不同吨位液压挖掘机回转系统能量回收研究.pdf

2 0 1 5年 4月 第 4 3 卷 第 8 期 机床与液压 MAC HI NE TOOL HYDRAUL I CS Ap r ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 8 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 2 8 不 同吨位液压挖掘机回转 系统能量回收研究 颜韵琪 ，贺元成 ，孟志明 ，康 帅帅 1 ．四川理工学院机械工程学院，四月 1 自贡 6 4 3 0 0 0 ；2 ．泸州职业技术学院，四川泸州 6 4 6 0 0 0 摘要 以某企业不同吨位液压挖掘机为研究对象，计算其回转系统能量回收效率，验证了蓄能器适用范围和节能效 果。选择广泛使用的皮囊式蓄能器作为储能元件 ，得到其相关工作参数，并通过回转系统模型搭建 、理论计算和 A ME S i m 软件仿真 ，得到3种不同吨位液压挖掘机回收的能量。理论计算与仿真结果较吻合 ，证明了回转系统模型的正确性。同时， 对不同吨位液压挖掘机能量回收效率的研究 ，为企业改善挖掘机节能效率提供了理论依据。 关键词 液压挖掘机 ；回转 系统 能量 回收 ；A ME S i m仿 真 中图分类 号 T H1 3 7 ． 7 文献标 志码 A 文章 编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 8 - 0 8 2 4 Re s e a r c h o n En e r g y Re c o v e r y o f Swi ng Sy s t e m o f Di ffe r e nt To n na g e Hy dr a u l i c Ex c a v a t o r s YAN Yu nq i ， HE Yua n c h e n g ，MENG Z hi mi n g ，KANG S h u a i s h u a i 1 ． 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 ， S i c h u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e E n g i n e e r i n g ， Z i g o n g S i c h u a n 6 4 3 0 0 0 ， C h i n a 2 ． L u z h o u Vo c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e ，L u z h o u S i c h u a n 6 4 6 0 0 0。C h i n a Ab s t r a c t T a k i n g t h e d i f f e r e n t t o n n a g e h y d r a u l i c e x c a v a t o r s a s t h e r e s e a r c h o b j e c t s ， t h e r o t a r y s y s t e m e n e r g y r e c o v e r y e ffic i e n c y wa s c a l c u l a t e d，a p p l i c a t i o n s c o p e a n d e n e r gy s a v i n g e f f e c t o f a c c u mu l a t o r w e r e v e r i f i e d ．C h o o s i n g t h e b a g t y p e a c c u mu l a t o r t h a t w a s wi d e l y u s e d a s t h e e n e r gy s t o r a g e c o mp o n e n t ， t h e w o r k i n g p a r a me t e r s we r e o b t a i n e d，t h r o u g h mo d e l i n g o f r o t a ry s y s t e m，t h e o r e t i c a l c al c u l a t i o n a n d AMES i m s i mul a t i o n，e ne r gy r e c y c l e d o f t h e t hr e e d i f f e r e n t t o n na g e hy d r a u l i c e x c a v a t o r s we r e a c qu i r e d．The s i mu l a t i o n r e s u i t s fi t we l l wi t h t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n ，wh i c h p r o v e s t h e a c c u r a c y o f r o t a r y s y s t e m mo d e 1 ． At t h e s a me t i me ，t h e r e s e a r c h a b o u t e n e r - gy r e c o v e ry e ffi c i e n c y o f d i ff e r e n t t o n n a g e h y d r a u l i c e x c a v a t o r s p r o v i d e s t h e o r y b a s i s f o r e n t e r p r i s e t o i mp r o v e e x c a v a t o r e n e r gy s a v i n g e f f i c i e n c y ． Ke y wo r ds Hy d r a u l i c e x c a v a t o r ； S wi n g s ys t e m ；En e r gy r e c o v e ry ； AMESi m s i mu l a t i o n 大 型挖掘机广泛应用于矿 山、煤炭 、水利 、露天 采掘等 领域 ，其功率较大 ，但能量利用率过低 ，仅为 2 0 ％左右[ 1 ] 。受世界能源危机和环境保护 的影 响 ，实 现液压 挖 掘 机 能 源 节 约 一 直 是 业 界 努 力 追 求 的 目 标 l 2 ] 。据统计 。液压挖 掘机 回转 系统 的回转运动 占 整个工作循环 时间的 5 0 ％～ 7 0 ％ ，而其 能量损耗 约 占 总能量损耗的2 5 ％～ 4 0 ％ ] ．且在每次工作循环中都 要进行 两次 回转 。因此 ，大型液压挖掘机 回转液压系 献 ，普遍采用蓄能器对 中小 型挖掘机 进行 能量 回收。 文 中针对不 同型号大 吨位液压挖掘机进行蓄能器能量 回收模 型仿真 ，证 明蓄能器节能技术的适用范围和效 果 。 1 蓄能器选型及参数匹配 1 ． 1 蓄能 器选 型 根据加 载方 式 的不 同 ，蓄能 器 可分 为 重力 加 载 式 、弹簧加载式和气体加载式 3种_ 6 ] 。表 1 为各类 型 统 能量 回收研 究 具有 十分 重要 的意义 。查 阅 大量 文 蓄能器 的特点 。 表 1 各 种类型蓄 能器 的特点 收稿 日期 基金项 目 作者简介 2 01 4-0 2-2 0 四3 J I 省 科 技 计 划项 目 G K 2 0 1 3 1 0 颜韵琪 1 9 8 9 一 ，女 ， 2 0 1 3 G Z X 0 1 5 1 ；过 程 装 备 与 控 制 工 程 四 川 省 高 校 重 点 实 验 室 开放 基 金 资 助 项 目 研究生，研究方向为流体与液压。E - m a i l 1 3 6 9 8 2 5 0 2 6 0 1 6 3 ． c o n。 第 8期 颜韵琪 等 不同吨位液压挖掘机回转系统能量回收研究 8 3 由表 1 可 知 皮 囊 式 蓄 能器 具 有 噪声 小 、响应 快 、密封性好 、便于安装 、成本较 低等特点 ，是 目前 使用最广泛 的一种 蓄能器 ] 。所 以，对于挖掘机 的能 量 回收 系统来说 ，也 是储能元件最好 的选择 。 1 ． 2 蓄 能器参数设置 文 中研究 的挖掘机是某厂生产 的 3 种机型 ，机器 质量分别 为 7 、1 0 0和 2 2 0 t 。不 同型号 的挖掘 机 回转 系统需选取 不 同型号 的蓄能器 ，并且需要 满足以下 目 标 1 在 一个 工作 周期 内 ，尽 可 能地 全 部 回收 溢 流 以及 制动能量 ，同时 ，释放所 吸收的能 量达到一个 较高 的能量再 利用效率 ； 2 由于挖 掘机 布置 空 间 的局 限性 ，尽 可 能选 择体积 、质量 小的蓄能器 。 某 型号 1 0 0 t 液压挖掘 机 回转 节能 系统 中蓄能 器 的参数设 置如下 1 P ，由整个 系 统 的最 高 压 力 确 定 ，P ， 2 6 ． 4 M Pa； 2 作 为辅 助动 力源 的 蓄能器 ，一般 P 0 ． 6 ～ 0 ． 8 5 p ， ．从延长皮囊式蓄能器 的使用寿命考虑 P ， ≤ 3 p ． ，综 合以上条件 ， P 2 0 ～ 9 5 MP a ； 3 液压 蓄能器储存和释放能量 为 E 一 s il ． 0．2 86 一 o／勰 ] 当 P p 。 、 P p 时 ，液压蓄能器 吸收能量 最大 为 E ，得 P 0 0 ． 3 0 8 p 2 8 MP a 。 4 蓄能器 的充气容积为 P 0 V o P 1 V l P 2 c o n s t 2 蓄能器工作在绝热过程时．其充气容积为 V o Po ㈣ 一 _ ] ’ 一 ．一 8 。 x 0 ． 0 5 。 “ 一0 ． 0 3 8 。 ’ 。 0 ． 0 9 2 5 V o l 8 L 用相 同的方法可 以得 到 ．某型号 7 t 以及某 型号 2 2 0 t 液压挖掘机 回转节能系统蓄能器参数 ，见 表 2 。 表 2 7 t 和 2 2 0 t 液压挖掘机回转节能系统蓄能器参数 2挖掘机回转节能模型仿真及分析 2 ． 1 质量 1 0 0 t 挖掘机回转节能模型仿 真及分析 1 参数设置 满斗 回转时 平 台转 动 惯量 为 2 0 6 8 2 5 7 k g m ， 空斗 回转 时平 台转 动惯 量为 1 2 0 4 4 8 3 k g m 。 ；电机 转速 1 9 0 0 r ／ m i n ；变量 泵使 用 力 士乐 A 1 I V 0 ，排 量 2 3 0 m L ／ r ．转 速 2 2 0 0 r ／ m i n ；溢 流 阀 溢 流 压 力 3 5 MP a 三位六通 阀使 用力 士乐 M8阀 ，最大 阀开 口流 量 4 0 0 L ／ m i n ，其他参数保持默认值 ；减压 阀压 力 1 3 MP a 马达排 量 1 2 5 m L ／ r ，转 速 1 0 0 0 r ／ ra i n ；负 载 1 0 0 0 0 0 0 k g m 。 回转 马达所需流量 5 ． 91 6 08 0 ． 5 2西8 2 x 1 0一 x 1 0一 4 9 4 L ／mi “ 0 ． 9 7 回转 马达过载阀调定压力 6 ． 2 8 J 8 1 P0 Z2 ／ Z1叼l叼2叼MM g 鱼 兰 2 6 M P 8 0 ． 5 2 x二 x 1 6 0 x 0 ．9 5 x 0． 9 5 0 ． 9 5 l 3 式中 叩 、 叼 、叩 分别为减速机、回转支承、回转 马达的机械效率，均取 0 ． 9 5 。 2 模型仿真及分析 根据公 司 提供 的原 理 图，在 A ME S i m 中搭 建 模 型 ．见图 1 。 图 1 某型号 1 0 0 t 挖掘机 回转 节能系统模型 Q 8 4 机床与液压 第 4 3卷 通过在 A M E S i m中仿真 ，得 到马达转速 和蓄能 器 压力和体积比较图，如图 2 、3所示。从图 2中可以 明显 看到 蓄能器 收集到 的溢流和制动能量用于下一 次转 动时 ，马达转速有一个 明显 的提升 。从图 3 可 以 看 出 蓄能器压力 和体积有 明显 的变化 。 藤 蛙 8 ． 0 6 ． 0 { s 0 ． 2． 0j 0 ． 0 l 一 压力2 一 体积 【 一 1 , - 2 厂 一 0 1 0 2 0 3 0 4 0 S O 6 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 时 间， s 时 间， s 图 2 马达转速图 图 3 蓄能器压力和体积比较图 3 能量 回收分析 在 1 5 ～ 2 5 S制动 时 间段 内．蓄 能器 回收 的总 能 量 E1PB V BPA V A4 0 1 12 6 X 1 4 7 6 k J 计算转 台从 开始 制动 到制 动结 束 时 的能量 损 失 为 E0 ． 5 J o 9 ， 0 ． 511 0 8 ／ 6 02 7 r 3 5 0 k J ． 蓄能器吸收的能量 占理论能量的百分 比为 1 0 0％ 7 6 1 0 0％ 21 ． 71 ％ 在 2 5 ～ 4 0 s ，蓄能器有一段时间单独驱动马达 ， 此时蓄能器释放的能量 E2PB ， V B ，一 PA ，2 01 83 8． 41 1 ． 3 一 7 3 ． 9 2 k J P 7 3 ． 9 2 1 9． 8 2 k J t 3 ． 7 3 蓄能器释放 的能量 占蓄 能器 吸 收能 量 的百分 比 为 一 Ez 1 0 0 ％ 1 0 0％ 9 7 ． 2 ％ ， 7 6 2 ． 2 质量 7 t 和 2 2 0 t 挖掘机回转节能模型仿真及 分析 1 主要液压元件参数 质量 7 t 挖掘机 回转节能 系统主要元 件参数 满 斗回转 时平 台转动 惯量 为 2 4 5 9 0 k g m ，空 斗 回转 时平 台转动 惯 量为 1 5 1 1 2 k gm ；电机 转速 2 1 0 0 r ／ m i n ；变量泵排量 3 0 m L ／ r ， 转速 2 0 0 0 r ／ m i n ；马达 排量 4 4 m L ／ r ，转 速 1 7 0 0 r ／ m i n ，负 载 2 0 0 0 0 k g m 。 质 量 2 2 0 t 挖掘 机 回转节 能系 统主要 元件 参数 满斗 回转 时平 台转动惯 量为 5 7 6 6 2 1 4 k g m ，空 斗 回转时平台转动惯量为 3 5 4 3 8 1 9 k g I n 电机转速 2 2 0 0 r ／ m i n 变 量 泵 排 量 1 9 0 m L ／ r ，转 速 2 2 0 0 r ／ m i n ；马达排量 1 2 5 m L ／ r ，转速 1 0 0 0 r ／ m i n ；负 载 3 0 0 0 0 0 0 k g I n 双回转 。 2 模型仿真及分析 依 据某 公 司 某 型号 7 t 挖掘 机 回转 原 理 图 ，在 A ME S i m软件 中所搭 建 的节 能模 型与 1 0 0 t 的节 能模 型一样见图 1 ， 2 2 0 t 的挖掘机 回转节能模型见 图 4 。 图 4 某 型号 2 0 0 t 挖掘机 回转节能系统模型 通过仿真所搭建的模型，可以得到7 t 和 2 2 0 t 挖 收、释放能量的情况如图7和图 8 所示。 掘机 回转 马达转速分别如 图 5 和 图 6所示 ，蓄能器 回 I， ； L ． a f目 gn 。 _I v 、 煅辛 毒 第 8期 颜韵琪 等不同吨位液压挖掘机回转系统能量回收研究 8 5 5 ． 0 4 ． 0 l 3 ． 0 2 ． 0 1 ． 0 0 ． 0 京 0 10 20 30 40 5 0 60 时 间， s 图 5 7 t 挖掘机 回转 马达转 速图 1 一 压 力2 一 体积 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 时 间， s 5． 0 4． 0 ．g 3 0 2． 0 1． 0 2 0 ． 0 一1． 0 蛙 0 10 20 30 40 5 0 60 时间， s 图 6 2 2 0 t 挖掘机 回 转马达转速 图 1 一 压 力2 一 体 积 f 一 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 时 间， s 图 7 7 t 挖掘机蓄能器压力图 8 2 2 0 t 挖掘机蓄能器压 和体积曲线比较图 力和体积曲线比较图 3 能量 回收分析 7 t 和 2 2 0 t 挖掘机 回转节 能系统 能量分析方法与 1 0 0 t 分 析方法 相 同，通过计算验证得 到表 3 。 表 3 7 t 、1 0 0 t 和 2 2 0 t 挖掘 机回转节能 系统能量分 析 3结 论 以某公司 3种型号的挖掘机为研究对象 。通过计 算发 现不 同吨位挖掘机 回转 系统蓄能器能量 回收情况 有所差别 1 蓄 能器 是一 种液 压 系统 节能设 计 的常用 元 件 ，当其 用于挖掘机 回转系统 时 ，可 以收集起动 溢流 和制动时浪费 的液压能 ；当蓄能器用 于挖 掘机 动臂系 统 ，可以 回收重力势能 。 2 吨位 小 的挖 掘机 回转 节能 系统 蓄能 器 回收 能量 小 ，回转平台及上车转动惯量小 。因此 ，回收的 能量 占理论 能量较多 ．蓄能器释放能量 占吸收能量百 分 比较 大 ，回收效果 比较理想 ；吨位大 的挖掘机 回转 系统蓄能器 回收能量较多 ，释放能量 占吸收能量 百分 比较 大 ，但 由于 回转平 台及上车转动惯量 大 ，回收能 量 占理论 能量较小 。 从表 3可以看出吨位越大的挖掘机使用蓄能器 吸收能量越 多 ，释放能量 占吸收能量百分 比越大 ，而 蓄能器 吸收能量 占理论能量越小 。 通过对 不同吨位挖掘机 的回转节能系统进行仿真 分析 ，分析模 型中蓄能器 对能 量 的吸收及 再利 用率 ． 可 以得 出蓄能器用 于吨位小的挖掘机 回收效果更好 的 结论 。 参考文献 [ 1 ]林慕义， 史青录． 单斗液压挖掘机构造与设计 『 M] ． 北 京 冶金工业 出版社 ， 2 0 1 1 8 9 9 4 ． [ 2 ]王伟江 ， 任国龙， 王俊奎， 等． 新一代液压动筛跳汰机及 在选煤 中的应 用[ J ] ． 煤炭工程 ， 2 0 0 6 9 1 1 2 1 1 3 ． [ 3 ]石峻岭 ， 姜忠学， 王晓飞． 跳汰机控制系统的研究[ J ] ． 机 械工程与 自动化 ， 2 0 1 0 1 1 6 4 1 6 6 ． [ 4 ]杨国来， 马一春， 刘志刚． 基于电液比例阀的汽轮机高压 旁路阀控制系统设计[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 9 ， 3 7 7 8 4 8 5． [ 5 ]车明哲 ， 佟琨 ， 宋锦春． 2 2 t 液压挖掘机能量损失研究 [ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 1 0 1 0 1 1 1 2 ． [ 6 ]郑辉． 基干蓄能器能量回收的挖掘机回转节能研究『 D] ． 成都 西南交通大学． 2 0 1 3 2 2 2 3 ． [ 7 ]马雅丽 ， 黄志 坚． 蓄 能器实 用技 术 [ M] ． 北 京 化学 工业 出版社 ． 2 0 0 7 ． [ 8 ]薛爱群， 林树枫． 蓄能器与液压系统的节能[ J ] ． 有色冶 金节能 ， 1 9 9 7 1 1 3 1 4 ． 汽车零部件征稿启事 汽车零部件是 由国家科技部主管 ，中国科学技术信息 研究所、中国汽车零部件工业公司主办，机械工业汽车零部件 产品质量监督检测中心 广 州承办的以汽车零部件产品资讯 及技术发展 为 内容 的技 术性科 技期 刊。国际刊 号 I S S N 1 6 7 4 1 9 8 6 ，国内统一刊号 C N 1 1 - 5 6 6 1 ／ T H，面向全 国公开发行。 汽车零部件内容上着重市场信息传播和技术介绍并重 。 在市场信息方面 ，主要介绍汽车零部件产品国内外市场动态 、 趋势分析 、政策导引 ；在技术介绍方面 ，涉及理论研究 、产 品 设计制造工艺技术、设备使用维修和技术改造方面的最新科研 生产成果和国内外最新发展动向。 汽车零部件已入编中国核心期刊 遴选 数据库、万 方数据数字化期刊群 、中文科技期刊数据库、中国学术期刊 网 络 出版总库及 C N K I 系列数据库 ，为汽车用品行业优秀期刊。 注意如作者不同意文章被以上数据库收录．请在回复时 向本刊声明，本刊将做适当处理。 刊物的主要栏 目聚焦决策者 、动态与综述 、零部件论坛 专访 、标准与法规 、技术新视野 、检测与 维修 、产经故事 会 、研究与开发 、市场与信息 、龙头企业专栏 。 投稿网址w w w ． q c l b j z z ． c o m 咨询邮箱a u t o p a r t s g m e r i ． t o m 联 系 电话 0 2 0 3 2 3 8 5 3 1 7 传真 0 2 0 3 2 3 8 9 6 0 0 更多详情，请登陆我刊网站 w w w ． q c l b j z z ． t o m。 日 苫 幽 啦 明 呻 5 4 3 2 l 0 9 8 7 _ 皇 、 R幽 叫0 8 7 6 5 4 3 2