液压挖掘机能量回收系统的仿真分析.pdf

2 0 1 1 年 1 2月 第 3 9卷 第2 3期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS De c ． 2 01 l Vo 1 ． 3 9 No ． 2 3 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 2 3 ． 0 4 0 液压挖掘机能量回收系统的仿真分析 李培 ，韩雪 ，吴文海 ，柯坚 1 ．西南交通大学机械工程学院，四川成都 6 1 0 0 3 1 ； 2 ． 成都南车隧道装备有限公司，四川成都 6 1 0 0 3 1 摘要普通液压挖掘机在典型工况下，动臂 、斗杆和铲斗下降存在着巨大的势能浪费，并且 由此而引起液压元件发 热、失效等问题。针对这些情况，设计一种由换向阀、液压马达、发电机和蓄电池组成的能量回收系统。采用 A M E S i m建 立了挖掘机工作装置和液压系统的仿真模型。仿真结果表明在一个工作周期中，动臂可回收能量最高，且其对应回收系 统中蓄电池的荷电状态值 S O C 增加最多。所以在进行混合动力挖掘机设计时，优先对动臂的能量进行回收，可以在控 制装机成本的情况下 ，最大程度地实现节能。 关键词 液压挖掘机；A ME S i m软件 ；工作装置；荷电状态值；能量 回收 中图分类号 T F 2 7 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 2 31 4 1 3 Si mu l a t i o n An a l y s i s o f En e r g y Re c o v e r y Sy s t e m f o r Hy dr a u l i c Ex c a v a t o r L I P e i ，HAN Xu e ．WU We n h a i 。KE J i a n 1 ． 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 ，S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 3 1 ，C h i n a ； 2 ． C h e n g d u C S R T u n n e l E q u i p m e n t C o ． ，L t d ． ，C h e n g d u S i e h u a n 6 1 0 0 3 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Th e r e i s a h u g e w a s t e o f g r a v i t a t i o n a l p o t e n t i al e n e r g y w h e n t h e b o o m，a H I l a n d b u c k e t d r o p d o wn i n t h e t y p i c al wo r k i n g c o n d i t i o n o f h y d r a u l i c e x c a v a t o r ， a n d i t c a u s e s h y d r a u l i c c o mp o n e n t f e v e r ，f a i l u r e a n d o t h e r i s s u e s ． F o r t h i s s i t u a t i o n， a n e n e r gy r e c o v e r y s y s t e m c o mp o s e d o f s e l e c t o r v a 1 v e，h y d r a u l i c mo t o r ，g e n e r a t o r a n d b a t t e r y wa s d e s i g n e d ．T h e s i mu l a t i o n mo d e l s o f e x c a v a t o r wo r k i n g d e v i c e a n d h y d r a u l i c s y s t e m wa s e s t a b l i s h e d b y AME S i m． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t i n a w o r k i n g c y c l e ， t h e b o o m h a s t h e m i m u m r e c o v e r abl e e n e r gy，and t h e b a t t e r y ’S s t a t e o f c h a r g e S O C i n t h e c o r r e s p o n d i n g r e c o v e ry s y s t e m i n c r e a s e s m o s t ．S o d u ri n g t h e d e s i gn o f h y b ri d e x c a v a t o r ，t h e mi mu m e n e r gy s a v i n g p u r p o s e c a n b e a c h i e v e d w h e n t h e i n s t a l l e d c o s t i s c o n t r o l l e d b y g i v - i n g p rio r i t y t o t h e b o o m ’ S e n e r gy r e c o v e r y ． Ke y w o r H y d r a u l i c e x c a v a t o r ；A M E S i m s o f t w a r e ；Wo r k i n g d e v i c e ；S t a t e o f c h arg e S O C ；E n e r gy r e c o v e ry 液压挖掘机在当今工程建设中起着举足轻重的作 用，广泛应用于土方施工、水利工程 、国防建设和一 些地质灾害的救援等。液压挖掘机在工作过程中，铲 斗、斗杆和动臂都会频繁往复运动，它们都具有较大 的惯性，在减速制动时会造成很大的能量浪费，所以 液压挖掘机一直存在能耗高、排放差等问题。然而根 据现代都市型施工的特点，施工企业对工程机械的环 境性能要求越来越高，如低噪声、低振动、清洁排放 等，同时面对当今社会能源紧缺、环境问题 日益严重 的情况 ，节 能减排 已经成 为 工程 机械 发展 的关 键 技 术 。 随着混合动力技术在汽车领域的成功运用，在液 压挖掘机上应用混合动力技术成为挖掘机节能研究的 一 个重要方向。在混合动力技术中，对工作装置能量 回收的研究是挖掘机节能减排的重要环节，其主要是 将执行机构的势能及工作液压缸中的压力能进行 回 收 。 单纯通过实验研究液压挖掘机的节能技术，会造 成研究时间过长、经费过高等问题。通过计算机仿真 能很好地解决这些问题，从 而提高研发效率。法国 I MA G I N E 公司研制开发的 A M E S i m为用户提供了一个 完善的时域仿真建模环境，该软件功能强、可靠性 高，在工业研发领域得到了广泛的应用。 文中针对挖掘机上车部分机械结构和液压系统进 行了研究，设计了能量回收系统，并建立了相关的仿 真模型。对工作过程中各工作机构所消耗的功率和可 回收的功率进行了对比分析，研究了各工作装置能量 回收的效率，为混合动力挖掘机能量回收的设计提供 了参考。 1 能量回收系统 1 ． 1 液压挖掘机工况分析 由于液压挖掘机的工作过程是循环往复的，所以 作者单独分析一个典型工况，整个工作过程从下挖 、 负载起升到卸载耗时约为 5 0 S 。工作过程中各液压缸 收稿日期2 0 1 0一 l 1 0 2 作者简介李培，硕士研究生，研究方向为混合动力挖掘机液压系统。Em a i l fi g h t t i m e q q ． c o rn。 1 4 2 机床与液压 第 3 9卷 活塞杆相对缸体本身 的位 移 曲线 如 图 1所 示 ，0～ 2 0 s 是挖 掘作 业 阶段 ，这 个 过 程 中 先动臂下降，然后再 进行斗杆和铲斗 的复 合挖 掘 ；2 0～3 5 S 是 负 载抬 升 阶 段 ，3 5～ 4 0 S 是卸载阶段 ，4 0～ 5 0 S 是 回复 到 初始 工 作位置阶段。 l | 8 1 ． 4 宴 1 ． 0 0． 2 ．O ． 2 l 一动臂液压缸活塞杆位移曲线 2 一斗杆液压缸活塞杆位移曲线 3 一铲斗液压缸活塞杆位移 曲线 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 时 间， s 图 1 各工作液压缸位移曲线 1 ． 2能 量 回收 系统的原 理 在液压挖掘机工作过程中，当动臂下降、斗杆下 放 、铲斗放铲和卸载时 ，回油腔中的压 力油通 过多路 阀组后，直接流回油箱，运动速度由多路阀回油 口的 开度来控制。在这个工作过程中，各个液压缸产生的 势能除了小部分转换成动能外，其余的能量以热能的 形式全部消耗在多路阀阀口上。为了解决液压挖掘机 这一能量耗散问题，设计了能量回收系统，系统原理 图如图 2 所 示。 1 一动臂液压缸 2 一斗杆液压缸 3 一 铲 斗液 压 缸 4 一多路阀组 5 _ - 换向阀 油 箱 卜 液 压 马达 8 _ _ 液 压泵 ，9 _ ． 节流阀 。 l o _ - 控 制器 l l 一离合器 l 2 一蓄电池 l 卜 发电机 图2 能量回收系统原理图 当动臂上升、斗杆上升和铲斗挖掘时，由泵输出 的压力油推动液压缸活塞运动 ，回油腔中的液压油通 过换向阀右位直接流回油箱；当动臂下降、斗杆下 放、铲斗放铲和卸载时，各液压缸在重力作用下 自动 回缩或伸长，回油腔压力油经过换向阀的左位驱动液 压马达，将液压能转换为机械能，然后通过发电机将 机械能转换为电能，并存储到蓄电池中。 1 ． 3 能量回收 系统的分析 能量回收系统主要由换向阀、液压马达、发电机 和蓄电池组成。在回收工作装置的势能时，通过调节 液压马达的流量来控制液压缸回油腔的背压 P ，从 而控制工作液压缸的运动速度 ． ，这个过程中液压缸 的运动主要依靠重力进行，忽略其泄漏和进油腔压力 P， o P d t ，n b c v 一Pl AlFf 式中 为液压油的弹性模量； P 、A 分别为液压缸无杆腔压力和有效工作面 积 ； 为液压缸与马达之间容腔的容积； D 、 分别为液压马达排量和角速度； 为液压缸活塞的摩擦力； b 为液压缸活塞及负载的黏性阻尼 ； m为液压缸活塞及负载折算到活塞杆上的总质 量 。 液压油通过液压马达，驱动发电机进行发电，将 回收能量以电能的形式存储到蓄电池中。发电电流 为 ， Dm p 1 一 J i o 一 b m tO 一 ／ U o 式 中t ， 为发电机和液压马达的总转 动惯量 ； b 为发电机和液压马达的黏性阻尼系数； 为电池或电容的工作电压 ； 为摩擦力矩。 J ， b I g d t L 『__ 式中 为电池或电容的放电电流； c为节点容量。 I t , 。 。 一U 。 ／ R I n t 式中U 和尺 分别是电池的开路电压和内阻，， 是 荷电状态 S O C的函数。 2 仿真模型的建立 2 ． 1 工作装置的模型建立 Bo d y 3 湾⋯。 B o d y 4 B0 d l I 一 u 龛 图 3 工作 装置仿真模型 挖掘机上车部分的工作装置主要由动臂、斗杆和 铲斗组成。当挖掘机定点正常工作时，挖掘机的3个 工作装置可看成在一个平面内，属于二维运动，所以 可以采用 A ME S i m中的二维机构库来实现工作装置的 建模，同时可以采用 A M E V i e w e r 来观察机构的运动 第 2 3期 李培 等液压挖掘机能量回收系统的仿真分析 1 4 3 等⋯- -． _9 - -- V ≥ 囊 ⋯ 跏 盎 图4 液压挖掘机能量回收系统仿真模型 3系统仿真分析 在仿真环境下 ，设置系统运行时间为 5 0 S ，扫描 间隔为0 ． 0 5 s 。工作过程为动臂下降到工作点，斗杆 和铲斗配合进行挖掘 ，动臂、斗杆铲斗同步抬升至放 铲卸载高度 ，然后进行卸载。在整个工作过程中系统 输入为一个压力为2 0 0 MP a的恒压源，各液压缸的输 入功率如图5 。 挖掘机正常工作 2 0 o 时 ，动臂下降、斗杆 下放、铲斗放铲和卸 载时 ，都存在着 巨大 的势能 浪费 ，这 些能 量 以热 能的形式 消耗 在系统中。通过仿真 模 型 可得 出各 工 作 装置 可 回 收 的功 率 如 图 6 。 如 图 6所 示 在 挖掘机进 行挖 掘作 业 和回初始位置时，动 臂 和 斗杆 的 下 降 过 程 ，都存在着较大 的 功率可供回收；在铲 斗放 铲 下 挖 和 卸 载 时，也可回收一部分 功率。从整个过程可 至 。 旃1 0 0 窆5 0 舞 0 ．50 1 动臂液压缸2 一斗杆液压缸 0 1 0 2 O 3 0 4 0 5 0 时 间／ s 图5 工作液压缸输入功率 l 一动臂液压缸2 一斗杆液压缸 3 一铲斗液压缸 挖掘 负载抬升 卸载 回初位 图6 工作液压缸可回收功率 以看出动臂可回收的功率最大，斗杆存在一定的可 回收功率 ，铲斗的可回收功率最小。 在能量回收过程中，各工作液压缸回油腔中的液 压油流经换 向阀，驱 。 。 动 液 压 马 达 将 液 压 能 转换为机械能 再通 星 0 _5 2 0 过发 电机将机械能转 0 ． 5 1 0 换为电能并存储到蓄 0 ． 5 0 0 1 2 6 机床与液压 第 3 9卷 由图 3可 知 在 频 率 为 1 8 0 、1 9 5 、2 6 5 、2 7 5 、 3 1 5和3 2 5 H z 时刀具位移较大，并通过计算分别得到 在上述频 率点 的三向当量位移 为 4 ． 3 、4 ． 4 、2 ． 2 、 2 ． 1 、3 ． 3和 2 9 ． 8 I ．L m。由图还 可以得到 向加载 时 在 1 9 5 H z 时 向刚度较弱；Y向加载时在 1 8 0和 3 2 5 H z 时 Y向刚度较弱以及在 2 6 5 H z 时 z 向刚度较弱；z 向加载时在 1 9 5 H z 时 向刚度较弱 ，2 7 5 、3 1 5和 3 2 5 H z 时 Y向刚度较弱 以及 2 7 5 H z 时 向刚度较弱 。由 与立柱结合的部分应变较大，同时床身地脚处和滑座 装滑块的部分应变也较大 ，这些将作为今后改进过程 中改进的方向。 4 振动测试 该测试采用现场动平衡仪对 D V G 8 5 0样机进行 振动测试，为了能较精确地测试出刀具部位的振动情 况，在测试时把传感器装在电主轴的轴承座上，对机 床在转速为 1 0 0 0 0～ 2 0 0 0 0 r ／ m i n进行测试 ，测试结 应变分析可知立柱两胯部和主轴箱中部以及床身后部 果如表 2 所示。 表 2 电主轴振动测试结果 转速／ r m i n 对应频率／ H z 振动／ m 转速／ r m i n 对应频 - ／ Hz 振动／ m 1 0 0 0 0 1 6 6 ． 7 0 ． 6 9 3 1 7 0 0 o 2 8 3 ． 3 1 ． 5 8 1 2 O0 0 20 0 3． 3 8 l 8 0 oO 3 00 2 ． 07 1 4 0 o 0 2 3 3 ． 3 0 ． 3 7 1 9 o o O 3 l 6 ． 7 3 ． 3 l 2 1 5 0 o 0 2 5 0 0 ． 2 2 4 2 0 O 0 o 3 3 3 ． 3 2 7 ． 1 6 1 6 O 0 o 2 6 6 ． 7 1 ． 9 由测试结果 可知在转 速为 1 2 0 0 0 、1 6 0 0 0 、 1 7 0 0 0 、1 8 0 0 0 、1 9 0 0 0和 2 0 0 0 0 r ／ m i n为其固有频 率时的转速，同时结合上述模拟分析结果可知，分析 结果与试验测试结果基本一致。 5结 论 1 利用 Wo r k b e n c h有限元分析软件对 D V G 8 5 0 高速立式加工中心进 行模态 分析 和谐 响应分析 ，找 出 目前该型机床存在的问题 ，并提出了具体 的改进方 案 。 2 通过对测试结果的分析与仿真结果的对 比 证明了仿真结果是可信的。 参考文献 【 1 】 张紫华． Y H 6 0 3型弧齿锥齿轮铣齿机结构动态设计研 究[ D] ． 天津 天津科技大学 ， 2 0 0 8 ． 【 2 】 李兵， 何正嘉， 陈雪峰． A N S Y S Wo r k b e n c h设计、 仿真与 优化[ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 8 ． 【 3 】 唐国兴， 尹飞鸿． X H 7 1 5型数控立式加工中心床身动态 优化设计的研究[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 0 7 1 2 2 1 2 3． 【 4 】 王伟伟， 董彦， 翁泽宇． X K 7 1 7 数控铣床整机结构动态特 性的有限元分析[ J ] ． 机械工程师， 2 0 0 7 6 8 2 8 4 ． 【 5 】 袁松梅， 林继杰 ， 刘强． 数控机床整机有限元分析 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 4 1 71 8 ． 【 6 】 李涛， 马春翔． M B 4 2 5 0 - 2 高精度立式珩磨机床动态特性 分析[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 0 8 1 1 1 6 31 6 5 ． 上接第 1 4 3页 的仿真模型。仿真结果表明 1 在一个完整 的工作周期 内，动臂下降、斗 杆下放、铲斗放铲和卸载时都可以进行能量回收。 2 从整个过程来看动臂液压缸可回收的能 量最高，在对挖掘机能量进行回收利用时，优先对动 臂的能量进行回收，可以在控制装机成本的情况下， 最大程度地实现节能。 3 仿真结果为混合动力挖掘机的设计提供了 参考。 参考文献 【 1 】李永堂， 雷步芳， 高雨茁． 液压系统建模与仿真[ M] ． 北 京 冶金工业出版社， 2 0 0 3 ． 【 2 】W A N G Q F ， Z H A N G Y T ， X I A O Q ． E v a l u a t i o n f o r E n e r g y S a v i n g E f f e c t a n d S i mu l a t i o n Re s e a r c h o n E n e r g y S a v i n g o f H y d r a u l i c S y s t e m i n H y b r i d C o n s t r u c t i o n Ma c h i n e r y [ J ] ． C h i n e s e J o u r n al o f Me c h a n i c al E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 5 1 2 l 35 一 l 4U． 【 3 】 林潇， 管成 ， 裴磊， 等． 混合动力液压挖掘机动臂势能回 收系统[ J ] ． 农业机械学报， 2 0 0 9 4 9 61 0 1 ． 【 4 】WA N G D o n gyu n ， P A N S h u a n g x i a ． D e s i g n o f E n e r gy S t o r a g e U n i t f o r H y b ri d E x c a v a t o r P o w e r Ma n a g e m e n t [ C] ／ ／ I E E E V e h i c l e P o w e r a n d P r o p u l s i o n C o n f e r e n c e V P P C ， H a r b i n ， C h i n a ， 2 0 0 8 15 ． 【 5 】 张彦廷， 王庆丰 ， 肖清． 混合动力液压挖掘机液压马达的 能量回收及试验 [ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 7 8 2 1 8 2 2 3 ． 【 6 】武宏伟， 权龙． 负载敏感 型挖掘机液压系统能耗分析 [ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 9 6 3 4 3 8 ． 【 7 】余佑官， 龚国芳， 胡国良 A M E S i m仿真技术及其在液压 系统中的应用[ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 5 3 2 8 3 0 ． 【 8 】郑小军， 陶薇． 基于 A M E s i m的液压挖掘机运动及控制 仿真[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 9 2 2 4 2 6 ． 【 9 】张彦廷， 雷西娟． 混合动力液压挖掘机多泵驱动系统节 能效果的仿真评价[ J ] ． 工程机械， 2 0 0 8 2 5 35 5 ．