液压挖掘机动臂动作节能研究.pdf

液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 2年 第 9期 液压挖掘机动臂动作节能研究 夏德政 ， 刘志奇 ， 刘晓莲 太原科技大学 机械工程学院 ， 山西 太原0 3 0 0 2 4 摘 要 针对液压挖掘机在动臂动作时有 较大节流损失 的问题 ， 该文以 2 2 T某型号正流量挖掘机为例 ， 分析 了动臂普通流量再生 回路 的原理并建立数学模型和 A m e s i m仿真模型 ， 并在此基础上提 出了新型的动臂液压回路的节能方案。通过对两种动臂液压 回路节能方 案仿真结果对 比分析 ， 得 出新型动臂液压 回路 比普通流量再生 回路更加节能 。 关键词 液压挖掘机； 动臂液压 回路 ； 节 能 中图分类号 T H1 3 7 ． 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 9 0 0 5 6 0 3 Re s e a r c h o n Ene r g y S a v i n g a bo u t Bo o m Hy d r a u h c Ci r c u i t o f Hy d r a u h c Ex c a v a t o r X／ A De - z h e n g， LI U Zhi -q i ， LI U Xi a o l i a n S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e ri s t i c s o f l a r g e t h r o t t l i n g l o s s d u rin g t h e a c t i o n o f h y d r a u l i c e x c a v a t o r ’ S b o o m． T h e 2 2 T e x c a v a t o r w i t h p o s i t i v e fl o w s y s t e m i s s e l e c t e d a s t h e o b j e c t o f r e s e a r c h ．F i r s t l y ，t h i s p a p e r a n a l y z e d t h e b o o m fl o w r e g e n e r a t i o n c i r c u i t a n d e s t a b l i s h e d i t ’ S ma t h e ma t i c a l mo d e l a n d s i mu l a t i o n mo d e l b y Ame s i m． T h e n t h e n e w b o o m e n e r g y- s a v i n g c i r c u i t wa s b r o u g h t f o r wa r d ． T h e p ri n c i p l e o f t h i s s y s t e m wa s a n a l y z e d a n d e s t a b l i s h e d i t ’ S ma t h e ma t i c a l mo d e l a n d s i mu l a t i o n mo d e l b y A me s i m． fi n a l l y ， s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e n e w b o o m e n e r g y s a v i n g c i r c u i t s a v e s e n e r gy r e ma r k l y t h a n t h e b o o m fl o w- r e g e n e r a t i o n c i r c u i t ． Ke y wo r h y d r a u l i c e x c a v a t o r ； b o o m h y d r a u l i c c i r c u i t ； e n e r gy s a v i n g O 引言 挖 掘机动臂在上升下降时带动负载铲斗和斗杆 同 时运动 ， 所以具有很大的惯性和动能l 1 1 。 液压挖掘机完成 一 个工作循环时， 动臂 、 斗杆 、 铲斗的下降速度都由多路 阀的开度控制[ 2 1 ， 推动液压缸对外做功的同时。 其余能量 以热能 的形式消耗在节流 口上。 所 以对动臂带动的整个 机构在下降过程中进行能量回收[ 3 - 6 1 并进行再利用 。 从而 实现挖掘机的节能低耗特性 。 具有重大的意义。 本文以 2 3 T某型号正流量挖掘机[ 7 1 为研究对象 ． 研 究动臂液压系统能量损耗情况，并对现有流量再生回路 以及新节能方案回路在动臂动作过程中系统能量损耗情 况进行对 比分析， 得出新型节能方案节能效果较显著。 1 现有动臂流量再 生 回路 图 1为现有流量再生 回路原理图。动臂下降过程 中，液压缸在有杆腔压力油和负载重力双重作用下下 降， 所以动臂液压缸具有很大的下降势能。减小动臂缸 无杆腔 回油速度 ，即减小相应回油节流 口开 口大小来 防止动臂 的过快下降 ， 合理控制动臂的下降速度 。 就造 收 稿 日期 2 0 1 2 0 3 1 9 作者简 介 夏德 政 1 9 8 2 一 ， 男 ， 山东 日照人 ， 在读硕士研究生 ． 主要研究 方向为机电液一体化 。 5 6 成较 大的节 流损失 。 l 一 变 量 泵2 一 流量 分 配阀 3 、 4 一 单 向 阀 5 一 动 臂 液压 缸 图 1 现有流量再生回路原理图 动臂下降过程 中，液压泵供给动臂缸有杆腔的液 压能和重力势能一部分对动臂做功 ， 推动动臂下降 ， 一 部分在调速过程中消耗在节流口上， 转变成热能 ， 能量 流动方程为 1 ● p g 1舢 P w 1 厶 式中 卜外负载力 ； 动臂下降的距离 ； P 、 q m 泵 的输 出压力 、 流量 ； 尸 w 回路损耗 的能量 ； l 一动臂的下降速度。 Hv dr a u l i c s Pne u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 9． 2 01 2 2 新节能方案 2 ． 1 系统 组成 及原 理分 析 图 2为新节能方案原理 图。能量回收装置[4 1 部分的 能量原理是 动臂缸无杆腔的压力油经过定量马达 1 ， 带动与其同轴相连的变量泵 2转动，变量泵 2从 油箱 吸油加压 ．压力油打开单 向阀 6流 向液压蓄能器 4和 5 ． 实现能量 回收。通过液压马达 1的流量是有它的转 速决定的 ，所以通过控制马达的转速就能控制动臂液 压缸无杆腔的回油量， 从而控制动臂的下降速度 。而马 达 的转 速是 通 过控制 变 量泵 的排 量来 实现 的 。 1 一 定 量 马 达2、 21 一变 量泉3 一变 量 马 达4、 5一 蓄 能 器 6 、 7 、 8 、 9 一 单 向阀 1 0 、 l 2 、 l 3 一 两位 三通阀1 1 - 三位三通阀 1 4 一 两位两通 阀 l 5 一 流量分配阀 l 6 一 梭阀 1 7、 l 8 、 l 9、 2 0 一 压力传感器 2 2 一 动臂液 压缸2 3 一 节流阀2 4 一 转速传感器 图 2新节能方案原理图 为了减少节流损失 ，动臂下降时 ，流量分配阀 1 5 切换 到左位 ， 驾驶员操作手柄 ， 使 阀的开 口尽量大些 ， 由 1 、 2 、 4 、 5组成的能量 回收装置来完成动臂下 降速度 的控制 。 2 ． 2数 学模 型 动臂下降液压缸力学平衡方程 P 2 A 2 1 P 1 c ， F f ” 2 式中 动臂液压缸外负载 ， 单位为 N P ， P 2 动 臂无杆 腔 和有杆 腔 油液压 力 ； ， ” 动臂 的 下 降速度 和加 速 度 ． 单位 为 m ／ s 和 m／ s 动臂缸活塞的粘性阻尼 ， 单位为 N s ／ m； 动臂缸活塞所受摩擦力 ， 单位为 N。 本文选用皮囊式蓄能器 ，根据波意尔定律 ，并查 新编液压工程手册 ， 蓄能器总容积 的计算公式为 p 0 o l l 2 2 3 式 中P 。 V 。 蓄能器储能前的充气压力和气室容积； P V ， 系统最高工作压力和最高工作压力下 的气体体积 ； P ， V ， 蓄能器维持的最低工作压力和最低工 作压力下的气体体积 n 多变 指数 。 蓄能器的力平衡方程为 p } m a Q a Q 4 式中P ， P o 蓄能器的进 口压力 ， 充气压力 ， MP a ； A 蓄能器油液腔截面积 ； m 蓄能器内液体当量质量 ； 粘性阻尼系数 ； Q 蓄能器吸油流量。 蓄能器连续性方程 Q a - 一 5 式中 蓄能器的气腔体积。 动臂液压缸无杆腔到马达入 I 1 处的连续性方程 C ic P t - p 2 一 C e p I -- C im P l - p I _ to O m - V 6 式 中 C C i ， C 液压缸和马达的内泄漏 系数 ， 后 者为外泄漏系数 ， m ／ P a S ； 液压缸到马达人 E l 间的油液体积 ．体积弹性模量 ； t O ， D 回收马达转速 ， 排量 ； p ． 液压 马达入 1 3 压 力 ， P a 。 同轴相连的马达和泵力矩平衡方程 p l - p 2 -- P p 2 - p 。 1 。 ， 7 式 中P ， P ， P ， p 2 马达 进 出 口压 力 和 泵 进 出 口压力 ． P a ； 。， _同轴连接马达和泵的转动总惯量 ， k g m； 当量转动阻尼， N m s ／ r a d ； 库伦摩擦力矩 ， N m。 3 两种方案仿真结果对比分析 建立两种方案的 A ME S i m仿真模型 ，新节能方案 中液 压 蓄 能 器 的充 气 压 力 和 充 气 体 积 分 别 设 为 9 0 MP a 、 1 0 L 。 能量 回收装置中的泵和马达的机械效率设 为0 ． 8 5 ， 容积效率设为 0 ． 9 。 设置仿真时间为 1 0 s 。 仿真模 型中两个模型具有相同的外负载力和液压缸参数 ． 负 载力参数设置如图 3所示 。 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 9期 翟 辅 图 3负 载 力 的 变化 由图 4可以看出， 在 0 4 s ， 动臂处于下降状态 ， 动臂 缸无杆腔回油驱动泵一 马达中的马达转动． 马达带动泵转 动 ， 泵把油箱中的压力油加压输送至蓄能器。 在 4 s 时， 动 臂从 1 m下降至 O m。在此过程中， 蓄能器在 4 s 时从初始 压力的 9 0 MP a上升到 1 5 0 MP a ，完成能量的回收。如图 4 b ，泵一 马达转速 在上升到 1 5 O O r e v ／ m i n ．稳 定一段 时间 后 ， 在 4 s 时， 变为 0 。由图 4 d ， 再生部分能量为 2 2 k J 。4 9 s ， 动臂处于上升阶段。在 4 ～ 5 s ． 由蓄能器中的压力油单 独为动臂缸无杆腔供油。在 4 ． 8 s 左右 ， 动臂的运动放缓 ， 蓄能器中的压力油不足以单独驱动动臂运动 ．这时候开 始切换到泵单独供油状态。在 9 s 左右，动臂上升到 1 m 见图 4 c ， 到达下落的初始位置后继续上升。 差 1 时间／ 0 a 蓄能器中气体压力变化曲线 O 2 O 1 5 i 1 0 0 5 瑙0 0 群一 O 5 1 0 蚓 避 时间， s b 泵一 马达转速曲线 时间／ s 时I司 ／ s c 液压缸位移曲线 d 流量再生部分能量 图 4新节能方案特性 曲线 ． 设置仿 真时间为 l O s ， 仿真步长为 0 ． O l s ， 现有流量 再生 回路和新节能方案 回路 中动臂运动速度曲线如 图 5 a所示 ， 通过此 图可以看 出， 通过合适 的液压系统参数 设置以及控制信号的设置 ， 两种方案在相同外负载下 ， 动臂的速度曲线基本一致 ， 可以完成预定的运动 ， 没有 影 响动臂的运动性能。两种 回路泵 的输 出能量对 比图 见图 5 b ， 两种 回路再生部分能量对 比图见图 5 c 。 从表 1可见 ，在动臂完成一整个下降上升动作的 过程中， 新节能方案 比普通再生 回路节能效果更好 ， 在 动臂的运动基本一致 的情况下 ．流量再生部分 回收的 能量相差不是很大。但是 ，新节能方案多了能量的回 5 8 收 ， 通过用能量回收装置来调节动臂的下降速度 ， 从而 代替通过节流作用来控制动臂 的下降 ，避免了液压能 大量变为热能而损耗掉 ， 大大的提高能量的利用效率。 单 1 5 螽 0 ．5 - 0 5 1 5 时间／ s 时间／ s b 两种回路泵的输出能量对比图 c 两种回路再生部分能量对比图 图 5两种节能方案节能效果对比图 表 1 节能效果对 比表 4 总结 本文通过分析现有挖掘机动臂流量再生回路节流 损失的基础上提出新节能方案 ．增加了动臂液压缸下 降时能量回收装置 ， 并对其进行 了原理分析 ， 数学建模 和 A ME S i m仿真分析。通过仿真结果对比分析得出， 新 节能方案引入能量 回收装置来调节 动臂下降速度 ， 其 能量损失 比通过节流作用来控制动臂下降速度 的方法 降低了大约 1 6 ％， 提高了能量的利用效率 ， 新方案具有 较好的节能效果。 参考 文 献 f l 】1 张树忠， 等． 基 于液压 变压器的挖掘机 动臂 势能再生 系统f J ] ． 中国机械工程，2 0 1 0 ， 1 0 ． f 2 】 赵 丁选， 等． 油液 混合动力液压挖 掘机 动臂势能 回收系统[ J ] ． 吉林 大学学报， 2 0 1 1 ， 增刊 1 ． [ 3 】 肖青， 等． 液压挖 掘机混合动力 系统建模及控制 策略研究[ J ] ． 浙江大学学报， 2 0 0 7 ， 3 ． 『 4 1 张彦廷． 基 于混 合动力 与能量 回收的液压 挖掘 机节能 研究 【 D 】 ． 浙江大学， 2 0 0 6 ． 【 5 】 周瑞艳 ， 等． 液 压变压器变压原理的理论分析与仿真研究 I J I ． 机床与液压， 2 0 0 7 ， 1 ． f 6 ] 仉 志强． 2 2 T挖掘机正 流量控制 技术 的研究【 D 】 ． 太原 太原科 技大学 ． 2 0 1 1 ． 如 加 m5O 哪程 O 【 ／ 咖