液压挖掘机回转制动能量回收策略的研究.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／2 01 5年 第 09期 d o i l 0 ． 3 9 6 9 4 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 9 ． 0 2 3 液压挖掘机回转制动能量回收策略的研究 刘 薇， 贾跃虎 ， 丁小宁， 程旭华 太原科技大学 机械工程学院，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 回转系统能量损耗大、 具有很大的回收潜力 ， 为了提高挖掘机的节能性 ， 本文提出了基于马达电机组和液压蓄能器两种回收 方式复合回收的能量回收策略， 并将蓄能器 回收的能量储存在超级电容中进行再利用。采用 A ME S i m仿真软件对回转制动能量回收 过程进行了仿真分析。仿真结果表明， 基于液压蓄能器与超级电容的复合回收方案可行， 在制动时可以完成能量回收， 可以有效提高 系统的回收效率。 关键词 液压挖掘机； 回转制动系统； A ME S i m 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 9 0 0 7 2 0 3 Re s e a r c h o n S wi n g Br a k i n g En e r g y Re c o v e r i n g S t r a t e g y o f Hy d r a u l i c e x c a v a t o r L I U We L J I A Y u e - -h u , DI NGXi a o - n i n g , CHENGXu -h u a C o l l e g e 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 Un 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 T h e s l e wi n g h y d r a u l i c s y s t e m h a s l a r g e e n e r g y l o s s a n d l a r g e p o t e n t i a l o f e n e r g y r e c o v e r y ． I n o r d e r t o i mp r o v e t h e e n e r gy s a v i n g o f e x c a v a t o r , the a r t i c l e p r o p o s e s a e n e r g y r e c o v e ry me tho d f o r s wi n g r e g e n e r a t i v e b r a k i n g s t r a t e gy , t h e s y s t e m r e c o v e r e n e r gy b y b o t h mo t o r g r o u p and h y d r a u l i c a c c u mu l a t o r a t t h e s a me t i me ， a n d s t o r e the e n e r g y r e c o v e r e d b y a c c u mu l a t o r i n S u p e r c a p a c i t o r , t h e h y dra u l i c s i mu l a t i o n mo d e l o f the s y s t e m wa s b a s e d b y AMES i m， s i mu l a t i o n r e s u l t i n d i c a t e d t h a t t h e s y s t e m r e c o v e r e n e r gy b y b o t h S u p e r c a p a c i t o r a n d h y d r a u l i c a c c um u l a t o r i s f e a s i b l e ． T h e s y s t e m c a n c o mp l e t e t h e e n e r g y r e c o v e ry e ffe c t i v e l y , a n d i mp r o v e t h e r e c o v e r y e f fi c i e n c y o f t h e s y s t e rn ． Ke y wo r d s h y dra u l i c e x c a v a t o r ； s wi n g r e g e n e r a t i v e b r a k i n g s y s t e m； Ame s i m O 引言 液压挖掘机是国家建设中典型、 高效的工程机械 设备， 目前在交通运输、 水利工程、 矿山开采及电力等 领域都有广泛的应用。然而， 液压挖掘机的工况复杂， 工作条件恶劣， 能量损耗大， 因此， 研究液压挖掘机的 节能降排技术有利于是推动挖掘机发展。 液压挖掘机回转制动力矩大， 回转动作频繁 ， 在一 个作业周期 内， 回转运动时间约 占总时间的 5 5 ％， 能量 的消耗 约 占系统的 3 5 ％， 发热量约 占系统 的4 0 ％。为 了解决这一 问题 ， 国内外在挖掘机 回转液压 系统 的制 动能量 回收方面做 了一定 的研究 ， 一般是 以电容或蓄 能器作为储能元件， 对回转系统进行能量回收再利用。 采用液压蓄能器作为储能装置， 使用寿命长， 成本 低， 不需要进行能量的转换， 与挖掘机瞬间需求大功率 的工况相匹配。但其比能量低 ， 同等能量情况下需要 占很大空间， 而且蓄能器的工作压力主要是由初始压 力和容积决定的 ， 在工作过程中无法调节 ， 这些都很大 程度上限制了该方式在液压挖掘机上 的广泛应用 。 收稿 日期 2 0 1 5 0 3 1 2 作 者简介 刘薇 1 9 8 8 ， 女 ， 山西晋 中人 ， 在读 硕士 研究生 ， 主要 研究方 向为流体传动与控制。 7 2 超级电容是一种新型储能单元， 它的充电方式较 为简单 ， 控制相对容易。随着超级电容技术的发展， 超 级电容的成本不断下降， 因此超级电容具有很好的发 展前景。但是以超级电容作为储能元件 ， 马达电机组 的动态响应慢， 发电机频繁的启动和停止会影响系统 的稳定性， 影响挖掘机的使用寿命。 因此 ， 本文提 出了基于马达 电机组和液压蓄能器 两种回收方式复合回收的能量回收策略。这种回收方 案克服 了马达 电机组动态响应 性慢的缺点 ， 同时液压 蓄能器能够吸收制动过程 中产 生的冲击 ， 该系统在动 作调整时不会 产生 由于能量 回收模式频繁启动造成 的 能量损耗。 1 能量 回收系统工作原理 在传 统的液 压挖掘机 中 回转制动时 ， 由于液压挖 掘机的回转平台质量大， 惯性大， 在回转系统减速或制 动过程中会释放出大量的能量。这部分能量最终消耗 在溢流阀阀 口上 ， 转换为热能造成系统发热 ， 导致能量 损耗。为了解决能量损失问题 ， 本文设计了以下回转 制动能量 回收系统 ， 原理图如 图 1 所示。 系统中当回转平台处于匀速、 加速工况时， 回转制 动模式不启动 ， 电磁换 向阀 1 1 、 1 3 不通 电， 回转系统的 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 9 ．2 0 1 5 工作原理 和原系统完全相 同。当回转平 台制 动时 ， 如 果不进行能量 回收 ， 回转液压系统也与原液压挖掘机 完全相 同。 卜发动 机2 一 液压 泵3 一 邮箱4 一 发 电／ 电动 机5 一 回转 阀联 6 一回收电机7 一回转马达8 一 变频器9 一 超 级电容 1 0 - 电磁换 向阀1 1 、 1 3 一 电磁换 向阀1 2 、 1 4 一 单 向阀 1 5 一 溢 流阀1 6 一 蓄能器1 7 一 回转 马达 图 1回转制动能量回收系统原理图 如果进行能量回收， 首先分析当回转平台加速时 电磁换向阀5 处于左位的情况， 系统制动时阀5 处于中 位， 阀1 1 、 1 3 换向， 回转平台由于存在惯性会继续转动， 此 时回转马达 1 7 是处于泵工况 ， 输 出的液压 油先后经 过换 向阀 1 1 、 单 向阀1 2 将能量回收于液压蓄能器 l 6 中， 同时通过蓄能器 1 6 产生制动力矩使回转平台制动， 蓄能器回收一定时间后， 电磁换向阀1 0 换向， 液压油在 回收马达 7 处产生压力 ， 推动马达 7 和回收电机6 运 转。控制器控制电机6 输出发电转矩， 电机6 输出制动 转矩， 调节马达7 的出油口压力 ， 回转马达使回转平台 减速制动 ， 同时进行制动能量 回收 ， 回收的能量储存于 超级电容9 中。能量回收模式停止后蓄能器中回收的 能量也通过马达电机组储存到超级电容9 中。该液压 油路具有对称性 ， 阀1 0 处于右位时能量回收方式亦然。 挖掘机在作业过程中为了调整工作装置姿态需要 使回转平台进行微动作。此时回转角度小、 时间短 ， 因 此这部分势能用超级电容很难 回收。此时采取 以液压 蓄能器作为储能元件单独回收的模式 ， 避免了回收模 式 频 繁启 动对 系统 稳定 性及 元 件 的影 响 ， 延长 使用 寿命。 当挖掘机处于正常作业时， 采用以超级电容作为 主要储能装置以蓄能器为辅助储能装置的复合回收模 式 ， 液压蓄能器主要用来吸收回转制动起始时产生的 冲击能 ， 马达 电机组动态 响应较慢 的缺点也得到 了有 效控制 。 2 系统仿真实验及系统分析 2 ． 1仿真参数设置 本文所 选择 的挖掘机 为某公 司生产 的 9 T级挖掘 机 ， 仿真模型中主要 的元件参数如表 1 所示。 表 1 仿真模型的基本参数 2 ． 2 系统建模 上文中所描述的液压挖掘机回转制动能量回收策 略首先要经过严格的参数匹配， 然后进行仿真分析， 本 文采用 A M E S i m软件搭建仿真模型， 进行仿真。仿真 模型如图 2 所示 。 图2系统仿真模型 2 ． 3 仿真结果分析 根据以上仿真模型， 对系统进行仿真试验， 如图3 、 图4 分别为液压蓄能器的压力曲线和超级电容电位变 7 3 液 压 气 动 与 甚 封 ／20 1 5年 第 0 9期 化 曲线。 图 3 蓄能器压 力变 化 曲线 图4超级电容电位变化曲线 由上图可知 ， 系统在 5 ． 5 ～ 7 s 时进行复合能量回收 ， 在 7 ～ l O s 将蓄能器回收的能量储存到超级电容中。 根据蓄能器 的压力变化状态 ， 得 出液压挖掘机 回 转系统一个作业周期能量回收过程中液压蓄能器的储 能情况 ， 公式如下 P 0 V o“ p 1 p 2 c o n s t 1 E p d V d 2 式中 P 蓄能器的充气压力； 。 蓄能器的初始体积； P ， 蓄能器的最低工作压力； 最低工作压力对应的体积； P ， 蓄能器的最高工作压力 ； 最高工作压力对应的体积； n 蓄能器的气体多变指数， 本文取式中n 1 ．4 。 根据电容的电位变化求得电机发电能。 E 。 C L d V o 告 c 3 式中 卜超级电容的电容； 超级电容的电位。 本文采用的能量回收方式最终将蓄 能器回收大部 分的能量通过马达电机组储存到了超级电容中， 所以 主要分析电机的发电能， 电机的发电能基本可作为总 回收能 。为 了提高试 验的准确性 ， 本文将蓄能器 中最 终储存的能量和电容储存的能量都进行了计算 ， 得出 最终 的总 回收能达 1 3 2 5 7 J ， 占总可 回收能量 的6 2 ％左 7 4 右。因此这种能量回收策略可以有效的完成系统的能 量回收。 3 结语 本文对液压挖掘机 回转系统进行 了基于马达 电机 组和液压蓄能器两种回收方式复合回收的试验研究 ， 通过液压蓄能器和马达 电机组 回收能量 ， 并将 蓄能器 回收的能量尽可能的储存在超级 电容 中以便 于进行再 利用。在回收系统进行参数匹配后 ， 对回转平台制动 时的系统能量 回收过程进行 了仿真 。仿真分析表明， 在 系统制动时的复合能量 回收方案具有可行性 ， 不仅能 量回收系统实现了节能降排， 而且改善了回转平台的 启制动性能 ， 减少了马达 电机组 回收模式的频繁启动 ， 有利于改善系统的稳定性， 提高挖掘机的寿命。 为使这 种能量 回收策 略在实 际作业 中成功应用 ， 提高实践中的可行性及操纵性， 建议采用 A M E S i m仿 真和试验相结合的方式对该能量 回收策略在复杂工况 下的应用进行进一步的深入研究。 参考文献 [ 1 ]I T i a n l i a n g L i n ，Q i n g f e n g w a n g ， B a o z a n Hu ， We n G o n g ．R e s e a r c h o n t h e En e r g y Re g e n e r a t i o n S y s t e ms f o r Hy b r i d Hy 一 a u l i c E x c a v a t o r s [ J ] ． A u t o ma t i o n i n C o n s t r u c t i o n ． 2 0 1 0 ， 1 9 8 1 01 6 -1 0 2 6 ． 【 2 】 朱建新， 李赛白， 刘昌盛， 等． 挖掘机 回转动能 回收系统仿真 [ J ] ． 机械设计与研究， 2 0 1 1 ， 2 7 6 8 4 - 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