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摘要：提出了一种具有势能回收特性的叉车升降电液驱动系统，利用Matlab/Simulink软件对叉车升降电液驱动系统的提升阶段、下降阶段及整个工作循环系统进行建模及动态特性仿真研究，并分析不同负载时叉车升降电液驱动系统的循环效率。
关键词：电液叉车;升降系统;Simulink模型;能效回收
叉车作为仓库车间、港口作业、配送中心等场合主要的短途运输工具，其举升机构可实现货物运输、摆放及装卸等，又因操作简单方便、噪声小及故障率低等特点在各类工业领域被广泛应[1]。针对举升机构系统，国内专家学者们展开了研究。王连志等[2]针对宽体自卸车的举升系统，采用MATLAB/Simulink和AMESim软件进行联合仿真研究，分析举升角度、压力等参数对举升过程的影响。仲崇峰[3]通过对现有的机械式搬运器举升机构的研究，详细阐述了其举升机构的特点及性能。段馨蕊[4]通过对专用车举升机构的举升力、干涉角等参数进行仿真分析和优化设计，为举升机构主要部位的结构参数优化提供参考。张义壮等[5]对电动叉车举升机构的货叉、门架及叉架结构进行了最大应力值及变形量计算，完成了刚度和强度的理论校核。
货叉升降机构几乎都是高功率且每天连续工作，货叉升降工况是叉车工作循环中必不可缺的环节，无论带载或空载，货叉升降的安全性和操控性能非常重要，特别是速度的控制。目前，市场上普遍的燃油叉车绝大部分依然使用传统的阀控方式来控制货叉速度，但阀控方式存在很多问题。因此，提出了一种具有升降势能回收特性的叉车电液驱动系统，采用具有体积小、功率大、过载能力强、效率高、可靠性高等优点的永磁同步电机和双向液压泵/马达作为能量转换装置代替传统叉车中的伺服阀驱动控制，并建立了叉车整个工作循环的综合仿真模型，研究其系统的动态特性。
1 工作原理
图1所示为叉车电液驱动系统工作原理图，主要由油箱、永磁同步电动机、液压泵/马达、卸压阀、换向阀、液压缸、电机控制器、蓄电池等元件组成。在提升过程中，作为液压泵元件，液压泵转速直接由电机控制，液压泵旋转将油箱中的油输送到液压提升回路;下降过程中，作为液压马达元件，外界负载所有的重力势能通过换向阀和液压马达，带动电机旋转而发电，产生的电动势经过整流滤波转化为直流电，储存在蓄电池中，实现能量回收。叉车升降电液驱动系统采用势能回收特性后，升降工作模式具有传统的节流控制模式和液压马达的发电机控制模式。系统中换向阀的作用是使负载保持静止状态，防止叉车臂意外运动，并将油引导至正确的方向。
2 数学模型
叉车电液驱动系统是一种混合循环系统，为了得到升降过程中液压泵/马达的速度、转矩，液压缸的压力、位置，建立液压缸和液压泵/马达的数学模型。
2.1 液压缸模型
基于动态压力方程和活塞运动方程，建立液压缸的数学模型。根据流量连续性方程可得：
式中，体积模量Be=1.4×109Pa;ps为系统压力，Pa;V为液压缸容积，m3;Qin为输入流量，m3/s。
式中，V0为液压缸初始体积，m3;Sp为活塞横截面积，m2;xp为活塞位移，m。
活塞的运动方程由牛顿第二定律推导可得：
式中，m为总质量，kg;mL为有效负载质量，kg;mp为活塞质量，kg;Ff为摩擦力，N;FL为负载产生的力，N;ap为活塞加速度，m/s2。
2.2 液压泵/马达模型
液压泵的流量方程如下：
式中，Q为液压泵输出流量，m3/s;ω为旋转角速度，rad/s;Vt为液压泵理论体积排量，m3/rev;ηv为容积效率，等于0.95。
液壓泵的力矩平衡方程：
式中，Jp为液压泵的总等效惯量，kg·m2;Tm为驱动扭矩，N·m;Tp为压缩流体所需的理论扭矩，N·m;Tf为摩擦扭矩，N·m。
压缩流体的理论扭矩如下：
式中，pr为油箱回油压力，pa。
3 建立Matlab/Simulink仿真模型及结果分析
仿真设置永磁同步电动机（PMSM）驱动功率为10kW，外负载为920kg。
3.1 提升运动模型
基于每个组件的建模，建立了一个用于提升运动的系统，如图2所示。
在提升过程中，分别给定一个减速、匀速和加速周期信号，PMSM模块根据设置信号运行。液压泵和电动机之间通过机械联轴器传递扭矩。液压泵将一定量的油输送到液压缸，使货叉和外负载以设置速度移动，从而模拟了提升过程中负载的运动。
3.2 下降运动模型
图3显示了负载下降过程中的仿真模型。
模拟负载下降运动仿真主要从液压缸无杆腔压力的波动和货叉下降速度的平稳性进行分析，从而了解下降阶段系统的操控性能，采用永磁同步电机和变频器确保了负载下降的速度与设置速度一致。
3.3 升降运动组合模型
上面的两个模型可以组合起来构成一个完整周期的升降系统运动模型。图4显示了升降运动循环周期的模型。
3.4 结果分析
图5为液压泵/马达转速、扭矩和液压缸压力、位置的动态仿真结果。
由图5可知，在0～8.5s液压缸活塞处于举升阶段，液压泵供油驱动液压缸活塞上升至3.46m，初始阶段由于阀芯由闭合到开启，液压缸无杆腔压力产生一定波动;在8.5～17s液压缸活塞处于下降阶段，通过控制液压马达旋转进而控制液压缸活塞下降至0.48m;在阀芯开启瞬间，液压缸无杆腔压力发生微小范围降低及波动。
综上所述，通过液压马达发电机控制负载下降速度的方式，负载下降速度和无杆腔压力存在较小波动，但波动幅值小，对系统的操控性能基本没有影响。
3.5 总循环效率分析
ηcycle为总循环效率;ηup为提升效率;ηsc为蓄电池放电效率;ηinv为控制器转换效率;ηdown为下降效率。
负载为0kg时，循环效率最小为16%。负载为920kg时，循环效率最大为46%。
4结论
提出了一种具有势能回收特性的叉车电液升降驱动系统，搭建了叉车提升、下降和整个系统的Matlab/Simulink仿真模型，研究了该系统的动态特性及循环效率。
参考文献：
[1]聂波，张进.电液提升装置能量回收系统设计及分析[J].中国工程机械学报，2019， 17（05）：455-460.
[2]王连志，赵北，刘龙，等.基于AMESim和MATLAB/Simulink联合的举升系统仿真分析[J].工程机械，2021，52（03）：73-77+10.
[3]仲崇峰.机械式停车设备搬运器举升机构研究[J].起重运输机械，2021（02）：33-36.
[4]段馨蕊.专用车举升机构的仿真与优化设计[J].科技风，2011（16）：90.
[5]张义壮，冯川.电动叉车举升机构设计及有限元分析[J].机械研究与应用，2020，33（03）：48-51.
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51875151）
作者简介：于平（1970— ），男，本科，高工，九局机械设备专家，毕业于上海铁道学院，中铁九局六公司。
系统的总循环效率计算如下所示：
关键词：电液叉车;升降系统;Simulink模型;能效回收
叉车作为仓库车间、港口作业、配送中心等场合主要的短途运输工具，其举升机构可实现货物运输、摆放及装卸等，又因操作简单方便、噪声小及故障率低等特点在各类工业领域被广泛应[1]。针对举升机构系统，国内专家学者们展开了研究。王连志等[2]针对宽体自卸车的举升系统，采用MATLAB/Simulink和AMESim软件进行联合仿真研究，分析举升角度、压力等参数对举升过程的影响。仲崇峰[3]通过对现有的机械式搬运器举升机构的研究，详细阐述了其举升机构的特点及性能。段馨蕊[4]通过对专用车举升机构的举升力、干涉角等参数进行仿真分析和优化设计，为举升机构主要部位的结构参数优化提供参考。张义壮等[5]对电动叉车举升机构的货叉、门架及叉架结构进行了最大应力值及变形量计算，完成了刚度和强度的理论校核。
货叉升降机构几乎都是高功率且每天连续工作，货叉升降工况是叉车工作循环中必不可缺的环节，无论带载或空载，货叉升降的安全性和操控性能非常重要，特别是速度的控制。目前，市场上普遍的燃油叉车绝大部分依然使用传统的阀控方式来控制货叉速度，但阀控方式存在很多问题。因此，提出了一种具有升降势能回收特性的叉车电液驱动系统，采用具有体积小、功率大、过载能力强、效率高、可靠性高等优点的永磁同步电机和双向液压泵/马达作为能量转换装置代替传统叉车中的伺服阀驱动控制，并建立了叉车整个工作循环的综合仿真模型，研究其系统的动态特性。
1 工作原理
图1所示为叉车电液驱动系统工作原理图，主要由油箱、永磁同步电动机、液压泵/马达、卸压阀、换向阀、液压缸、电机控制器、蓄电池等元件组成。在提升过程中，作为液压泵元件，液压泵转速直接由电机控制，液压泵旋转将油箱中的油输送到液压提升回路;下降过程中，作为液压马达元件，外界负载所有的重力势能通过换向阀和液压马达，带动电机旋转而发电，产生的电动势经过整流滤波转化为直流电，储存在蓄电池中，实现能量回收。叉车升降电液驱动系统采用势能回收特性后，升降工作模式具有传统的节流控制模式和液压马达的发电机控制模式。系统中换向阀的作用是使负载保持静止状态，防止叉车臂意外运动，并将油引导至正确的方向。
2 数学模型
叉车电液驱动系统是一种混合循环系统，为了得到升降过程中液压泵/马达的速度、转矩，液压缸的压力、位置，建立液压缸和液压泵/马达的数学模型。
2.1 液压缸模型
基于动态压力方程和活塞运动方程，建立液压缸的数学模型。根据流量连续性方程可得：
式中，体积模量Be=1.4×109Pa;ps为系统压力，Pa;V为液压缸容积，m3;Qin为输入流量，m3/s。
式中，V0为液压缸初始体积，m3;Sp为活塞横截面积，m2;xp为活塞位移，m。
活塞的运动方程由牛顿第二定律推导可得：
式中，m为总质量，kg;mL为有效负载质量，kg;mp为活塞质量，kg;Ff为摩擦力，N;FL为负载产生的力，N;ap为活塞加速度，m/s2。
2.2 液压泵/马达模型
液压泵的流量方程如下：
式中，Q为液压泵输出流量，m3/s;ω为旋转角速度，rad/s;Vt为液压泵理论体积排量，m3/rev;ηv为容积效率，等于0.95。
液壓泵的力矩平衡方程：
式中，Jp为液压泵的总等效惯量，kg·m2;Tm为驱动扭矩，N·m;Tp为压缩流体所需的理论扭矩，N·m;Tf为摩擦扭矩，N·m。
压缩流体的理论扭矩如下：
式中，pr为油箱回油压力，pa。
3 建立Matlab/Simulink仿真模型及结果分析
仿真设置永磁同步电动机（PMSM）驱动功率为10kW，外负载为920kg。
3.1 提升运动模型
基于每个组件的建模，建立了一个用于提升运动的系统，如图2所示。
在提升过程中，分别给定一个减速、匀速和加速周期信号，PMSM模块根据设置信号运行。液压泵和电动机之间通过机械联轴器传递扭矩。液压泵将一定量的油输送到液压缸，使货叉和外负载以设置速度移动，从而模拟了提升过程中负载的运动。
3.2 下降运动模型
图3显示了负载下降过程中的仿真模型。
模拟负载下降运动仿真主要从液压缸无杆腔压力的波动和货叉下降速度的平稳性进行分析，从而了解下降阶段系统的操控性能，采用永磁同步电机和变频器确保了负载下降的速度与设置速度一致。
3.3 升降运动组合模型
上面的两个模型可以组合起来构成一个完整周期的升降系统运动模型。图4显示了升降运动循环周期的模型。
3.4 结果分析
图5为液压泵/马达转速、扭矩和液压缸压力、位置的动态仿真结果。
由图5可知，在0～8.5s液压缸活塞处于举升阶段，液压泵供油驱动液压缸活塞上升至3.46m，初始阶段由于阀芯由闭合到开启，液压缸无杆腔压力产生一定波动;在8.5～17s液压缸活塞处于下降阶段，通过控制液压马达旋转进而控制液压缸活塞下降至0.48m;在阀芯开启瞬间，液压缸无杆腔压力发生微小范围降低及波动。
综上所述，通过液压马达发电机控制负载下降速度的方式，负载下降速度和无杆腔压力存在较小波动，但波动幅值小，对系统的操控性能基本没有影响。
3.5 总循环效率分析
ηcycle为总循环效率;ηup为提升效率;ηsc为蓄电池放电效率;ηinv为控制器转换效率;ηdown为下降效率。
负载为0kg时，循环效率最小为16%。负载为920kg时，循环效率最大为46%。
4结论
提出了一种具有势能回收特性的叉车电液升降驱动系统，搭建了叉车提升、下降和整个系统的Matlab/Simulink仿真模型，研究了该系统的动态特性及循环效率。
参考文献：
[1]聂波，张进.电液提升装置能量回收系统设计及分析[J].中国工程机械学报，2019， 17（05）：455-460.
[2]王连志，赵北，刘龙，等.基于AMESim和MATLAB/Simulink联合的举升系统仿真分析[J].工程机械，2021，52（03）：73-77+10.
[3]仲崇峰.机械式停车设备搬运器举升机构研究[J].起重运输机械，2021（02）：33-36.
[4]段馨蕊.专用车举升机构的仿真与优化设计[J].科技风，2011（16）：90.
[5]张义壮，冯川.电动叉车举升机构设计及有限元分析[J].机械研究与应用，2020，33（03）：48-51.
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51875151）
作者简介：于平（1970— ），男，本科，高工，九局机械设备专家，毕业于上海铁道学院，中铁九局六公司。
系统的总循环效率计算如下所示：