液压挖掘机回转液压系统能量回收研究.pdf

2 0 1 2年 7月 第 4 0卷 第 1 4期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 1 4 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 4 ． 0 1 9 液 压挖掘机回转液压 系统能量回收研究 高佩川，孙孟辉，李建启 南京工程 学院机械 工程学院，江苏南京 2 1 1 1 6 7 摘要 液压挖掘机在工作过程中存在很大的能量损失，其原因是其转台转动惯量大且需要频繁启动和制动。针对液压 挖掘机回转液压系统 ，回收转台的制动能量并在转台反向启动时予以释放，以实现转台制动能量的回收和再利用。在此基 础上 ，分析节能 系统 的能量回收机制 ，并通 过 A ME S i m进 行仿 真试验 。试 验结果 表明 该节 能系统 的节能效 果较为 明显 ， 液压挖掘机能耗得 到了降低。 关键词液压挖掘机 ；回转系统；能量回收；A M E S i m仿真 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 40 5 1 3 Re s e a r c h o n En e r g y Re g e n e r a t i o n i n Sl e wi ng En e r g y- s a v i ng S y s t e m o f H y d r a u l i c Ex c a v a t o r GAO P e i c h u a n．S UN Me n g h u i ． L I J i a n q i 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 ，N a 嘶i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，N a n j i n g J i a n g s u 2 1 1 1 6 7 ，C h i n a Abs t r a c tThe r e l i e s l a r g e e n e r g y l o s s，be ca us e i t s r o t a r y t a b l e p o s s e s s es l a r g e r o t a r y i n e r t i a a n d n e e d se q u e n t s t a r t i n g a n d b r a k i n g ．T a k i n g a k i n d o f s l e w i n g h y d r a u l i c s y s t e m o f h y d r a u l i c e x c a v a t o r a s r e s e a r c h o b j e c t ，b r a k i n g e n e r g y o f r o t a r y t a b l e w a s r e c y c l e d a n d r e l e a s e d wh e n r o t a r y t a b l e s t a rt i n g o p p o s i t e l y ， t o r e a l i z e r e c y c l i n g a n d r e p u r p o s i n g o f b r a k i n g e n e r g y o f r o t a r y t a b l e ． On t h e b a s i s ， t h e t h e o ry o f e n e r gy r e g e n e r a t i o n o f t he e n e r g y s a v i n g s y s t e m wa s a na l y z e d． Th e s i mul a t i o n e x p e r i me n t wa s c a r r i e d b y AMES i m． The e x pe r i me n t a l r e s ul t s h o ws t h a t e n e r g y s a v i n g e f f e c t i s o bv i o u s a n d e n e r g y l o s s i s de c r e a s e d ． Ke y wo r ds Hy d r a u l i c e x c a v a t o r；Sl e wi n g e ne r g y s a v i n g s y s t e m ；Ene r gy r e g e ne r a t i o n； AMES i m s i mu l a t i o n 在能源 日益 紧缺 的今 天 ，高效 节能的产品 日益受 到人们 的青睐 ，节能技术一直是液 压领域所关 注的重 大课题 之一⋯ 。液压挖掘机是一种 功率 比较 大的工程 机 械 ，但 是其 能量 的总 利用 率仅 为 2 0 ％左 右 。受世 界能 源危机和环境保护 的影 响 ，液压挖掘机实现 能源 节 约一 直是业界努力追求 的 目标 。 在 液压挖掘机的所有工作循环 中 ，回转运动 占液 压挖掘 机整个 工作 循 环时 间 的 5 0 ％ ～ 7 0 ％ ，回转 运 动能量损 耗 占 2 5 ％ ～ 4 0 ％ ，发 热 量 占系 统总 发 热量 的 3 5 ％ ～4 0 ％ 。因此 ，针对 液压 挖 掘机 回转液 压 系统进行能量 回收方面的研究有较为重要的意义。文 中针对液压挖 掘机 回转 系统 ，回收转 台 的制 动 能量 ， 并在转 台反 向启 动时予以释放 ，以实现转 台制动能量 的回收 和再利 用 ，取得 了较 为 良好 的效果 。 1 液压挖掘机回转液压系统 回转运动是液压 挖掘机的主要动作之一 ，是 由液 压挖掘机 回转 液压系统 来完成 的。在 挖掘机 工作 时 ， 回转过程可分为加速 、匀速 、减速 3个阶段。图 1 所 示 为液压挖掘机 回转运 动特性曲线 ，是 液压 挖掘机在 一 个工作循环期 间回转运动 的规律 。 ／ ， “屯 ’ ／ ／ 图 1 液压挖掘机 回转运 动特性 液 压挖 掘 机 回转 液 压 系统 原 理 如 图 2所 示 ，该 系 统 以液压 马达作 为 执行 元 件 ，采 用 液 压 泵 供 油。 在 回转 机 构 加 速 过 程 中 ， 由液压 泵给液压 马达供油 ， 此时液 压 马 达 加 速 。当运 行 到匀 速 阶 段 后 ，回转 机 构匀速 转 动 。而 当开 始 减 速时 ，液压 泵 停 止 给 马达 供油，并 在此 阶段给液压 马达 一 定 的 制 动 作 用 ，使 马达 减 速 ，在 马 达 制 动 过 图 2 液压挖掘机 回转 液压系统原理图 收稿 日期 2 0 1 1 0 5 2 3 基金项目江苏省高校 自然科学基金项 目 0 4 K J D 5 1 0 0 8 3 作者简介高佩川 1 9 6 2 一 ，男，副教授，研究方向为流体传动与控制技术。Em a i l l t 6 0 0 7 1 6 3 ． c o n。 5 2 机床与液压 第 4 0卷 程中会产生较大的能量 损失 。 。 2 回转系统的能量损失及回收 在 回转过程 中，挖掘 机能量 损失包 括 以下 两点 1 启动过程中所产生的溢流损失； 2 制动过程 中产生 的动能损失 ] 。 当采用定量泵时 ，转台启动过程中，液压马达角 速度 为 片 号 △ p d 式中 ∞为回转 马达转 速 ；T为 回转 马达转 矩 ；J为 回转马达输出轴的转动惯量；V为回转马达排量；△ p 为 回转马达两腔压力差。 由于启动过程 中，始终存 在溢 流 ，故 △ p近似恒 定 ，因此可得 一t V A p 2 一 ， I Z J 若不计液压马达本身的功率损失，启动过程中回 转液压 马达 吸收的功率为 P 3 功率 随回转马达启 动时问呈线性增加 ，回转马达 在启 动期 间吸收的能量为 EA p V ,p 4 J w d t 03 t 1 5 E A p r o , t l 6 式 中 是启动时 的回转 马达转角 ；t 是启动时间 。 在该过程 中，液压泵的功率是 P ，其输出能量 为 E △ p 。 V b 7 式中E 为液压泵两腔压力差 ；I ， b 为液压泵的排量 ； 为转 台启动过程 中液压泵的转角。 如果 ，T ，a p△ p ，则 Eb 2 E 8 由 上 述 推 导 并 经 过 分 析 可 知 在 转 台 启 动 阶 段 ，转 台 加 速 消耗 了泵 的一半 输 出 功 率 ，另 一 半 功 率 消 耗 则 在 溢 流 时 发 生 。 液压 回 转 系 统 的 能 量 损失如 图 3 所示 。 采 用 定 量 泵 时 ， 转台制动过程 中 的动 能转 化为 热能。在 转 台启 动 过 程 中 ，回 转 l 一启 动 阶段 能量 损 失 卜 制 动过 程 中 的能量 损 失 3 一 反 向制动 时 的全 部能 量损 失 图 3 液压挖掘机 回 转能量平衡图 马达处于加速状态 ，此时液压泵供给马达的油液大部 分经溢流阀溢 流，此时溢流损失较大 。而在 转台减 速 阶段马达 制动 ，此过程 中转 台具有 的惯性能量没有被 回收，故产生较大能量损失 。根据液压挖掘机 回转液压 系统的特点 ，作者采用 了一种能量 回收装置 回收转台 的制动 能量 ，并在 转 台反 向启 动时 予 以释 放，以实现转台制动能量的回收和再利用，其原理如 图 4所示 。 [- -- L 三 3 一 l 一 ． i 9 【 习 L 【 J J l 1 6 f ． ． ⋯ 图4 液压挖掘机回转液压系统能量回收原理图 在回转 马达启 动阶段 ，液压泵输 出的液压油一部 分供 给液压 马达 ，使转 台启动并加速 ，而多余 的油液 由蓄能器储 存起来 。随着转 台的加速 ，泵供给 马达 的 油液逐渐增多，当泵输出油液完全供给马达时，启动 阶段结束。在此之后，蓄能器释放所储存的液压油 ， 和泵一起给马达供油，使转台再次加速 ，起到了回收 溢流损失能量 的作用 。 在制动过程 中，泵停 止给液压马达供油 ，回转马 达 因为惯性继续 回转 ，此时马达处于泵的工况 ，输出 的液压油被蓄能器吸收 。此时 ，马达原 出油 口压力升 高 ，使得制动力矩形成，达到了回转马达制动时能量 损失 的回收和利用 。 转 台经过上述一次制动之后 ，蓄能器吸收 了制动 能量 ，之后转 台的回转称作一般 回转工况 。该工况的 启动 阶段可分 为以下过程 其一是 当泵卸荷而蓄能器 独 自供 油时 ，蓄能器输 出的油液进入 回转 马达 ，使转 台启 动 ，在启动初期 ，由于蓄能器 中的压力高于卸荷 阀的调定压力 ，故使泵卸荷 ，单独由蓄能器放油驱动 回转马达，实现制动时所回收能量的再生 ；其二是当 液压泵和蓄能器同时供油时 ，在此 阶段开 始时 ，蓄能 器排油后压力降低 ，当油压 低 于卸荷 阀设定 压力 时 ， 该阀关 闭 ，泵 和蓄能器同时给液压 马达供 油。 第 1 4期 高佩川 等液压挖掘机回转液压系统能量回收研究 5 3 3仿真研究 根据 上文所 述液压挖掘机 回转液压 系统 能量 回收 策略，采用 A M E S i m仿真软件进行仿真研究 ，其仿真 模 型如图 5所示 。 ④ 图5 液压挖掘机回转液压系统仿真模型 其参数设置 如表 1 所示 。 表 1 仿真参数设置 根据上述仿真模型，进行仿真试验，蓄能器充放 油液 时压 力曲线如图 6 所示 ，马达转 速曲线如图 7所 示 ，新 旧系统 马达转速对 比曲线如 图 8所示 。 由图 6 8 可知 第一 阶段 t 0～ 4 J D s 为启 动 阶段 ，泵 同时 给 蓄 能 器 和 马达 供 能 ；第 二 阶段 t 4 o～ 8 0 s 为制动阶段 ，泵停止工作，回转马达呈泵工 况 ，它排出的油经单向阀进入蓄能器；第三阶段 t 8 0～1 6 0 s 为第二次启动阶段，前 1 ． 5 s 由蓄能器单独 供油给马达，1 ． 5 s 后与泵同时供油给马达使其转动。 由以上仿真结果可知 在装有蓄能器 的液压挖 掘 机 回转液压系统 中，能够将制动时损失 的能量重新 利 用 ，达 到了较好 的节能效果 。 图 8 新旧系统马达转速对 比图 4结 论 通过分析 液压 挖掘 机 回转节 能装 置 运动 特性 分 析，建立了A M E S i m仿真模型。分析表明在蓄能器 下转第 5 6页 5 6 机 床与液压 第 4 0卷 频率 。具体整定方法如下 1 置 K 。 K 1 0 ，然后 增加比例系数一直到系统开始振荡； 2 记下此时 比值 ，然后按式 4 求得 ，K 和 。按 以上 步骤得到的一组较好 的 P I D参数K p 0 ． 7 5 ；K I 0 ． 0 0 7 2；KD0 ． 0 2。 由上述所得的 P I D参数 ，仿 照图 3在 S I MU L I N K 中搭 建 P I D仿 真框 图 ，此时 系统 的输 入正 弦曲线 与输 出曲线如 图 6所示 。可看 出 系统 的输 出在时 间 上略有滞后，这是由于电液比例阀存在的死区和间隙 0 线跟 随性 良好 ，能 满足跳 ， ／ s 汰选煤控制系统 的要求 。 图6 P I D参数整定仿真图 5结论 针对传统 电气控制 和电液伺服 阀执行机构控制的 缺点，提出了用电液比例方向阀控制动筛液压跳汰机 的跳床。通过理论分析和仿真研究，从理论上证明基 于电液比例技术控制动筛跳汰机是稳定可行的，且所 建立的数学模型和校正控制均符合实际跳汰选煤工 艺，为跳汰选煤控制工艺的改进和选煤效益的提高提 供 了参考。 参考文献 【 l 】 陈建中， 齐连锁 ， 张恩明， 等． T D 1 4 ／ 2 ． 8 型动筛跳汰机的 研究[ J ] ． 选煤技术 ， 1 9 9 3 5 1 8 2 1 ． 【 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 21 1 3 ． 【 3 】石峻岭， 姜忠学， 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