大型液压挖掘机液压系统节能技术的研究.pdf

2 0 1 5年 5月 第 4 3卷 第 1 0 期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS Ma v 2 0 1 5 Vo 1 ． 4 3 No ．1 0 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 0 ． 0 3 3 大型液压挖掘机液压系统节能技术的研究 孟 志明 ，贺元成。 ，郑庭 1 ．四川理 工学院机械工程学院，四川 自贡 6 4 3 0 0 0 ； 2 ．泸州职业技术学院机械工程学院，四川泸州 6 4 6 0 0 0 摘要以某单位提供的挖掘机为实验平台，通过试验分析各液压节能回路的节能效果。设计新型能量回收系统，观测 其节能效果。总结了大型挖掘机液压系统常见的能耗问题 ，针对存在的问题从不同方面介绍了液压节能技术的现状并对液 压节能 的发展趋势进行了说明。 关键词能耗分析；动臂势能；能量回收；仿真分析 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 1 0 - 1 0 2 3 Re s e a r c h o n En e r g y S a v i ng Te c hn o l o g i e s f o r Hy dr a u l i c Sy s t e m o f La r g e Hy d r a ul i c Ex c a v a t o r MEN G Z h i mi n g ，HE Yu a n c h e n g ，Z HENG T i n g 1 ． C o l l e g e o f M e 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 eE n g i n e e ri n g ， Zi g o n g Si c h u a n 6 43 00 0，Ch i n a； 2． De p a r t me n t o f Me c h a ni c a l En g i n e e rin g，L u z ho u Vo c a t i o na l a nd Te c h n i c a l Co 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 tBy t he e x pe rime n t a l pl a t f o r m o f a n e x c a v a t o r pr o v i d e d b y a c o mpan y，t he h y dr a ul i c e n e r g y s a v i ng e f f e c t o f e a c h l o o p wa s a n aly z e d t h r o u g h e x p e r i me n t ． A n e w e n e r gy r e c o v e r y s y s t e m wa s d e s i g n e d，and i t s e n e r gy s a v i n g e f f e c t wa s o b s e r v e d ． T h e c o mmo n e n e r g y c o n s u mp t i o n p r o b l e ms o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f l a r g e h y d r a u l i c e x c a v a t o r w e r e s u mma r i z e d ．Ai mi n g a t t h e p r o b l e ms e x i s t e d， f r o m d i f f e r e n t a s p e c t s ，t h e s t a t u s a n d d e v e l o p me n t t r e n d s o f h y d r a u l i c e n e r gy - s a v i n g t e c h n o l o gy w e r e i n t r o d u c e d an d d e s c r i b e d ． Ke ywo r dsEn e r gy c o ns u mp t i o n a n a l y s i s；Arm po t e n t i a l e n e r gy ；Ene r gy r e c o v e r ；Si mul a t i o n a na l y s i s 自从 1 9 7 8 年 第二次石 油危机爆 发之后 ，尤其 是 这几年 ，石油的价格 已大幅度上扬 。同时化石燃料 的 不断消耗必然导致油气价格更高。另外化石燃料的大 量应用也导致了全球的气候变暖、环境恶化。尤其是 2 0 0 3 年之后人 们 的环保 意识 越来 越 强 ．减 少 C O 。 等 温室气体的排放备受人们的关注。2 0 1 2年之后我 国 的沙尘暴跟雾霾天气越来越严重 。我国政府对环境 的 治理越来越重视 ，同时加大了节能及 提高能效等方 面 的投入。工程机械作为一种高能耗的机械设备，节能 就显得尤为重要。目前化石燃料的利用率已经成为工 程机 械重要评判标准 。 1 大型挖掘机 的能耗分析 由于挖 掘机 的工作范 围广 。世界上各种土方工程 约有 6 5 ％～ 7 0 ％的土方量 由挖掘机来 完成 ．这使挖 掘 机在各类工程建设中得到广泛应用。但由于挖掘机前 端工作装置质量大。在工作时动臂下降不仅造成能量 损失 ，而且损耗的能量会转化成液压系统 中液压油 的 内能 ，导致液压油温升高，严重影响挖掘机的工作效 率跟使用寿命。挖掘机的耗油量高、排放尾气质量 差 ，这 已经引起该行业 的广泛关注 。 日本神钢机械公 司对大型液压挖掘机 的能量利用 与做 了如下统计 如 图 1 大型挖 掘机 最终 对 能量 的利用 率 只有 2 0 ％。机构 系统 能耗 较 小 ，能 量大 部 分都损失在液压系统之中。液压系统的能量利用率只 有 3 0 ％左 右 ，这也 是导 致挖 掘 机效 率低 下 的一个 重 要原因。因此液 压系统具有较 大的节 能空 间 ，同时也 是挖掘机节能发展的一个重要 方向。 医 墓 戛 三 茎 垂 蕈 垂 囊 曩 垂 囊 囊 总 2 0效 ％ 率 有效功率 l O O 图 1 大型液压挖掘机能量利用分布 分析液压 系统常见 的能耗现象 ，主要有 以下几个 收稿 日期 2 0 1 4 0 4 1 5 基金项 目四川省科技计划项 目 2 0 1 3 G Z X 0 1 5 1 ；四川省高校重点实验室开放基金科研项 目 G K 2 0 1 3 1 0 作者简介 孟志明 1 9 8 8 一 ，男 ，硕士 ，主要从事液压技 术方 面的学习工作 。E - m a i l s u n ． 0 9 2 2 1 6 3 ． c o m。 第 1 O期 孟 志明 等 大型液压挖掘机液压系统节能技术 的研究 1 0 3 方 面 1 溢 流损失 。大型液 压挖 掘机 系统 中溢流 现象一般 出现在过载工况 下 ，此 时泵 的输 出压力超 出 安全阀的设定压力 ，液压 系统就会出现溢流现象 ； 2 沿程损失。沿程损失主要是 因为黏性摩擦产生 的压 力损失 ．这是 不可避免的 ，但 可以通过选 择合适 的材料和优化管路的设计来减少沿程压力损失 ； 3 匹配损失。由于挖掘机在工作过程中负载变化快，尤 其是 在小 负载高转 速的情 况下更 不容易匹配 ，只能设 计新型的快速反应 回路例如负载敏感系统等 ； 4 动能和势能损失。动能和势能损失主要体现在液压挖 掘机 的动臂 和斗杆 工作过 程中 ，尤其是 大型液压挖 掘 机动臂质量较 大 。其蕴含 的动能 和惯性 能大 ，节 能效 果非 常可观 。 2 新节能方案 近几年 。技术人员针对液压 系统 中存在 的溢 流损 失、匹配损失、沿程损失等设计了很多新型的控制回 路和新式元件 ，取得了明显的节能效果。作者针对动 臂势能设计 了新型 的节能方案 。 2 ． 1 系统原 理 图 2为新 式节 能 方案 。该 方案 的能量 回收原 理 为 当动臂下 降时液压缸 中无杆腔 的液压油流 经马达 2 ，经过液压变压器带动变量泵 3 ，使液压油经过单 向阀9进人到蓄能器 2 0中，储存动臂下降时的势能。 动臂下降的速度由液压泵 2的排量决定。控制系统通 过信号控制变量马达 3 的转速进而控制液压泵 2的转 速 ．从而达到调节液压泵 2的排量 的 目的，进而实现 对动臂下架速度 的控制 。另外无杆腔 的液压油 流经再 生 阀 2 6流 回动臂 有杆 腔 ，实现 了流量 再生 ，进 而达 到节能 的 目的。 1 、卜 变 量泵卜 液 压 马达4 一二位 三通 阀 5 、6 、7 一 二位 二通 阀8 、9 、1 6 一 单向 阀1 0 、l l 、l 2 、l 3 、I 4 、l 5 一 油箱 I 7 、1 8 、l 9 _ - 溢流阀 2 o --1 能器 2 l 、2 2 、2 3 、2 4 _ _ 压力传 感器2 5 一梭阀 2 6 一流量分配阀 图 2 新节能方案原理图 2 ． 2建模 与仿真分析 2 ． 2 ． 1 新系统数学模型分析 文中采用气体式蓄能器 ，由波义尔定律得蓄能器 总容积 可由公式 1 计算出 P p p k 1 式 中P 、P 、 P ， 分别 为 蓄能器 储 能前 的充 气 压力 、 系统工 作 最 高 压 力 和 蓄 能器 的最 低 工 作 压 力 ；V ， 、 、 分别为气室容积、最高工作压力下的气体体 积和最低工作压力下的气体体积；n为指数 。 当蓄能器处于平衡时 m d Q 坩 Q p 初 2 蓄能器连续性方程 Q 一 面d V 3 式 中P 末、p 初 分别 为 蓄能 器蓄能 后压 力 以及 初始 状 态压力 ；m为蓄 能器 内液体 当量质 量 ；A 截 为 蓄能 器 油液腔截面积 ；Q为蓄能器吸油流量 。 利用液压变压器相连 的泵与马达力矩方程 p ⋯ - p 一 p b - p b i ．， 4 其 中P m i ， P ，P i ，p k 分别 为 马达 和泵 的进 出 口压 力 ；．， 为 马达 和泵 的转 动惯 量 ；r为 当量 转 动 阻尼 ； 为摩擦力矩。 当动臂下降时动臂液压缸所受 的力平衡为 P 无A 无- A 有P 有F B x 一 F f - mo 5 式 中P 无 ，p 有 分别为动臂无杆 腔和有 杆腔油 液压力 ； A 芜 ，A 有 分别为动臂 液压 缸有杆 腔跟 无杆腔 的有效 面 积 ；F为动臂所受 到 的外负 载 ； ， ” 分别 为动臂 下 降的速度和加速度；B为动臂缸活塞的黏性阻尼；F f 为缸活塞所受摩擦力 。 2 ． 2 ． 2 与现有 系统 比较 分别建立现有系统及新系统 的 A M E S i m模 型 ，如 图 3 4 所 示。 ④ 图 3 现有 系统 1 0 4 机床与液压 第 4 3卷 图 4 新系统 新方案 中蓄 能器 的初始 压力 和体 积分别 设 为 8 O 能效果 。 M P a 、 1 0 L 。回收系统中 马达 和 泵 的 效 率 定 位若 0 ． 8 ， 容 积 效 率 为0 ． 8 5 。叠 仿真时 间跟步长 分别为 ，4 1 0 s 跟 0 ． 1 s 。仿真过程 o 0 中两 系 统所 加 负载 相 同 ， 如图 5所示 0 2 4 6 8 l O 时 间， s 图5 所加负载 通过仿真对比图 6 可看出两系统的运动性能现 差无几，新系统可满足液压缸的运动需求。图7显示 出同一时刻两系统 的能耗 ，明显看 出新系统节能效果 优于现有系统。动臂在完成一个工作过程中虽然速度 控制方面相差无几 ，但节能效果相当明显。而且新系 统利用能量回收回路控制动臂的下降速度 。避免了节 流阀调节动臂下降速度消耗能量导致油温升高的现 象，延长了液压元件的使用寿命 ，提高了系统效率。 e ● 邑 寇 3 0 0 2 S 0 - 2 00 寝1 5 0 盘 1 0 0 5 0 0 0 0 2 4 6 8 1 0 时间， | 图6 液压缸伸缩速度对比 图7 两系统能耗对比 新 系统是在现有 流量 再生 回路 的基础上 提 出的 。 在原有基础上增加 了能量 回收 回路 。文 中对现系统进 行了数学建模和 A M E S i m仿真分析．并与原有回路的 仿真结果进行了对比，得出新回路比原有系统的能量 利用率提高了 1 5 ％，这反映出新方案具有较好的节 3 液压节能技术的发展趋势 随着科技的发展。越来越多的数字技术和软件技 术整合到液压节能技术中。液压节能技术正在向着智 能化 、高性 能 、稳定高效 的方 向发展 ，从 目前 国内外 液压节能技术的发展状况 来看 ，主要有 以下特 点 1 新 动力 系统 的开 发 ，近几 年 以 电力驱 动 的 混合动力系统在液压机械得到广泛应用 。 2 采用高精度新型液压元件，减少液压元件 中液压油的泄漏，提高元件的使用寿命 。 3 结合电控技术改进传统的液压系统，以减 少节 流损失 、溢流损失和沿程压力损失 。 4 采用更加先进的控制方式，提高控制的准 确性 。 5 动力 源输 出功 率控 制更 加智 能 化 ，采 用 电 子控制系统对动力源的输出功率与工作状况进行综合 控制 ，使 两者达到最佳 匹配。 6 提 高液 压油 的净化 处理 能 力 ，控 制液 压油 的泄漏 4结论 对液压系统可能存在的能耗进行了分析。针对能 耗 问题分别从液压元件和液压系统介绍了 国内外先进 的节能技术，并根据现有技术推测了液压节能技术的 发展方向。随着大量的计算机元素融入到液压节能技 术 中，现在液压节能技术 已不只是单纯地达到节能 的 目的，人们把更多的精力放在提高液压系统的综合指 标上。 下转第 1 2 6页 1 2 6 机床与液压 第 4 3卷 4换刀部分 P MC程序设计 飞碟式刀库 的换刀控 制 由换刀 宏程序 和 P MC控 制程序两部分共同完成，在换刀宏程序中用 M5 5作 为 P MC程序的入 口，执行相关的换刀动作。使用I ／ O L i n k 轴作为刀库伺服电机控制。可 以利用 I ／ O L i n k 轴的A T C ／ 转台控制功能代码完成刀库的选刀，通过 定义功能代码 中的指令 数据 1 完成 自动选刀或手动按 一 下转动一 个 刀位 。 自动选 刀部 分梯 形 图如 图 6所 示 ，其 中 x和 Y 的地址 都从 6 0开始 ．A 0 0 0 8 ． 1 为 z 轴到达参考点 1 后主轴未定位报警 ，A 0 0 0 8 ． 2为刀库 未在换刀点 参考点 2 以上的位置选刀报警。 图 6 刀库 自动换刀 P MC程序 刀库的 “ 回零” 运 行是利 用 I ／ O L i n k轴 的 “ 参 考点返 回功能”建立 的零点 ，将 1 号刀事先 手动 调整到换刀位置 ，并将此位置 的机械坐标值存储在参 考点 的机 床 坐标 值 参数 1 4 4或 1 4 5中。在手 动 模 式 下 ，通过操作面 板上 “ 刀库 回零 ”按 键 ，刀库 回到 所设定 的刀库原点 。 5结束语 用 F A N U C 13 i s 0 ． 5 ／ 6 0 0 0伺服电机代替刀库原来的 电机 ，不仅提高 了刀库 的换刀速度 ，还保证 了换刀 的 可靠性，避免因刀库中的传感器故障发生错误。在换 刀过程中通过 P MC窗 口功能 ，保证 刀库 在运转 过程 中的安全 。实践证 明利用 F A N U C系统 的 I ／ O L i n k 轴控制刀库伺服电机可大大提高换刀效率和换刀的可 靠性 ，同时还可以提高刀库的换刀精 度。 参考文献 [ 1 ]李洪波， 黄琳． 三菱 M7 0系统 P L C窗口功能在夹臂式刀 库上的应用[ J ] ． 制造技术与机床， 2 0 1 3 8 1 5 0 1 5 2 ． [ 2 ]F A N U C O i - 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