液传动技术的推广应用带来了不利影响。本文设计的新型节能液压系统——液压蓄能器储能型二次调节流量耦联系统是将二次调节技术与传统流量耦联系统相结合,实现了非变量执行元件可直接接入二次调节静液传动系统,把原来系统散失掉转化为热能的位能或动能存储为液压蓄能器中的液压能,并重新利用,为提高液压系统的效率提供了一条非常有效的途径。  在查阅大量国内外相关文献的基础上,综述了国内外二次调节技术的发展概况,阐述了能量再生技术,并对各种储能元件做了比较,概述了国内外液压蓄能器储能技术在二次调节系统中的应用情况。  分析液压蓄能器储能型二次调节流量耦联系统组成和工作原理,并比较了二次调节流量耦联系统与二次调节压力耦联系统的异同。对液压蓄能器储能的主要参数(液压蓄能器的容积、充气压力、最低工作压力和最高工作压力等)进行了分析,为系统的合理设计提供了有效的方法。  分别建立了负载上升和下降时的系统数学模型,并对系统特性进行分析。通过理论分析可知液压缸速度的大小与负载和液压蓄能器子系统无关,主要取决于负载驱动子系统中的液压泵/马达排量的大小。  通过对系统的能量损耗分析,得出影响系统效率的主要因素,并对系统的功率匹配进行了分析。针对液压蓄能器储能型二次调节流量耦联系统,提出系统存在的三个匹配关系:一是与液压缸相连的液压泵/马达排量与负载速度的匹配;二是与液压蓄能器相连的液压泵/马达排量与液压蓄能器最高工作压力、最低工作压力和初始充气压力的匹配;三是负载运行所需功率与电动机功率及液压蓄能器储存或释放功率的匹配。本文提出在系统工作过程中以能量消耗最少为目标的能量最优功率匹配和以电动机整体运行工况性能最好为目标的电动机性能最优功率匹配的控制策略,为系统的设计提供依据。  分析了液压蓄能器储能型二次调节流量耦联系统的节能潜力及该系统能够进行能量回收的工作机理。对影响液压蓄能器储能型二次调节流量耦联系统能量回收效率的参数进行分析,基于标准遗传算法,以能量损耗最小和电动机性能最优为目标函数,分别优化系统中液压蓄能器的主要参数,并进行仿真研究。  研制了应用液压蓄能器储能型二次调节流量耦联系统的液压抽油机原理样机,采用最大排量不同的液压泵/马达分别与负载和液压蓄能器组成回路,实现了重力势能的回收与重新利用,减小了系统的装机功率。  利用搭建的液压蓄能器储能型二次调节静液传动试验平台,对本文相关的研究内容进行试验研究,并对试验结果进行分析。试验结果表明,液压蓄能器储能型二次调节流量耦联系统具有良好的输出控制特性,通过系统参数的合理选择能实现目标最优的功率匹配。
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