基于流体脉宽调制的定量泵负载敏感系统能耗分析

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2024.14.03

基于流体脉宽调制的定量泵负载敏感系统能耗分析

任燕^,^,¹, 陶王方¹, 吴剑¹, 黄煜², 鲁立中²

1.温州大学机电工程学院，浙江温州 325035

2.浙江工业大学机械工程学院，浙江杭州 310023

Energy consumption analysis of load sensitive system of fixed displacement pump based on fluid pulse width modulation

REN Yan^,^,¹, TAO Wangfang¹, WU Jian¹, HUANG Yu², LU Lizhong²

1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Wenzhou University, Wenzhou 325035, China

2.College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China

收稿日期: 2024-04-15 修回日期: 2024-05-20

基金资助:

国家自然科学基金资助项目. 52175060

Received: 2024-04-15 Revised: 2024-05-20

作者简介 About authors

任燕（1980—），女，教授，博士，从事液压元件和系统的设计、仿真等研究，E-mail:rentingting211@wzu.edu.cn,https://orcid.org/0000-0001-7968-1328 , E-mail：rentingting211@wzu.edu.cn

摘要

为了减小定量泵负载敏感系统的能耗，用二维脉宽调制转阀替代泵控系统中由负载敏感阀构成的阀组，设计了一种基于流体脉宽调制的负载敏感系统。根据该负载敏感系统的工作原理，建立了系统AMESim仿真模型，对系统的负载敏感特性和能耗进行了仿真分析，并搭建了实验平台，进行实验验证。结果表明：二维脉宽调制转阀与定量泵的组合使系统具有负载敏感特性，使得定量泵输出功率和负载消耗的功率都随着负载的变化而变化，减小了溢流损失，提高了系统的节能效果。

关键词： 负载敏感 ; 二维脉宽调制转阀 ; 流体脉宽调制 ; 能耗分析

Abstract

In order to reduce the energy consumption of the load sensitive system of a fixed displacement pump, the valve group composed of load sensitive valves in the pump control system was replaced by a two-dimensional pulse width modulated rotary valve, and a load sensitive system based on fluid pulse width modulation was designed. According to the working principle of the load sensitive system, the AMESim simulation model of the system was established, the load sensitive characteristics and energy consumption of the system were simulated and analyzed, and an experimental platform was built for experimental verification. The results showed that the combination of two-dimensional pulse width modulated rotary valve and fixed displacement pump made the system load sensitive, so that the fixed displacement pump output power and load consumption power changed with the load, which reduced the overflow loss and improved the energy saving effect of the system.

Keywords： load sensing ; two-dimensional pulse width modulation rotary valve ; fluid pulse width modulation ; energy consumption analysis

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本文引用格式

任燕, 陶王方, 吴剑, 黄煜, 鲁立中. 基于流体脉宽调制的定量泵负载敏感系统能耗分析[J]. 工程设计学报, 2024, 31(6): 776-783 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2024.14.03

REN Yan, TAO Wangfang, WU Jian, HUANG Yu, LU Lizhong. Energy consumption analysis of load sensitive system of fixed displacement pump based on fluid pulse width modulation[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2024, 31(6): 776-783 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2024.14.03

负载敏感技术是一种应用于液压系统的高效节能技术。负载敏感系统通过自动感知液压系统流量、压力及功率的需求，提供液压系统所需的流量和压力^[1-2]。负载敏感系统具有卓越的节能性、可控性，广泛应用于工程机械、航天机械、农业机械等多个领域^[3-5]。

根据控制方式，负载敏感系统可分为变量泵负载敏感系统和定量泵负载敏感系统。变量泵负载敏感系统的工作原理是：变量泵输出流量，系统通过负载敏感阀、变量缸控制变量泵斜盘角，从而调节流量和压力，使变量泵输入主阀的流量与负载所需流量达到最佳匹配。因此，系统几乎没有溢流损失，节能效果较好^[6-7]。但是，变量泵斜盘的控制结构较复杂，响应速度也不高^[8-9]。相比变量泵负载敏感系统，定量泵负载敏感系统的结构较简单，响应速度较快。将定量泵与负载敏感多路阀进行组合，系统通过负载敏感多路阀调节压力^[10-11]，但其存在的最大问题是有较大的溢流损失^[12-13]，尤其是当负载压力很小时，系统所需的流量很少，由定量泵输出的流量大多被溢流回油箱，造成很大的能量损耗。

为了提高定量泵负载敏感系统的节能效果，国内外学者展开了广泛研究。如：杜黎等^[14]设计了一种电液式定量泵负载敏感系统，将永磁同步电机与定量泵相结合，替换了传统定量泵负载敏感系统的三通压力补偿阀，当系统工作时，永磁同步电机能动态调节定量泵输出流量，满足了负载需要，减小了溢流损失；付胜杰等^[15]设计了一种基于变转速控制的定量泵负载敏感系统，采用变压差控制策略，通过调节主泵电机转速使得主泵压力与负载最大压力之差保持为目标压差值，系统能根据负载工况自动调节压差，具有良好的操纵性和节能性；Bury等^[16]提出将比例电磁阀与定量泵相结合，通过比例电磁阀将流量分配给定量泵，实现负载敏感功能，减小了溢流损失。

针对传统定量泵负载敏感系统存在较大溢流损失的问题，本文提出了一种新型的定量泵负载敏感系统——基于流体脉宽调制的负载敏感系统，将二维脉宽调制转阀作为变量机构，来取代传统的负载敏感多路阀。二维脉宽调制转阀能对定量泵的输出流量进行二次分配^[17-18]，使得多余的流量主动流回油箱，只提供负载所需的流量，因此系统几乎没有溢流损失，节能效果更好。

1 结构和工作原理

1.1　二维脉宽调制转阀的结构和工作原理

在基于流体脉宽调制的负载敏感系统中，二维脉宽调制转阀充当系统的变量机构，是系统的核心元件。其结构如图1所示，主要由阀芯、阀套和阀体等组成。阀芯上有2排三角形凹槽，左端有负载口（A口），右端有回油口（T口）；阀套上有1排菱形窗口。流量从进油口（P口）进入阀套的菱形窗口，电机驱动传动轴而使阀芯旋转，阀芯的三角形凹槽与阀体的菱形窗口交替重叠，从而实现变流量输出。

图1

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图1 二维脉宽调制转阀结构

Fig.1 Structure of two-dimensional pulse width modulation rotary valve

通过控制阀芯轴向位移来调节占空比，进而控制负载口的输出流量。占空比是指在一个周期内阀套菱形窗口与负载口端阀芯三角形凹槽的沟通时间与一个周期时间的比值。当占空比τ=50%时，阀套位于阀芯的中间位置，其平面图如图2所示。

图2

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图2 τ=50%时阀芯和阀套平面图

Fig.2 Plan view of valve core and valve sleeve with τ=50％

当τ=50%，在阀芯一个旋转周期T_c内，阀套菱形窗口与A口、T口的沟通时间相同，则分配给A口的流量Q_A与分配给T口的流量Q_T相等，如图3所示。

图3

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图3 τ=50%时流量分布图

Fig.3 Flow distribution map with τ=50％

当负载需要更多流量时，阀芯向右移动，占空比增大，即τ>50%。在阀芯一个旋转周期内，阀套菱形窗口与A口的沟通时间大于与T口的沟通时间，因此负载口分配到更多流量。τ>50%时阀芯和阀套平面图如图4所示，流量分布如图5所示。

图4

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图4 τ>50%时阀芯和阀套平面图

Fig.4 Plan view of valve core and valve sleeve with τ>50%

图5

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图5 τ >50%时流量分布图

Fig.5 Flow distribution map with τ>50%

1.2　负载敏感系统的结构和工作原理

本文提出的基于流体脉宽调制的负载敏感系统的结构如图6所示。其主要由电机、定量泵、安全阀、二位脉宽调制转阀、节流阀和液压缸等元件组成。

图6

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图6 基于流体脉宽调制的负载敏感系统的结构

1—电机；2—定量泵；3—安全阀；4—二位脉宽调制转阀；5—节流阀；6—液压缸。

Fig.6 Structure of load sensitive system based on fluid pulse width modulation

在该负载敏感系统中，节流阀的出口通过控制油口与二维脉宽调制转阀的控制腔连接，节流阀的入口连接到二维脉宽调制转阀的出口和右端的高压腔。控制腔的压力等于负载压力，高压腔的压力等于二维脉宽调制转阀的出口压力。系统通过感应负载压力的变化，改变控制腔压力、弹簧预紧力和高压腔压力之间的平衡关系，以此改变阀芯位移而调节占空比，从而控制流量。无论负载如何变化，系统都可以自动控制节流阀两端的压力，使其在一定范围内保持平衡。

当负载压力降低时，负载压力通过控制油口反馈到控制腔，控制腔内的压力下降，弹簧预紧力保持不变，此时控制腔压力和弹簧预紧力的总和小于高压腔压力，阀芯向左移动，导致占空比减小，流入负载口的流量减少，更多的流量流回油箱，直到控制腔压力、弹簧预紧力和高压腔压力再次达到平衡。

同样，当负载压力升高时，控制腔压力也升高，控制腔压力和弹簧预紧力的总和大于高压腔压力，推动阀芯向右移动，导致占空比增大，更多的流量进入负载口，直到控制腔压力、弹簧预紧力和高压腔压力再次达到平衡。

2 负载敏感系统能量损失分析

2.1　传统定量泵负载敏感系统能量损失分析

传统定量泵负载敏感系统的工作原理如图7所示。由于通过节流阀控制压差，系统不可避免地存在节流损失；多余的流量通过定差溢流阀流回油箱，导致溢流损失^[19]。因此，传统定量泵负载敏感系统的能量损失包括节流损失和溢流损失。

图7

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图7 传统定量泵负载敏感系统工作原理示意

Fig.7 Schematic of working principle of traditional proportioning pump load sensing system

定量泵输出功率N_p1可表示为：

N_{p 1} = p_{p 1} Q_{p 1}

(1)

式中：p_p1为定量泵输出压力，Q_p1为定量泵输出流量。

定量泵输出流量提供给负载，多余的流量则通过溢流阀流回油箱，则溢流的流量Q_y1可表示为：

Q_{y 1} = Q_{p 1} - Q_{l 1}

(2)

式中：Q_l1为负载流量。

流量通过溢流阀流回油箱，会产生功率损失，这部分功率损失N_y1可表示为：

N_{y 1} = p_{p 1} Q_{y 1}

(3)

在传统定量泵负载敏感系统中，由定差溢流阀作为负载敏感多路阀来维持节流阀两端的压力平衡，液压油流过节流阀时会产生固定的节流损失，则节流损失功率N_j1可表示为：

N_{j 1} = (p_{p 1} - p_{l 1}) Q_{l 1}

(4)

式中：p_l1为负载压力。

系统供给负载流量，负载消耗的功率N_l1即为有效功率，可表示为：

N_{l 1} = p_{l 1} Q_{l 1}

(5)

传统定量泵负载敏感系统的输出功率由溢流阀溢流损失功率、节流阀节流损失功率和负载消耗的功率组成，即：

N_{p 1} = N_{y 1} + N_{j 1} + N_{l 1}

(6)

因此，传统定量泵负载敏感系统的能耗主要包括溢流损失功率N_y1和节流损失功率N_j1，如图8所示。传统定量泵负载敏感系统的实际工作效率η₁可表示为：

η_{1} = \frac{N_{l 1}}{N_{p 1}} = \frac{N_{l 1}}{N_{l 1} + N_{y 1} + N_{j 1}}

(7)

图8

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图8 传统定量泵负载敏感系统能耗图

Fig.8 Energy consumption diagram of traditional proportioning pump load sensitive system

由此可知，传统定量泵负载敏感系统的溢流损失比较大，因此效率较低。

2.2　基于流体脉宽调制的负载敏感系统能量损失分析

本文提出的基于流体脉宽调制的负载敏感系统的动力源与传统定量泵负载敏感系统一样，都由定量泵输出流量，不同的是，前者通过二维脉宽调制转阀进行流量分配，只提供负载所需的流量，多余的流量流回油箱，实现主动溢流，极大减小了溢流损失。

流量经过二维脉宽调制转阀时也会有一部分节流损失，这部分节流损失的功率N_z可表示为：

N_{z} = Δ p_{2} Q_{p 2}

(8)

式中：Δp₂为二维脉宽调制转阀阀口的前后压差，Q_p2为定量泵输出流量。

和传统负载敏感系统一样，基于流体脉宽调制的负载敏感系统也存在固定压差节流损失，这部分的损失功率N_j2可表示为：

N_{j 2} = (p_{A} - p_{l 2}) Q_{l 2}

(9)

式中：p_A为二维脉宽调制转阀A口的压力，p_l2为负载压力，Q_l2为负载流量。

负载消耗的功率N_l2为：

N_{l 2} = p_{l 2} Q_{l 2}

(10)

基于流体脉宽调制的负载敏感系统的能耗主要包括二维脉宽调制转阀节流损失N_z和固定节流口的节流损失N_j2，忽略沿程压力损失和局部压力损失，系统的能耗如图9所示。系统的实际工作效率η₂可表示为：

η_{2} = \frac{N_{l 2}}{N_{l 2} + N_{y 2} + N_{z}}

(11)

图9

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图9 基于流体脉宽调制的负载敏感系统能耗图

Fig.9 Energy consumption diagram of load sensitive system based on fluid pulse width modulation

由此可知，基于流体脉宽调制的负载敏感系统没有溢流损失，比传统的系统节能。虽然其多了一部分二维脉宽调制转阀的节流损失，但是由于二维脉宽调制转阀特殊的阀口设计，这部分的节流损失是极小的，几乎可以忽略不计^[20]。

3 负载敏感系统能耗仿真分析

3.1　仿真模型

为了分析基于流体脉宽调制的负载敏感系统的节能效果，采用AMESim软件建立其仿真模型，如图10所示。用2个活塞腔模拟二维脉宽调制转阀的控制腔和高压腔，并在控制腔内安装弹簧；用质量块模拟阀芯，液压缸模拟负载，可变节流口接收信号后可模拟阀口面积的变化，溢流阀主要起保护作用。仿真模型的参数如表1所示。

图10

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图10 基于流体脉宽调制的负载敏感系统仿真模型

Fig.10 Simulation model of load sensitive system based on fluid pulse width modulation

表1 负载敏感系统仿真模型参数

Table 1 Parameters of simulation model of load sensitive system

参数	数值
电机转速/(r/min)	1 000
泵排量/(L/min)	12
阀芯质量/kg	5
活塞直径/mm	30
活塞杆直径/mm	24
弹簧预紧力/N	407
弹簧刚度/(N/mm)	5

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3.2　仿真结果

设定系统节流阀的开度为0.2（全开为1），调节液压缸外负载力：0—3.3 s时，外负载力为31 416 N；3.3—7.7 s时，外负载力为23 562 N；7.7—10 s时，外负载力39 270 N。液压缸外负载力的变化如图11所示，此时节流阀两端的压力变化如图12所示。

图11

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图11 液压缸外负载力变化曲线

Fig.11 Variation curve of external load force of hydraulic cylinder

图12

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图12 节流阀两端的压力变化曲线

Fig.12 Variation curves of pressure at both ends of throttle valve

由图12可知，泵出口压力随着负载压力的变化而变化，且两者的压差始终保持在1.6 MPa左右，刚好是设置的弹簧预紧力的压差大小，由此可以证明系统能够根据负载需求提供相应的压力，具有负载敏感功能。

利用AMESim后处理功能，计算得到定量泵输出功率和负载消耗的功率，并通过积分运算得出定量泵输出能量和负载消耗的能量，如图13所示。由图11和图13可知，定量泵输出功率和负载消耗的功率都随着负载的变化而变化，定量泵输出能量为1 254 kJ，负载消耗的能量为903 J，能量利用率为72%，可见系统的能量利用率较高。

图13

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图13 负载敏感系统的功率和能量变化曲线

Fig.13 Variation curves of power and energy of load sensitive system

4 实验验证

4.1　实验平台

为了验证基于流体脉宽调制的负载敏感系统的节能效果，搭建了实验平台，如图14所示。泵站为系统提供流量，二维脉宽调制转阀的阀芯由带有控制器的步进电机驱动，液压缸模拟负载，流量传感器测量流过节流阀的流量，压力传感器测量转阀和节流阀的出口压力，控制平台对整个实验系统进行监控，并收集、显示和处理实验数据。实验中，设置定量泵转速为250 r/min，泵出口流量为1.57 L/min，电机转速约为300 r/min。

图14

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图14 负载敏感系统节能实验平台

Fig.14 Platform for energy saving experiment of load sensitive system

4.2　实验结果

设置与仿真时相同的负载压力进行实验，采集压力传感器和流量传感器测得的相关数据，得到系统压力—流量实验曲线，如图15所示。由图可知：泵出口压力随着负载压力的变化而变化，两者压差基本恒定，约为1.35 MPa；负载流量基本不变，仅在负载压力变化的瞬间有较大起伏，但很快恢复到原值。实验结果证实了系统的负载敏感特性，系统具有负载敏感功能。实验值与仿真值之间存在一定误差，泵出口压力实验值比仿真值约小了0.15 MPa，负载流量实验值比仿真值约小了0.1 L/min，这是由于在实验过程中存在管道压力损失和流量泄漏。

图15

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图15 负载敏感系统压力—流量实验曲线

Fig.15 Pressure-flow experimental curves of load sensitive system

通过积分运算得出实验中定量泵输出能量和负载消耗的能量，其与仿真值的对比如图16所示。由图可知：定量泵输出能量的实验值为1 176 J，负载消耗能量的实验值为779 J，能量利用率为66%；定量泵输出能量和负载消耗能量的实验值均低于仿真值。这是由于在实验中存在一定的流量损失，降低了系统的能量利用率，但是系统能量利用率依然较高。

图16

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图16 泵输出能量和负载消耗能量实验值与仿真值的对比

Fig.16 Comparison between experimental and simulated values of pump output energy and load consumption energy

5 结论

本文提出了一种基于流体脉宽调制的负载敏感系统。将二维脉宽调制转阀作为变量机构，基于流体脉宽调制原理对流量进行控制和分配，使定量泵输出流量时能主动溢流，极大减少了溢流损失，提高了系统的节能效果。

建立了该负载敏感系统的AMESim仿真模型，对系统的负载敏感特性和能耗进行了仿真分析。仿真结果表明：泵出口压力随着负载压力的变化而变化，压差恒定在1.6 MPa左右，可见系统具有负载敏感功能；定量泵输出功率和负载消耗的功率都随着负载的变化而变化，系统能量利用率为72%。

搭建了负载敏感系统节能实验平台，实验结果表明：泵出口压力与负载压力的压差恒定在1.35 MPa左右，系统能量利用率为66%。实验结果与仿真结果基本一致，验证了系统的负载敏感特性，其节能效果较好。

采用二维脉宽调制转阀对定量泵进行流量控制，本质上是通过流体脉宽调制的方式对定量泵的流量进行二次分配，因此，将二维脉宽调制转阀进行结构优化，再与泵单元相结合，有望形成性能更好的液压动力系统。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

CHENG

， ZHANG

J H

， XU

， et al.

An electrohydraulic load sensing system based on flow/pressure switched control for mobile machinery

［J］. ISA Transactions， 2020， 96： 367-375.