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矿用泵马达节能型试验系统及动态加载特性

更新时间:2009-03-28

液压系统具有功率密度大、动态响应快的优势,在采煤机、掘进机、液压钻机、液压绞车和提升机等矿山采掘运机械设备中得到了广泛应用。液压泵和液压马达作为液压系统的动力元件和执行元件,其性能直接关系到整个液压系统的性能及整机设备的采掘运能力。因此,对矿用液压泵和液压马达进行型式试验、出厂试验以及返修后的性能试验,是生产过程的重要环节。

液压泵和液压马达的试验技术,主要是测试技术和加载技术,本文研究液压泵和液压马达的加载技术。机电产品的性能试验首先要对其施加负载,然后才能进行测试研究。液压泵和液压马达性能试验的加载技术主要有液压节流加载、测功机加载、液压功率回馈加载、复现真实负载的液压模拟加载等。

液压节流加载是对液压泵试验[1-2]的加载方式,采用节流阀或溢流阀安装在液压泵输出端进行节流加载,可以手动或自动调节。其优点是结构简单且成本低;缺点是负载模拟效果差、自动化程度低,节流产生大量能量损耗,而且能耗产生的热能增大了冷却系统的装机功率,造成了能量的双重浪费。

测功机加载是液压马达的一种加载方式,电力测功机采用交流变频回馈加载,加载能量通过交流负载发电机回馈至电网,可使机械能转换成电能,具有节能效果,但存在回馈至电网的电能品质不能符合电网要求的问题。

液压功率回馈加载是液压泵与液压马达互为加载同时又互为驱动,加载试验过程中的机械损耗和液压损耗采用液压马达或电动机进行功率补偿。液压功率回馈加载能够节能60%甚至更高[3-9],而且回馈的能量可直接利用,不通过电网也不需要储能。

负载模拟加载是在实验室条件下模拟被试设备在运行过程中所受真实荷载的试验方法[10]。液压模拟加载技术可以在实验室复现真实负载和实际现场工况,使得试验数据更贴近工业生产实际,对被试设备在真实工作状态下的动态特性试验和变负载冲击特性试验提供了技术手段。国内外的液压负载模拟试验台作为一种典型的地面半实物仿真试验设备[11],广泛应用于舰艇船舶、航空航天、车辆交通等领域[12],但文献资料很少能检索到同时应用液压模拟加载技术与液压功率回馈加载技术[13-17]的液压泵和液压马达试验系统。

煤炭工业液压设备具有功率大、工况恶劣的特点,随着我国煤矿千万吨级大型现代化矿井的建成,井下采掘运支护配套设备功率增大,对相应的试验设备也产生了更高的需求。本文研究液压功率回馈加载和液压模拟加载技术在液压泵与液压马达试验系统上的应用,分析研究技术融合的可行性,进行了系统设计和动态仿真,具有实际应用价值。

1 试验系统原理与组成

1.1 试验系统原理

矿用液压泵和液压马达试验系统的液压原理如图1所示。液压泵、速度扭矩传感器、功率补偿马达和功率马达安装在同一条传动轴上,具有相同的旋转速度,构成试验系统的主体传动结构。功率回馈马达是液压泵的负载,同时又将液压能转换为机械能,通过传动轴回馈到液压泵,所以称为功率回馈马达,简称回馈马达。功率补偿马达承担运动过程中的机械损耗和液压损耗,简称补偿马达。

试验台驱动系统结构如图2所示。

  

1—液压泵;2—速度扭矩传感器;3—功率补偿马达;4—功率回馈马达;5—先导比例溢流阀;6—压力传感器;7—伺服阀;8—压力表;9—泵电机组;10—溢流阀;11—流量传感器;12—截止阀图1 液压系统原理Fig.1 Hydraulic system schematic

  

图2 试验台驱动系统结构Fig.2 The structure of test-bed drive system

液压泵和回馈马达在特定情况下可以同时是被试,通常其中之一为被试,另一个为陪试。液压泵和回馈马达在试验过程中互为加载,运动过程中的机械损耗和液压损耗由中间的补偿马达承担,所以回馈马达是液压泵的负载,同时液压泵又是回馈马达和补偿马达的负载,主要由回馈马达驱动液压泵,补偿马达只承担机械效率和容积效率的部分功率。

为了在实验室复现真实负载和实际现场工况,采用了液压模拟加载技术,即采用液压伺服系统在试验系统上实现生产现场的真实负载和实际工况,可以从生产现场(煤矿井下掘进机或液压绞车)测取真实荷载谱,作为液压伺服系统的指令信号控制液压执行机构,模拟复现液压泵或液压马达的负载,实现真实负载的实验室模拟加载。

液压泵与液压马达互为加载的节能工作原理,在于传动系统的能量局限在液压传动与机械传动之间,液压泵将机械能转换为液压能,液压马达将液压能转换为机械能,实现循环加载,基本上没有大的能量损耗,只需要补偿机械传动效率和液压容积效率,这部分功耗很小,由中间的补偿马达实现补偿。

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(1)中约两国在人口和经济总量方面存在明显差异,使得两国的贸易地位极度不对称,2016年,中国对约旦贸易额占约旦贸易总额的比重达到11.85%,而中约两国的贸易额度仅占中国贸易总额的0.086%。现在中国已经成为约旦第一大进口来源国与第二大贸易伙伴。中国与约旦虽然贸易总额不大,但是双边贸易增速快,年均增长率达到11.4%,中国呈现贸易顺差过大,而且差额还在扩大。

液压泵的负载对象是回馈马达,实质上负载是泵输出端的压力和流量,回馈马达的负载实质上是回馈马达输出轴上的力矩和转速。所以,液压泵试验过程中,需要控制泵输出的压力和流量,复现现场真实的工作压力和流量,还需要控制泵轴转速,复现真实的电动机实际转速。液压马达试验过程中,将被试液压马达安装在回馈马达位置,需要控制回馈马达输出轴的力矩和转速,还需要控制马达排量,复现真实工况。

本试验系统采用液压伺服系统控制补偿马达实现对泵马达轴的转速控制,采用电液比例溢流阀控制液压泵的出口压力,采用液压伺服系统控制回馈马达的排量。同时,设计流量反馈与回馈马达排量构成闭环控制系统,即可控制系统流量;设计力矩反馈与电液比例溢流阀构成闭环系统,即可控制回馈马达的输出力矩。

以上三个液压伺服闭环反馈控制系统可以在实验室复现被试液压泵和液压马达的真实负载和实际现场工况,也可以模拟冲击载荷等各种动态变载荷,对矿用液压泵或液压马达进行加载试验。在系统设计中为避免液压回路吸空、系统振荡或非线性耦合,液压系统和控制系统的各个参数需要进行参数匹配和整合优化。

1.2 系统组成与选型设计

试验系统主要包括液压系统、控制系统和机械主体结构。液压主要元件参数见表1至表4。

 

表1 液压柱塞泵参数Tab.1 Hydraulic piston pump parameters

  

参 数数 值额定压力28MPa最大排量53mL/r最大转速4200r/min柱塞数9

 

表2 功率补偿马达参数Tab.2 Power compensation motor parameters

  

参 数数 值额定压力21MPa最大排量105mL/r最大转速4200r/min柱塞数9

 

表3 电液比例溢流阀参数Tab.3 Electric proportional throttle valve parameters

  

项 目具体描述控制方式比例控制最大流量240L/min额定压力350×105Pa

 

表4 Rexroth变量马达参数Tab.4 Rexroth variable displacement motor parameters

  

参 数数 值额定压力21MPa最大排量107mL/r最大转速4200r/min柱塞数9

在试验和系统仿真过程中,变量马达的排量是可控制的,实际工作的排量并不是最大排量,而是根据液压泵排量与功率回馈马达排量的关系进行调节,试验过程中要保证泵的排量大于变量马达的排量。本试验系统设计中选用液压马达排量为107 mL/r,是为了扩大试验系统的适用范围,可以对不同型号的变量泵进行试验,最大排量小于107 mL/r的变量泵都适用于本试验系统。

2 功率回馈匹配与动态加载

2.1 功率回馈参数匹配

这部分力矩由同轴的补偿马达输出力矩来补偿。力矩匹配就是尽可能地减小补偿的力矩差,减小补偿马达的输出功率,提高节能效率。

液压泵与回馈马达和补偿马达同轴连接,补偿马达输出力矩补偿传动损耗,属于机械补偿型功率回馈。因此,系统稳态运行时,液压泵的功率必须大于回馈马达的功率。

2.1.1 排量匹配

泵马达轴转速由伺服阀控通轴马达实现闭环反馈控制,模拟实际电机的转速特性,精确控制在3 000 r/min,具有良好的鲁棒性,如图4所示。在启动阶段有两处微幅振荡并很快衰减,说明系统具有很强纠偏能力。启动阶段的加速过程采用斜坡信号,也可以采用实测的电机启动速度信号。液压伺服阀控马达系统有较高的频响,可以模拟实际电机的启动转速。

液压泵和回馈马达同轴连接、转速相同,系统稳态运行时,液压泵的流量应大于回馈马达的流量。液压泵实际输出的流量和马达输入的流量计算如下:

qPo=nVPηPV

qMi=nVM/ηMV

式中,qPo为液压泵输出流量,L/min;qMi为回馈马达输入的流量,L/min;n为系统转速,r/min;VP为液压泵排量,mL/r;ηPV为液压泵容积效率;VM为回馈马达排量,mL/r;ηMV为回馈马达容积效率。

90年代,无论是题材的拓展、意蕴的深化,还是舞台呈现的品位追求,都体现出河南现代戏试图求得突破和超越的进取姿态,这种努力和积累,终于在新世纪迎来河南戏剧的强势崛起,创造了连续六届中国艺术节大奖、五届文华大奖的历史辉煌。其实,新世纪以来河南现代戏的题材并无太大变化和突破,甚至还有一些是多次进入过创作素材的陈旧题材,实现突破的是河南艺术家的创作观念,这种突破,以对题材的现代开掘和独特表达为主要特点。

将系统回馈的功率与整个系统所需要的功率之比称为功率回馈系数ξ,以此来衡量功率回馈的程度。对此系统而言,回馈马达回输的功率PM即为回馈的功率,若系统所需功率为PP,驱动马达补偿的功率为PD,则有

试验系统的节能效果如图7所示。通过力矩对比,被试液压泵驱动力矩的平均值为160.4 N·m,陪试液压马达输出力矩平均值为150.4 N·m,全部回馈到液压泵和马达的传动轴上,阀控马达补偿力矩的平均值为12.7 N·m,表明驱动被试泵的力矩基本上由陪试马达承担,阀控马达作为补偿马达只承担机械传动效率和惯性加速引起的力矩。由此数据并根据泵和马达的输出力矩可算出平均节能效率为92%,实际上在计入伺服阀的阀压降等液压阻力损失后,节能效率在80%左右。

 

2.1.2 力矩匹配

液压泵输入的转矩和功率回馈马达输出的转矩计算如下:

 
 

式中,ηPmηMm分别为液压泵和功率回馈马达的机械效率。

试验系统中功率回馈马达回输的功率通过转轴直接驱动液压泵,由于机械效率的影响,回馈马达回输的力矩不足以驱动液压泵,相差的力矩为

ΔT=TPi-TMO

由于液压泵与液压马达互为加载,功率回馈节能型试验系统需要一定的参数匹配,试验系统才能正常运转,匹配条件是驱动功率大于负载,因此需要考虑排量匹配、力矩匹配这两个试验过程中的功率匹配参数。

2.1.3 功率回馈系数

由于系统中液压泵和马达的流量泄漏等容积效率的存在,只有当液压泵输出的流量大于回馈马达需要的流量,即qPoqMi时,系统才能建立压力。由此可以得出,液压泵排量与功率回馈马达排量的关系为

 

由于

 

所以

 

2.2 动态加载时的参数匹配

试验台系统动态加载时,每一瞬时都应符合功率回馈参数匹配。由于动态加载时惯性加速和系统响应等动态参数影响,泵马达系统的排量匹配和力矩匹配变得异常复杂,即使满足了上述稳定状态的参数匹配,在加载阶跃负载等各种大幅度变载荷的工况时,仍然会产生瞬时的功率参数不匹配,从而导致强烈的系统振荡,甚至出现液压管路负压吸空现象。

根据动态加载过程的功率参数匹配,本文在液压系统设计时进行了参数优化,加大了排量匹配和力矩匹配的安全度,主要措施是减小回馈马达排量的上升响应速度,适当提高回馈马达排量的下降响应速度,以实现液压泵和液压马达的排量参数动态匹配。

将不同车速下各个位置空气弹簧内压的最大值与最小值列于表2,并计算出每种工况下空气弹簧内压的最大波动。由表2中的计算结果可知,交会车速越高,空气弹簧的内压波动越大,当两列动车组以450 km/h的车速交会时,空气弹簧的内压波动可以达到30.73%。而空气弹簧的内部压力会直接影响空气弹簧的动态特性[5-6],因此需要基于空气弹簧的气动响应深入分析动车组在交会时的整车动力学特性,并对其运行安全性进行评判。

力矩匹配主要是对补偿马达采用液压伺服控制,使补偿马达具有驱动和制动的双重功能,补偿力矩瞬时不匹配产生的系统振荡,提升了泵马达轴的转速刚度。

动态加载的功率参数匹配效果可通过AMESim仿真分析看出。

3 仿真分析与动态加载特性研究

3.1 建立基于AMESim的仿真模型

为分析试验系统的节能效果和动态加载特性,对矿用液压泵和马达的试验系统进行AMESim仿真,液压系统的仿真模型如图3所示。

阀控马达伺服系统模拟电机泵轴的动态转速,矿用三相异步电机的转速随着负载的增大而略有下降,与电机同步转速有一个转速差,所以,设置一个压力传感器感知液压泵的负载信号,输入阀控马达伺服系统的输入端,控制液压泵和马达的传动轴复现真实的电机转速,并且随响应负载的动态变化而变化。

“角的度量”是人教版四年级上册的内容,“认识量角器,并能正确使用量角器量角”这两点是本课的教学重点与难点。我们在教学中发现,此类课总会出现“上课会量,下课即忘,一操作就错”的现象,那么,技能的教学到底怎么教?

  

图3 液压系统仿真模型Fig.3 Hydraulic system simulation model

比例溢流阀控制液压泵的输出压力,加载模拟压力负载。液压马达变量调节模拟负载流量。

3.2 被试泵在变流量状态的加载试验仿真分析

下面对恒压变量泵进行动态加载AMESim仿真分析。被试泵采用恒压变量泵,工作在恒压变流量状态。仿真参数设置为:被试泵负载流量按正弦规律变化,频率0.2 Hz,幅值30 L/min,稳态值100 L/min,由陪试液压马达控制;被试泵的负载压力为恒压变量泵的最大压力值。

这次改造试验给我们的启示是:小老树的形成与根系有很大关系。一切能够改善根系透气性、防止根腐、促进土壤疏松的措施对小老树改造均有效果。

  

图4 液压泵和马达的轴转速Fig.4 Shaft speed of the hydraulic pump and motor

[10]There are three reasons why convergence has stalled.(2016-10-01)

被试液压泵的负载压力和负载流量如图5和图6所示。当比例溢流阀调定压力大于被试泵调定的最大压力时,负载压力取决于被试泵调定的最大压力,此时被试泵工作在恒压变量状态。负载流量取决于陪试液压马达的排量,由闭环反馈系统控制。仿真试验中负载流量按正弦波变化,也可以设定任意实测的变化波形,复现被试泵的现场实际负载工况。

  

图5 被试液压泵的负载压力Fig.5 Load pressure of the tested hydraulic pump

  

图6 被试液压泵的负载流量Fig.6 Load flow rate of the tested hydraulic pump

仿真曲线表明:负载流量变化引起负载压力有很小的波动,这是由被试泵的恒压变量机构的特性决定的。启动阶段的两处压力振荡也有恒压变量机构的动态特性,一是被试泵冲到最大排量时机构振荡引起的压力振荡,二是负载流量突然下降引起的被试泵排量跟踪陪试液压马达排量的随动振荡。仿真曲线精确地反映了恒压变量泵的性能指标。

结合图4表明:负载流量变化并不影响泵马达轴转速,虽然轴转速控制系统中加入了被试泵的负载压力信号,模拟异步电机的转差率,但是负载压力本身变化很小,所以不影响通轴转速。

芪苈强心减轻阿霉素诱导的小鼠心脏损伤·····························武晓栋 姜惠敏 姚文明 高蓉蓉 李新立 (2,192)

  

图7 被试泵与陪试马达和阀控马达的力矩对比Fig.7 The torque comparison of the tested pump to the assistant motor and the controlled motor

伺服阀控通轴马达闭环控制系统提升了泵马达轴的转速刚度,实现精确控制,单方向运转,但是进回油两腔加压,使阀控通轴马达具有驱动和制动的功能。图8是阀控马达进回油两腔的动态压力曲线。

西方国家为了减贫、反贫,履行国家责任和义务,均将减贫反贫政策纳入法治化轨道,通过立法的形式进行调整和规制,实现法治化的治理。如英国颁布的《济贫法》和《工业分部法》,美国颁布的《反贫困法案》《地区再开发法》《社会保障法》《食物劵法案》《全国学校午餐法案》,德国制定的《联邦改善区域结构共同任务法》,日本制定的《北海道开发法》《山村振兴法》等[29]。上述发达国家通过法治化途径,把政策转化为法律,为救济、反贫、改善、开发、振兴贫困地区提供了有力的法治保障,可供我国借鉴。

  

图8 阀控马达进回油腔的动态压力Fig.8 Dynamic pressures in the two sides of the controlled motor

3.3 被试泵在负载压力变化状态的加载试验仿真分析

被试泵采用恒压变量泵,在负载压力变化状态下进行动态加载仿真及动态特性分析。加载被试泵的负载压力按正弦规律变化,频率0.5 Hz,幅值50×105 Pa,稳态值在不同时间段分别为200×105 Pa和100×105 Pa,由比例溢流阀控制。开始时间段加载被试液压泵的最大压力。由恒压变量泵特性知,负载压力低于恒压变量泵调定压力时,排量达到最大值,所以调节陪试液压马达的排量为最大值。

结合上述分析,本文使用基于余弦相似度提取的动态行为关键帧角度特征变化序列构建动态行为表示方法,定义如下:

图9是液压泵在负载压力变化状态下的转速,可以看出仍然不受负载变化的影响,转速曲线有4处振荡都在很短时间内收敛到稳态值,第1、2处是如前述被试泵与陪试马达的排量匹配引起的,第3、4处是负载压力的阶跃变化引起的转速动态振荡。系统振荡的快速收敛表明伺服阀控马达具有良好的抗负载变化能力和速度刚度。

  

图9 变压力状态液压泵马达轴转速Fig.9 Shaft speed of the hydraulic pump and motor under variable pressure conditions

图10和图11是被试液压泵的负载压力和负载流量。由比例溢流阀调定被试泵的负载压力,变化规律由阶跃信号和正弦信号叠加而成,能够反映矿用液压泵的动态加载工况。启动阶段必须保证被试泵和陪试液压马达的排量都处于开启状态。

仿真曲线表明:试验台系统具有加载动态负载压力的能力,并且具有良好的转速刚度。

  

图10 变压力状态被试泵负载压力Fig.10 Tested pump load pressure under variable pressure conditions

  

图11 变压力状态被试泵负载流量Fig.11 Load flow rate of tested pump under variable pressure conditions

图12是变压力加载状态下试验系统的节能效果,明显看出驱动被试液压泵的力矩仍然由陪试液压马达承担绝大部分,表明试验系统具有显著的节能效率。被试泵负载压力的周期性波动和阶跃下降是由比例溢流阀控制的,溢流量如图13所示,这部分溢流功率损耗降低了节能效率,溢流功率损耗需要通轴马达补偿。由图12可以看出,阀控通轴马达的补偿力矩也按正弦规律变化。

  

图12 变压力状态被试泵与马达的力矩对比Fig.12 The torque comparison of the tested pump to the two motors under variable pressure conditions

  

图13 变压力状态比例溢流阀的溢流量Fig.13 The flow rate of the proportional relieve valve in variable pressures

在图12时间坐标0.5 s处可以看到:阀控马达的输出力矩越过横坐标成为正值,表明在试验启动0.5 s时,承担驱动作用的通轴马达此时刻起到制动作用。阀控马达的这项性能特征提升了泵马达轴的转速动态刚度,具有抗负载变化的能力。

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这项性能特征可以从阀控马达的进回油腔的动态压力曲线得到证实,如图14和图15所示。在试验启动0.5 s时,马达两腔的正向压差变成了反向压差,此时马达起制动作用,持续很短时间后迅速变回为正向压差,重新起驱动液压泵的力矩补偿作用。正是阀控马达的快速响应,提升了系统的轴转速刚度。

五是政协的环境保护民主监督开始发挥作用,政协为政府出主意的事情越来越多。但是缺乏制度化的支撑。而在安全生产方面,《中共中央国务院关于推进安全生产领域改革发展的意见》就要求发挥政协民主监督的作用。

  

图14 变压力状态下阀控马达进回油腔的动态压力Fig.14 Dynamic pressure of inside the controlled motor under variable pressure conditions

图15放大曲线可以清晰地表明,在试验启动0.5 s时马达两腔的正向压差变成了反向压差。

  

图15 阀控马达启动段的动态压力放大曲线Fig.15 Dynamic pressure enlarged curves at the beginning of the controlled motor

液压马达动态加载试验与液压泵动态加载试验仿真分析类似,只是液压马达的负载是输出轴的转速和力矩,轴转速仍然由阀控通轴马达进行闭环反馈控制,力矩由比例溢流阀通过液压泵间接控制,在被试马达输出轴上加装力矩传感器构成闭环控制系统。

4

(1) 分析研究了液压功率回馈加载和液压模拟加载技术在矿用液压泵和液压马达试验系统上的应用,分析研究了两种技术融合的可行性,进行了系统设计和动态仿真。分析研究表明试验系统能够进行动态加载,仿真数据分析计算表明试验系统具有显著的节能效果。

(2) 在动态加载过程中,液压泵和液压马达的排量匹配直接影响试验台动态性能,即使满足了稳态的排量匹配,液压泵瞬时排量的跟踪滞后也会导致强烈振荡,甚至导致液压吸空现象。适当控制液压马达变量机构的调节时间,即降低排量上升速度,加快排量下降速度,具有良好效果。

(3) 伺服阀控液压马达具有驱动和制动的双重功能,提升了泵和马达传动轴的转速刚度,但伺服阀的阀压降使节能效率下降。

(4) 调高泵马达轴转速控制系统的动态响应,适当降低液压马达流量控制系统的动态响应,不仅有助于泵排量和马达排量的瞬时匹配,而且可以减小两个液压伺服控制系统的相互耦合干扰,有助于系统PID参数整定。

在学习方式上,采取超前、主动、灵活、科学的“读”“议”“看”“走”“测”等方式。读,即读经典,会上轮流领读和会前会后自读相结合。议,即交流研讨,对每个专题均在学习基础上安排交流研讨,思维碰撞,相互启发,明辨是非,形成共识。看,即组织观看具有典型教育意义的电教片,及时在微信平台上传各类学习资料。走,即每年组织参观革命传统和廉政教育基地。测,即测试学习入脑情况,坚持每周一学,每月一测,每季一考,以考促学,以学促廉。公司党委中心组建设的做法获得江苏农垦集团肯定,在2018年召开的垦区学习型党组织建设推进会上进行了交流分享。

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吴勇,赵玉贝,卞春晓,邓洋
《矿业科学学报》 2018年第02期
《矿业科学学报》2018年第02期文献

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