液压控制管理系统具有功率密度高、动力分配灵活的优势，工程机械普遍液压多执行器系统分配动力和控制执行器动作。然而，液压系统存在能效低的问题，导致非常严重的能量浪费和废气排放。随着中国“双碳”目标的推进，电动化成为工程机械的最新发展趋势。目前，纯电动工程机械仅采用电动机和电池代替内燃机。受低能效液压控制管理系统限制，现存纯电动工程机械存在作业时长短、成本高的问题，严重制约了工程机械电动化的推广和应用。考虑到短期内无法突破电池储能技术，开发高能效、高功率密度的液压多执行器系统是工程机械实现电动化的关键所在。
为此，本文提出了开闭融合泵阀协同驱动多执行器系统，通过分布式泵控系统控制执行器运动，集中式阀控系统补偿负载功率，有效集成了闭式泵控技术高能效和集中式阀控技术高功率的优点，旨在为我国自主研发纯电动工程机械提供新的电液驱动与传动方法。
根据创新系统原理，在试验室环境下构建了开闭融合泵阀协同驱动系统原理试验台。泵控单元由伺服电机驱动定量泵/马达组成，伺服电机选用效率高、过载能力强的永磁同步电机(PMSM)，同时定量泵/马达选用柱塞液压泵/马达。阀控单元采用主电机驱动电比例泵作为动力源，比例阀作为液压控制阀。试验过程中，使用三通比例减压阀和电机械执行器分别为两个测试液压缸加载，总系统采用德国dSPACE公司生产的硬件在环控制管理系统MicroAutoBox进行信号采集和控制。通过Sick拉线式位移传感器采集液压缸的工作速度和位移，Atos压力传感器采集系统压力，并通过Yokogawa功率分析采集伺服电机和主电机的功率。
为了充分研究所提系统的工作特性，利用上述试验平台，首先研究了单执行的四象限工作特性。在此基础上对双执行器复合动作特性进行研究，以传统负载敏感系统为基准，全面试验研究了创新系统在不同速度和负载下的运行特性和能量特性。
采用上述试验平台分别对单执行器动作和双执行器复合动作做试验研究，试验根据结果得出，在单执行器动作过程中，采用所设计四象限控制策略对执行器流量和压力进行复合调控，有效改善了泵控单元和阀控单元的协同控制特性，并且所提系统在不同速度控制指令下均能够保持平稳运行，稳态速度控制误差仅约0.7 mm/s。在双执行器复合动作过程中，通过泵控单元对轻载执行器速度和非驱动腔压力进行复合调控，能够控制重载液压缸和轻载液压缸的驱动腔压力相等，从而有效消除了载荷差异造成的节流损失。与传统负载敏感系统相比，所提系统节流损失和系统能耗分别降低了90.4%−94.4%和45.9%−50.0%，同时提升系统效率26.6%−29.8%。此外，泵控单元的输出能量仅占系统总能耗的22.8%，其余均由集中式阀控系统提供。与传统分布式泵控系统相比，所提系统装机功率降低24.9%。
面对工程机械电动化对高能效电液控制管理系统的需求，本文提出一种开闭融合泵阀协同驱动系统。结合了阀控系统高功率密度和泵控系统高能效的优点，可以有明显效果地降低系统节流损失。针对单执行器动作和多执行器动作分别设计四象限控制策略和极低压损控制策略。并开展一系列试验验证了所提方案和控制策略的有效性与可行性。主要结论如下：
（1）采用四象限控制策略控制单执行器动作时，所提系统在不同象限均能够按照设定速度平稳运行，并且通过压力流量复合控制方式，有效提升了泵控系统和阀控系统协同控制特性。
（2）采用极低压损控制策略控制多执行器复合动作时，通过泵控单元控制各执行器驱动腔压力相等，所提系统能够将原本载荷差异造成的节流损失通过泵控单元直接转化利用。与传统负载敏感系统相比，所提系统低节流损失和能耗分别降低约为90.4%-94.4%和45.9%-50.0%。
（3）采用闭式泵控系统控制执行器运动，阀控系统补偿负载功率和不对称流量。与传统分布式泵控系统相比，所提系统装机功率降低24.9%，大大降低系统装机功率和成本。
本研究所提出的开闭融合泵阀协同驱动多执行器系统可大范围的应用于纯电动工程机械或其他多执行器重型装备。
权龙，博士，教授，博士生导师，中国机械工程学会流体传动与控制分会常务委员，中国机械工程学会高级会员，享受国务院特殊津贴专家。研究方向主要为电液控制元件及系统基础理论、关键基础及其在机电装备中的创新应用。
近年来主持国家自然科学基金重点项目1项、主持和完成国家自然科学基金面上项目6项，参加国家自然科学基金重点项目1项，负责国家科技支撑计划、重点研发计划课题3项，与企业合作一同承担国家国际合作重点项目1项，合作承担国家重大科学技术成果转化项目2项；作为首席专家，承担山西省煤机重点攻关项目1项、参加1项，是山西省科技重大专项“矿山应急救援生命通道建造技术与装备”项目负责人；参加了国家863重点项目“新型混合动力工程机械关键技术及系统开发与示范应用”的研究工作。主持并完成教育部博士点基金，山西省科技攻关等省部级项目及与企业合作的研究课题30余项；发表论文200余篇，其中SCI、EI收录150多篇，获国家科学技术进步二等奖1项，省科学技术进步一等奖1，省科学技术进步二等奖6项，申请发明专利160余项，已获授权发明专利140余项。
梁涛，博士，太原理工大学电气工程博士后，参与国家重点研发计划项目课题、国家自然科学基金面上项目多项。总计发表期刊论文9篇，其中SCI/EI收录期刊论文5篇，授权美国专利1件，国家发明专利5件。获中国国际大学生创新大赛全国金奖1项、银奖2项、铜奖6项。主要研究方向为电动化工程机械，旨在解决电池容量不够、制约工程机械电动化发展的重大难题。
[1]王波,赵星宇,权龙,等.基于主动压差调控的变增益流量控制原理[J/OL].机械工程学报,1-9[2024-04-02].
[2]赵星宇,权龙,葛磊,等.串联阀芯阀口独立控制多路阀设计及特性研究[J/OL].机械工程学报,1-13[2024-04-02].
[3]权龙,闫志鑫,章硕峰,等.非道路移动装备高能效电驱液传技术新进展[J].机械工程学报,2023,59(20):385-400.
[4]崔金元,权龙,刘志奇,等.电液混合驱动大惯量回转系统特性与能效分析[J].农业机械学报,2023,54(10):450-458.
[5]王翔宇,郝云晓,权龙,等.电-液双源混驱装载机举升系统特性研究[J].机械工程学报,2023,59(07):41-51.
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