1、2019/1/30,基于CPR的液压二次调节系统分析及发展概况姜继海 教授 （哈尔滨工业大学，黑龙江，哈尔滨，150001）,2019/1/30,1. 基础,液压传动：（1）液压传动是以液体作为工作介质来传递动力的。（2）液压传动是以液体在密封容腔（液压泵的出口到液压缸/液压马达）内所形成的压力能来传递动力和运动的。（3）液压传动中的工作介质是在受控制、受调节的状态下进行工作的。,2019/1/30,1. 基础,液压传动系统中的能量转换和传递情况如下图所示。这种能量的转换要能够满足生产中的需要。,2019/1/30,1. 基础,液压系统中的执行元件：,液压缸；直线运动液压马达。回转运动,201
2、9/1/30,1. 基础,液压缸：,液压缸输出的参数；力，F，速度，v。液压缸输出的功率；P= F v 。,2019/1/30,1. 基础,液压马达：,液压马达输出的参数；转矩，T，转速， 。=2 n液压马达输出的功率；P= T 。,2019/1/30,1. 基础,液压系统中的执行元件控制：,液压缸；位置，速度，力等液压马达。位置，转速，转矩等,2019/1/30,1. 基础,液压缸的速度控制：,在不考虑泄漏的情况下，液压缸的运动速度由进入（或流出）液压缸的流量q及其有效作用面积A决定，即,2019/1/30,1. 基础,液压马达的速度控制：,同样，液压马达的转速n由进入马达的流量q和马达的单
3、转排量V决定，即,2019/1/30,1. 基础,液压系统的调速方式：,一般来说，改变液压缸有效作用面积是困难的，所以常常通过改变流量q或排量V来调节液压执行元件速度，并且以此为基点可构成不同方式的调速回路。改变流量q有两种办法，其一是用流量控制阀调节，其二是用变量泵或变量马达调节。综合上述分析，按改变流量或排量的方法不同，可将液压调速回路分为三类：节流调速回路、容积调速回路和容积节流调速回路。,2019/1/30,1. 基础,进口节流调速回路（定压）：,2019/1/30,1. 基础,进口节流调速回路功率及效率特性曲线：,2019/1/30,1. 基础,出口节流调速回路：,2019/1/30
4、,1. 基础,旁路节流调速回路（变压）：,2019/1/30,1. 基础,调速阀式节流调速回路速度-负载特性：,2019/1/30,1. 基础,液压系统的调速方式：,节流调速回路由于存在着节流损失和溢流损失，回路效率低，发热量大，因此，多用于小功率调速系统。在大功率的调速系统中，多采用回路效率高的容积式调速回路。容积式调速回路是通过改变变量泵或变量马达的排量来调节液压执行机构的运动速度。在容积调速回路中，液压泵输出的液压油全部直接进入液压缸或液压马达，无溢流损失和节流损失。而且，液压泵的工作压力随负载的变化而变化，因此，这种调速回路效率高，发热量少。容积调速回路多用于工程机械、矿山机械、农业机
5、械和大型机床等大功率的调速系统中。,2019/1/30,1. 基础,泵-缸式容积调速回路（开式）：,2019/1/30,1. 基础,泵-缸式容积调速回路（闭式）：,2019/1/30,1. 基础,变量泵-定量马达缸式容积调速回路（闭式）：,2019/1/30,1. 基础,变量泵-定量马达容积调速回路功率及效率特性曲线：,2019/1/30,1. 基础,定量泵-变量马达缸式容积调速回路（闭式）：,2019/1/30,1. 基础,定量泵-变量马达容积调速回路功率及效率特性曲线：,2019/1/30,1. 基础,变量泵-变量马达缸式容积调速回路（闭式）：,2019/1/30,1. 基础,变量泵-变量
6、马达容积调速回路功率及效率特性曲线：,2019/1/30,1. 基础,变量泵-变量马达容积调速方法：分成低速和高速两段进行。在低速段，将变量马达2的排量调到最大，通过调节变量泵的排量来改变马达的转速。所以，这一速度段为变量泵定量马达式容积调速回路的工作特性。在高速段，是将变量泵的排量调至最大后，改变液压马达的排量来调节马达转速。所以，这一速度段为定量泵变量马达式容积调速回路的工作特性。这种回路的调速范围是变量泵的调节范围Rcp与变量马达调节范围RcM之积。因此，调速范围大（可达100）。,2019/1/30,1. 基础,容积-节流调速回路：限压式变量泵调速阀,2019/1/30,2. 工程机械
7、特点,（1）多负载（2）负载变化大,2019/1/30,2. 工程机械液压系统适用范围,液压挖掘机是一个很大家族，目前向小型化和大型化两个方向发展。最小液压挖掘机重量仅380kg左右，斗容量0.008m3（见图9.1）；最大挖掘机重量800t左右，斗容量42m3（见图9.2）。 最小的液压挖掘机PC01-1。 PC01-1主要技术数据： * 工作重量：380kg； * 最大功率：2.6kW； * 铲斗容量：0.008 m3。,图9.1 最小的液压挖掘机-PC01-1,2019/1/30,2. 工程机械液压系统适用范围,图9.1 最小的液压挖掘机-PC01-1,RH400主要技术数据： * 工作
8、重量：980T； * 最大功率：3360kW（4570马力）/1800rpm； * 铲斗容量：50m3（载荷80吨，堆装：SAE 2:1）。,图9.2 最大的液压挖掘机-RH400,2019/1/30,2. 工程机械液压系统适用范围,2019/1/30,2. 工程机械液压系统适用范围,最大的铲斗式挖掘机-太原重工WK-55矿用挖掘机（见图9.5）是机械式的。这台WK55型矿用挖掘机高达22米，相当于7层楼高，总重量达到1400吨，相当于70节火车皮的总重量，斗容量56立方米，年产量可达1200万立方米。可适用三千万吨级的大型露天矿、铁矿、有色金属矿的剥离和采装作业。,2019/1/30,3.
9、工程机械的液压系统,液压挖掘机是一种重要的通用型工程机械，可以实现挖掘、平地、打桩等多种施工作业，因此广泛应用于建设施工中。据有关资料报道，世界上各种土方工程约有65%70%的土方量由液压挖掘机来完成。液压挖掘机以其出力大的优点在工程施工中得到了广泛应用，同时也存在着能耗差、能量利用率低的缺点，据统计，传统液压挖掘机的能量总利用率仅为15%20%左右。随着液压挖掘机的大量使用，这些缺点越发明显地暴露出来。巨大的能量损失使得液压挖掘机的节能化具有非常可观的经济效益和非常重要的社会效益，所以，液压挖掘机的能耗问题亟待解决，液压挖掘机的节能研究日益紧迫。,2019/1/30,3. 工程机械的液压系统
10、,液压挖掘机的液压系统中除了机械摩擦和泄漏造成的能量损失外，还存在着如下损失： （1）机械摩擦损失、泄漏损失 此类损失所占比例与所选元件本身的机械效率、容积效率、介质粘度、回路密封性以及系统组成的复杂程度有关，可以通过液压元件及密封件的改进和加工精度的提高而减小； （2）溢流损失、节流损失 此类损失所占比例与回路和控制形式有关，可以通过引入二次调节技术而降低此类损失； （3）输入和输出功率不匹配的无功损失 此类损失所占比例与控制策略有关可以通过引入负载敏感控制技术、正流量控制、负流量控制技术等来降低此类损失。 （4）管路中的沿程损失和局部损失 此类损失与管路的结构特点有关，可以通过减少管径的突
11、变，采用液压元件的集成化来减少此类损失。,挖掘机技术发展趋势,高压化和高可靠性,节能技术为重点,重视操作性能,与自动控制、电脑技术、总线技术结合,3. 工程机械的液压系统,3. 工程机械的液压系统,压力耦联系统即是基于CPR（Common Pressure Rail） 的二次调节系统，相对于流量耦联系统，基于CPR系统的二次调节系统可驱动多个互不相关的负载，并且只需按负载的平均功率之和设计动力源，所以在工业上得到了更广泛的应用。,4. 基于CPR的液压二次调节系统,液驱混合动力挖掘机系统,CPR网络,减少泵源（单泵）,CLG200-3挖掘机液压传动系统原理,基于CPR系统的全液压混合动力挖掘机
12、原理示意图,在CPR系统中，常选用液压蓄能器作为储能元件。主要原因：(1)功率密度高(2)循环效率高(3)长时间储能以及全充全放能力强等特点，然而，采用液压蓄能器的最大优势在于它以物理方式与CPR系统进行能量传递，而不需要将液压能转化为其他形式能，所以效率较高。但是，液压蓄能器的劣势在于它的能量密度较低，如果要存储较多的能量就需要多个蓄能器，这使得液压蓄能器在行走工程机械上的应用遇到了困难。 解决方案：(1)开发新型液压蓄能器(2)结合多种储能元件,文献报道采用纤维缠绕技术制作蓄能器壳体使其壳体重量只有传统液压蓄能器的一半甚至十分之一，能够较大的提高其能量密度，但是，这种蓄能器还未达到工程化应
13、用阶段。,5 储能元件的选择及发展,5 储能元件的选择及发展,常用的储能元件有蓄电池，超级电容，飞轮和液压蓄能器等，它们的功率密度和能量密度如图所示。,6 CPR系统油源压力的控制,CPR系统采用恒压变量泵和液压蓄能器组成CPR系统的高压管路，在保证恒压油源压力稳定的条件下，只需控制变量泵/马达的排量或者液压变压器的变压比即可完成对负载简单而精确的控制。但是，CPR系统的压力并不是恒定不变的，造成压力波动的原因主要有两点：（1） 一是由于恒压变量泵自身特性所决定的；（2） 在回收能量工况下，负载向恒压网络反馈能量造成的恒压网络压力 升高。 解决方案：对于（1）可选用排量更大的恒压变量泵来保证系
14、统压力的恒定，但是不满足经济性；可采取流量补偿的办法； 对于（2）通过在液压蓄能器前串接液压变压器的方法实现系统压力在小范围内波动。,综上所述，基于CPR系统的液压二次调节系统具有结构简单，可回收能量的优点，而且可以方便的对并入网络中的多个负载进行控制，负载之间干扰小，所以节能效果明显，控制效果好。鉴于CPR系统在汽车领域的成功应用，CPR系统将为更多的工业领域提供节能环保的解决方案，其中由于以液压传动为主要传动方式的工程机械领域涵盖的设备种类众多，能源消耗非常大，所以研发采用CPR系统的工程机械领域将是重要的研究方向。当前制约CPR系统发展的主要问题集中在二次元件的性能以及先进控制技术在CPR系统的应用。但是，在液压系统朝着高效率，清洁化以及模块化发展的当今社会，伴随着液压元件技术的不断前进，基于CPR系统的液压二次调节系统将会有广阔的应用前景。,谢谢!,
