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基于四配流轴向柱塞马达的制动能回收方法.pdf
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1、第48 卷第2 期2024年2 月doi:10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.005基于四配流轴向柱塞马达的制动能回收方法卫立新2,张瑞,周同围”,宁志强?,化建辉,高有山?(1.山西工程技术学院机械工程系,山西阳泉0 450 0 0;2.太原科技大学机械工程学院,山西太原0 3 0 0 2 4)摘要:针对大惯性回转机构在制动时,动能都以热能的方式损失的问题,提出一种四配流轴向柱塞马达和蓄能器结合的制动能回收方法。不同体积、初始压力的蓄能器对惯性负载的回转制动能的回收和再利用的效果不同,为寻求较合理的蓄能器参数以达到较高的能量回收效果,手动调整仿真参数较为繁琐,
2、提出采用基于多核CPU的快速并行优化方法用于蓄能器参数优化。首先,大惯性负载的驱动机构采用四配流轴向柱塞马达,其能量系统回收模型在SimulationX搭建,进而导出成具有CVODE求解加速的可执行程序,脱离仿真软件平台,在Windows操作系统独立运行;然后,利用导出的可执行程序与VC+进行二次开发,以微粒群算法解决特定工况下蓄能器选型的问题,充分利用多核CPU实现并行优化以提高仿真速度。仿真结果表明,在特定负载下得到优化后的蓄能器的参数,蓄能器回收并释放的能量占惯性动能的2 4.5%,回收油液全部得到释放。采用基于多核CPU的并行优化方法,仿真效率提高了10 倍以上,该方法对系列化液压产品
3、的快速开发具有一定的借鉴价值。关键词:能量回收;四配流轴向柱塞马达;多进程并行;Simulation X二次开发中图分类号:TH137;TH-39文献标志码:B文章编号:10 0 0-48 58(2 0 2 4)0 2-0 0 3 2-0 9Braking Energy Recovery Method Based on Four-port Axial Piston MotorWEI Li-xin-2,ZHANG Rui?,ZHOU Wei”,NING Zhi-qiang2,HUA Jan-hui?,GAO You-shan?(1.School of Department of Mechanic
4、al Engineering,Shanxi Institute of Technology,Yangquan,Shanxi 045000;2.School of Mechanical Engineering,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan,Shanxi 030024)Abstract:In view of the problem that the kinetic energy of the large inertia rotary mechanism is lost in the form ofthermal energ
5、y when braking,a braking energy recovery method combining a four-port axial piston motor and anaccumulator was proposed.Accumulators with different volumes and initial pressures have different effects on therecovery and reuse of the slewing braking energy of inertial loads.In order to seek more reas
6、onable accumulatorparameters to achieve a higher-energy recovery effect,it is cumbersome to adjust manually the simulationparameters,a fast parallel optimization method based on multi-core CPU was proposed for the optimization ofaccumulator parameters.First of all,the drive mechanism of the large in
7、ertia load adopts a four-port axial pistonmotor.The energy system recovery model was built in Simulation X,and then exported to an executable programwith CVODE solution acceleration,which is separated from the simulation software platform and runs independentlyon the Windows operating system.Then,us
8、e the exported executable program and VC for secondary development,use the particle swarm algorithm to solve the problem of optimal accumulator selection under specific working收稿日期:2 0 2 2-0 2-2 8基金项目:国家自然科学基金(518 7 53 8 1);山西省研究生创新项目(2 0 2 1Y695);山西省研究生教育创新项目(2 0 2 2 Y676);山西省回国留学人员科研项目(2 0 2 0 12
9、4);太原科技大学研究生创新项目(NO.XCX212048)作者简介:卫立新(19 9 8 一),男,山西曲沃人,硕士研究生,主要从事电液伺服系统控制方面的研究工作。液压与气动Chinese Hydraulics&Pneumatics修回日期:2 0 2 3-0 6-2 4Vol.48 No.2February.20242024年第2 期conditions,and make full use of multi-core CPU to achieve parallel optimization to improve the simulation speed.The simulation res
10、ults show that the optimized parameters of the accumulator under a specific load,the energyrecovered and released by the accumulator accounts for 24.5%of the inertial kinetic energy,and all the recoveredoil is released.Using the parallel optimization method based on multi-core CPU,the simulation eff
11、iciency isincreased by more than 10 times.This method has certain reference value for the rapid development of serializedhydraulic products.Key words:energy recovery,four-port axial piston motor,multi-process parallel,simulation X secondary development引言大惯性负载在制动时,会产生较大的动能,且大多数都以热能的形式损失 。自从2 0 世纪9 0
12、年代起,我国的学者就开始对大惯性负载的制动能回收进行了相关研究。姜继海等 2 提出了基于蓄能器和二次元件的回转制动能回收方案。李赛白 3 使用定量马达-发电机-镍氢电池组来进行惯性负载的制动能回收。郑辉 4 采用了带有蓄能器的回转装置对惯性负载的制动能进行回收,能够达到回收大惯性负载制动能的目的。陈正雄等 5 则是使用蓄能器-液压马达-超级电容的装置,将装置放进惯性负载回转制动能回收系统中,在进行回转制动能回收时,,采用实时调节回收马达人口压力以及电机转速的方式,实现了更多制动能的回收,并也实现了挖掘机回转平台大惯性负载的平稳制动。卫鹏斌等 6 分析研究了液压挖掘机回转9 0 的典型工况,采用
13、二次调节技术对制动能进行了回收并利用。综上所述,目前工程机械在作业机构动能的回收方式上,常常采用在驱动系统以外另加增设能量回收装置,而且动能的回收是分别进行的,提高了液压系统的复杂性,并且回收回来的能量经过多次的转化后,同时也不利于能量的有效利用。针对上述的问题,提出回转作业的机构分别采用由功能集成元件双控马达来配合液压蓄能器进行驱动惯性负载和对惯性负载的制动能回收。在此基础上,利用液压系统的建模仿真与智能优化算法相结合的方法,来优化提高能量回收系统的设计效率。本研究对四配流轴向柱塞马达制动能的回收进行了理论研究,分析在特定负载的工况下,采用多核CPU的并行优化方法 7 寻找合适的蓄能器参数,
14、进行惯性负载制动能的回收,并将回收的能量用于第二次的负载启动中,实现节能的效果。1四配流轴向柱塞马达制动能回收原理变排量四配流轴向柱塞马达有与普通的轴向柱塞液压与气动马达相似的机械机构,都具有斜盘、柱塞、缸体、回程盘、滑靴等结构部件,但是也具有其特有的对称分布并联型结构的配流盘 8-9 ,如图1所示。此独特的配流结构,具有4个独立的进出油口,且各个油口能够实现独立的控制,让其驱动方式相较于普通的轴向柱塞马达也有所不同。BCD图1配流盘结构图Fig.1 Structure diagram of valve plate变排量四配流窗口轴向柱塞马达因特殊的配流窗口,可以有3 种工况:泵工况、马达工况
15、或者马达/泵工况。当主控腔供给高压油,马达旋转带动辅控腔窗口,这时辅控腔可看作泵,将液压油液吸入蓄能器中储存起来。而当马达需要快速响应时,两侧都供给高压油,让马达的转速能够快速到达稳定状态。当马达需要快速制动时,辅控腔的出油口接蓄能器,达到快速制动,同时回收四配流轴向柱塞马达的制动能可以用到下一次的启动中。而因为有2 个独立的进油口,回收回来的油液,不需要特别复杂的控制策略就可以在下次启动阶段完全的释放。变排量四配流轴向柱塞马达动能回收原理图 10 ,如图2 所示。同时变排量四配流窗口轴向柱塞马达因为其特殊的配流窗口,可以根据负载工况的大小,所需的转矩大小、转速大小,让马达处于外配流窗口供给高
16、压油或内外配流窗口供给高压油。可以通过外配流窗口供给高压油后,再进行内配流窗口供给高压油,使得马达的转速进行二次加速,在进行变量控制减小马达的排量使得马达的转速进行三次加速 33缸体背部341.变量泵2 5.开关阀6.变排量四配流轴向柱塞马达7.三位四通阀8.蓄能器图2 3变排量四配流轴向柱塞马达动能回收原理图Fig.2Kinetic energy recovery schematic diagram ofvariable displacement four-flow axial piston motor蓄能器 12 的主要作用是存储能量,将系统中一些可以回收的其他形式的能量进行能量转变后存储
17、起来,并在系统需要的时候进行有效的释放。根据惯性负载制动时间短的特点,采用皮囊式蓄能器 3 ,并且从理想气体方程可得:PoVo=piV=p2V2=C式中,Po一一蓄能器充气压力V。一气囊气体体积P1,P2系统的最低工作压力和最高工作压力V,Vz一一相对应的气体体积C一气体常数负载模块此列为内圈配流窗口柱塞2 质量,柱塞腔2液压与气动n48VB5第48 卷第2 期气体的多变指数,代表的是指气体在等温条件工作时n=1,气体在绝热的条件工作时n=1.4由于惯性回转系统的蓄能器工作时间较短,因此可以将蓄能器的冲放压看作在绝热条件下进行的,因此n=1.4。蓄能器所能够存储的能量为:E=-pdu=PVVo
18、2动能回收系统建模与仿真2.1四配流轴向柱塞马达动能回收仿真模型在仿真软件Simulation x14-16中搭建变排量四配流轴向柱塞马达动势能回收仿真模型如图3 所示,根据四配流轴向柱塞马达的结构特性,将其分成内外配流窗口,内外配流窗口都能够彼此独立。同时根据负载工况的特性,可以选择对变排量四配流轴向柱塞马达进行单口供给高压油,或者两口都(1)进行供给高压油。当负载工况较小时,可以选择单口供给高压油,当负载工况较大时,选择两口供给高压油。所选负载工况较小,则在第一次进行加载仿真过程中,单独给外配流窗口供给高压油液,内配流窗口则进行无负载的运行。在进行惯性负载动势能制动时,外配流口则停止此列为
19、外圈配流窗口柱塞1质量柱塞腔1-(2)泄漏量外圈吸油量外圈排油量吸油口内圈吸油量压油口内圈排油量偶数柱塞奇数柱塞柱塞10 质量柱塞腔10柱塞9 质量柱寒腔9外圈吸油量吸油口内圈吸油量外圈排油量压油口内圈排油量图3 变排量四配流轴向柱塞马达动势能回收仿真模型Fig.3 Dynamic force energy recovery simulation model of variable displacement four-valve axial piston motor2024年第2 期供给高压油液,只单独进行补油,防止出现吸空现象。而内配流窗口的压油窗口接通蓄能器,进行动势能回收。回收回来的能量
20、用于第二次负载启动阶段,将蓄能器回收回来的高压油作用到内配流窗口的进油口,与外圈配流口的高压油同时驱动大惯性负载快速到达稳定转速。内外窗口可以同时进行供给高压油液,两个互不干扰,可以达到充分将回收回来的油液完全释放。其仿真模型参数如表1所示。表1仿真相关参数Tab.1Simulation-related parameters参数泵排量/mL r-1电机转速/rmin-1马达排量/mLr-1转动惯量/kg m阻力矩/Nm阻尼/Nm s ()-1传动比溢流阀/MPa泄漏参数/mm在上述仿真参数条件下0 3 s内进行外圈单口供给高压油,内圈接通油箱,在3 7 s外圈接入油箱,内圈接10 L,15MP
21、a的皮囊式蓄能器进行动势能能量回收,在7 10 s外圈接高压油,内圈接回收的蓄能器进行驱动。如图4所示为负载的转速变化图。8.67.76.65.5r-uru./u4.43.32.21.10.0-1.10图410L,15MPa蓄能器下的负载转速变化Fig.4Variation of load speed under 10 L and15 MPa accumulators液压与气动在大惯性负载动势能制动过程中,不加能量回收装置损失掉的能量以热能Q的形式损失掉,即:Q=(Joi-Jas)式中,,根据仿真结果可以得到,为0.8 4rad/s;为负载停止的转速,为0 rad/s;转动惯量J为50 0 0
22、 kgm。在进行第二次负载驱动时,蓄能器释放回收的能量,其作用于系统的能量为:E,=Jp,q,dt式中,E,一一蓄能器提供的能量Pp一一蓄能器出油口的压力9p一蓄能器出油口的流量参数值则系统制动能回收效率为:80EQ2200根据仿真结果和式(3)可以计算出其能量损失的120Q为1.7 8 9 KJ。在进行制动能回收时,根据式(2)、式5000(4),可得出回收回来的能量为0.57 9 KJ,用与第二次4500做功的能量为0.42 7 KJ,则系统的制动能回收率为0.123.8%。1302.2蓄能器参数对能量回收的影响蓄能器体积和初始压力对制动能的回收具有很大20的影响,根据惯性负载的大小,,分
23、别取体积为6.7 L、87722初始压力为 10 MPa 和体积为 16 L、初始压力为16MPa的皮囊式蓄能器进行制动能能量回收的仿真。蓄能器气体体积与压力的变化图,如图5所示。根据上述公式,可以求出不同蓄能器回收的能量值大小、释放能量值的大小以及相对应的回收率,如表2所示。表2 不同蓄能器参数下的能量回收与释放Tab.2Energy recovery and release under differentaccumulatorparameters体积Vo/L压力Po/MPa回收能量/J6.71016.01624t/s35(3)(4)(5)释放能量/J回收率/%545302574436681
24、6.824.310可以看出,不同蓄能器体积以及初始压力对能量回收率的影响不同。因此,本研究提出通过改变初始压力po和气囊体积Vo,追求在负载一定的情况下寻求第二次释放能量最大的值,得到最大的回收效率。366.706.696.686.676.666.656.64016.00015.99515.99015.98515.8015.97515.97015.9650图5不同参数下蓄能器体积压力变化Fig.5 Pressure accumulator volume underdifferent parameters3基于多核CPU的蓄能器参数并行优化的实现3.1并行液压系统仿真方法的程序框架多核CPU的快
25、速并行优化方法是通过群体智能优化算法动态调整CVODE仿真程序的仿真参数。CVODE求解器 17 可以加快计算速度,是第一级加速策略。从SimulationX仿真软件中导出的CVODE可执行程序被看作是群体智能算法中的群体粒子。每一个单独粒子被分配的设计参数也不同,参数化过程是靠写人的参数文件来实现。根据CVODE可执行程序生成的输出文件来提取产品的性能参数,并计算种群粒子的自适应值,以此来判断产品的性能约束。这种优化方法和传统的串行优化方法不同,分配的每个CVODE可执行程序都是单独的DOS程序,能够通过ShellExecute函数来启动运行,相当于自动的生成一个进程。而当多个DOS一起启动
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