節(jié)能技術(shù)在篦冷機(jī)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

  摘要：介紹了幾種在篦冷機(jī)液壓傳動(dòng)中應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與不足。重點(diǎn)對(duì)負(fù)載敏感控制技術(shù)的節(jié)能特點(diǎn)做了分析，闡述了機(jī)械式負(fù)載敏感技術(shù)及電子式負(fù)載敏感技術(shù)控制方法的不同，以及負(fù)載敏感控制原理應(yīng)用在篦冷機(jī)上的研究成果。

  1 引言

  在新型干法水泥生產(chǎn)線熟料冷卻設(shè)備中，配套的篦冷機(jī)占據(jù)了主導(dǎo)地位，傳動(dòng)裝置多采用液壓傳動(dòng)，相比于機(jī)械傳動(dòng)，其優(yōu)勢(shì)是功率密度大和可實(shí)現(xiàn)單泵多執(zhí)行器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，因而為近年國(guó)內(nèi)外公司推出的新型步進(jìn)式篦冷機(jī)所采用?；谄漭斔驮淼奶厥庑裕沟靡簤簣?zhí)行器數(shù)量較多，而且各個(gè)執(zhí)行器負(fù)載往往差別較大，造成的最大問(wèn)題是液壓系統(tǒng)效率偏低、能耗較大。因此研究節(jié)能的元件和系統(tǒng)集成方法，改善系統(tǒng)能量效率，始終是步進(jìn)式篦冷機(jī)的重要課題。本文將重點(diǎn)介紹篦冷機(jī)液壓系統(tǒng)中節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用。

  2 壓力控制節(jié)能技術(shù)

  定量泵系統(tǒng)提供恒定的流量，系統(tǒng)壓力是由作用于工作介質(zhì)上的載荷決定的。為限制系統(tǒng)的最高工作壓力，必須設(shè)置一個(gè)高壓溢流閥。當(dāng)系統(tǒng)工作壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，液壓泵幾乎全部流量將通過(guò)溢流閥流回油箱，因而導(dǎo)致極高的功率損失，并在系統(tǒng)中產(chǎn)生大量的熱損耗，致使系統(tǒng)效率極低（圖1）。由此而發(fā)展出壓力控制變量泵來(lái)改善這個(gè)問(wèn)題。

  篦冷機(jī)恒壓變量泵傳動(dòng)系統(tǒng)見(jiàn)圖2，兩油缸置于篦床的兩側(cè)，剛性連接，同步運(yùn)動(dòng)。恒壓泵最大工作壓力的控制是通過(guò)液壓泵內(nèi)部的補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)的，此類(lèi)補(bǔ)償器可在系統(tǒng)因負(fù)載超出額定范圍導(dǎo)致系統(tǒng)受到阻滯的狀態(tài)下，通過(guò)限壓變量活塞使泵卸荷，即液壓泵處于高壓運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，但排量近乎為零。此時(shí)液壓泵將進(jìn)入等待狀態(tài)，并保持較高的工作壓力，直至負(fù)載被克服或恢復(fù)操作閥的控制狀態(tài)。相對(duì)于定量泵系統(tǒng)，因溢流而損失的能量大大降低，如圖3。

  如圖3所示，該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是，液壓泵試圖在所有的工況條件下，均欲在限定的最高工作壓力附近實(shí)現(xiàn)排量的調(diào)節(jié)。但液壓系統(tǒng)還有這樣一類(lèi)工況，即期望獲得較大的流量而所要求的工作壓力卻很低，系統(tǒng)在此種工況下導(dǎo)致了較高的壓力降并在能量損失過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱。

  3 液壓-機(jī)械負(fù)載敏感控制節(jié)能技術(shù)

  20世紀(jì)80年代初，液壓-機(jī)械式負(fù)載敏感控制原理開(kāi)始用于主機(jī)，圖4給出篦冷機(jī)液壓-機(jī)械閉式負(fù)載敏感的控制回路原理，圖5給出了工作過(guò)程中的能量消耗分配情況。液壓-機(jī)械負(fù)載敏感控制是目前多執(zhí)行器并聯(lián)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)為降低節(jié)流損失普遍采用的技術(shù)。

  系統(tǒng)的工作原理是：通過(guò)壓力檢測(cè)管網(wǎng)和梭閥檢測(cè)出系統(tǒng)中最高的負(fù)載壓力，用這一壓力值作為變量泵的控制信號(hào)，改變液壓泵的輸出流量，使泵的出口壓力始終高于最高負(fù)載 壓 力 一 個(gè) 恒定的值，一般為2MPa。當(dāng)系統(tǒng)處于中位時(shí)，系統(tǒng)的壓力和流量都最小，消耗的能量也非常小。如果僅有一個(gè)液壓執(zhí)行器工作，則只存在和壓差補(bǔ)償器及控制閥口壓差相關(guān)的損失，能量損失也較小。簡(jiǎn)而言之，負(fù)載敏感系統(tǒng)是一種感受系統(tǒng)壓力—流量需求，且僅提供所需求的流量和壓力的液壓回路。

  一個(gè)通用的工程計(jì)算公式表明，驅(qū)動(dòng)液壓泵所需要的功率Hp（kW）等于系統(tǒng)壓力P (MPa)乘以系統(tǒng)流量Q (L/min)，然后除以常數(shù)600。Hp=P·Q/600 （1）

  引用上述公式，以篦冷機(jī)的實(shí)際工況為例，因?yàn)橐笠簤焊椎耐苿?dòng)速度可以調(diào)整，實(shí)際負(fù)載大小也有變化，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮工況系統(tǒng)最大負(fù)載20MPa，最大流量200L/min。用公式計(jì)算得到66.6kW的功率，根據(jù)前面的描述，這即是驅(qū)動(dòng)液壓泵的功率。

  通過(guò)這個(gè)公式可知：無(wú)論供油流量或是工作壓力發(fā)生變化，驅(qū)動(dòng)液壓泵的功率也隨之變化，這也是實(shí)際工況所要求的，如在某種情況下，油缸驅(qū)動(dòng)負(fù)載只需要10MPa，流量只需要100L/min。在這種工況下，負(fù)載敏感泵傳動(dòng)系統(tǒng)工作壓力大致為12MPa，流量大致為100L/min，計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)功率僅為20kW；而采用恒壓泵，系統(tǒng)壓 力 仍 為20MPa，系統(tǒng)流量100L/min，計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)功率33.3kW。相對(duì)定量泵比較而言，此種工況下，恒壓泵系統(tǒng)節(jié)能50%，負(fù)載敏感泵系統(tǒng)節(jié)能70%，其優(yōu)勢(shì)是不言而喻的。

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  當(dāng)系統(tǒng)有多個(gè)執(zhí)行器同時(shí)工作時(shí)，只有壓力最高一聯(lián)執(zhí)行器所對(duì)應(yīng)的節(jié)流損失較小，其他聯(lián)的損失則較大，壓力差別越大，引起的節(jié)流損失也越大，這也是負(fù)載敏感技術(shù)最大的不足。此外存在的問(wèn)題還有：用機(jī)械式比例減壓閥控制液控多路閥、采用機(jī)械式控制變量泵和機(jī)械式壓力檢測(cè)管網(wǎng)，遠(yuǎn)距離控制，管路復(fù)雜；管道長(zhǎng)度、檢測(cè)管網(wǎng)引起壓力信號(hào)的滯后，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，容易產(chǎn)生振動(dòng)；壓力檢測(cè)管網(wǎng)復(fù)雜，造成機(jī)器整體布局困難；為使各執(zhí)行器速度互不影響，要附加壓差補(bǔ)償閥和梭閥，造成高的調(diào)節(jié)力和大的壓力損失，系統(tǒng)性能受環(huán)境變化影響大。為了改善這一系統(tǒng)的性能，采用電子比例閥代替機(jī)械式手控減壓閥的負(fù)載敏感技術(shù)，可省掉先導(dǎo)閥的液壓控制管網(wǎng)，但變量泵仍采用液壓-機(jī)械控制方式，獲得了與機(jī)械式負(fù)載敏感控制類(lèi)似的效果。

  4 電子負(fù)載敏感控制節(jié)能技術(shù)

  為克服液壓-機(jī)械負(fù)載敏感技術(shù)的不足，20世紀(jì)90年代初，德國(guó)研究者率先提出用電子閉環(huán)高性能比例閥與壓力電閉環(huán)比例泵相結(jié)合的電液負(fù)載敏感控制原理。與液壓-機(jī)械方式相比，電液負(fù)載敏感技術(shù)用壓力傳感器取代復(fù)雜的壓力檢測(cè)管網(wǎng)，消除了檢測(cè)環(huán)節(jié)的滯后，改善了系統(tǒng)的響應(yīng)特性；用電閉環(huán)比例閥，通過(guò)閥口流量計(jì)算公式控制閥的流量，無(wú)需壓差補(bǔ)償器，降低了作用在每一聯(lián)控制閥的工作壓差，提高了系統(tǒng)能量利用率，同時(shí)增加了系統(tǒng)的柔性，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，而系統(tǒng)的能量利用情況與圖5中液壓-機(jī)械控制方式相同。

  圖6是步進(jìn)式篦冷機(jī)電子式負(fù)載敏感控制系統(tǒng)原理，步進(jìn)式篦冷機(jī)的特點(diǎn)是篦床分列運(yùn)動(dòng)，圖示篦床為3列，每列由兩缸同步驅(qū)動(dòng)，由比例換向閥控制方向和速度。3列篦床由一臺(tái)電子式負(fù)載敏感泵提供動(dòng)力源，該泵序號(hào)1.1為比例閥，序號(hào)1.2為電感式位移傳感器，用電液比例閥控制泵的流量和壓力，通過(guò)改變泵的斜盤(pán)傾角來(lái)控制其流量。泵的壓力和變數(shù)機(jī)構(gòu)的位置，通過(guò)壓力傳感器和感應(yīng)式位移傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，輸入放大板進(jìn)行閉環(huán)控制。從安全角度講，還裝有溢流閥，保護(hù)工作壓力不超過(guò)最大允許壓力。

  高效、節(jié)能的特點(diǎn)使負(fù)載敏感控制成為所有傳動(dòng)及控制系統(tǒng)的理想設(shè)計(jì)方案。對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，它能夠與電子操縱系統(tǒng)聯(lián)合工作，精確地控制和提供所需的液壓動(dòng)力?？梢灶A(yù)見(jiàn)，負(fù)載敏感系統(tǒng)可用于協(xié)同電子操縱系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜液壓系統(tǒng)精確、可調(diào)的能量控制。各種類(lèi)型的傳感器可為微處理器提供反饋信息，微處理器進(jìn)行偏差比較及處理后輸出控制電流給比例電磁控制閥，其控制作用使得負(fù)載敏感變量泵根據(jù)執(zhí)行器的需求按比例提供準(zhǔn)確的壓力和流量。

  5 結(jié)語(yǔ)

  近年來(lái)，篦冷機(jī)液壓傳動(dòng)技術(shù)獲得了很大發(fā)展，系統(tǒng)的能量效率和控制特性獲得了很大的提高，伴隨著液壓技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，為適應(yīng)行業(yè)節(jié)能降耗的要求，我們不斷將新型節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于篦冷機(jī)液壓系統(tǒng)，并獲得了很大的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)然，為滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)和低碳經(jīng)濟(jì)的需求，進(jìn)一步提高篦冷機(jī)液壓系統(tǒng)能量效率是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

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