液压挖掘机动臂节能系统分析.pdf

2 0 1 3年 1月 第 4 l 卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I C S J a n ． 2 O1 3 Vo 1 ． 4 1 No ． 1 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 3 ． 0 1 ． 0 1 3 液压挖掘机动臂节能系统分析 吴文海，柯坚，李培，刘桓龙 ，于兰英 西南交通大学机械工程学院，四川成都 6 1 0 0 3 1 摘要 针对液压挖掘机动臂下降过程中大量势能转化为热能的工况，对普通的动臂液压回路、动臂流量再生回路和动 臂势能回收系统进行了分析和比较，根据动臂下降过程中能量的变化，改进设计了带势能回收的流量再生回路系统。以2 3 t 液压挖掘机为研究对象 ， 分析并计算了4种回路的功率分配和能量损耗。采用仿真软件 A M E s i m建立仿真模型，对 4 种回 路的运行参数和能量损耗进行对比，并对带势能回收的流量再生回路的关键参数进行分析。仿真结果表明选择合适参数 的带势能回收的流量再生回路大大降低了节流阀上能耗，具有较高的能量利用率。 关键词液压挖掘机；动臂 ；节能系统；流量再生；势能回收 中图分类号T H1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 0 4 5 6 An a l y s i s a b o ut Bo o m En e r g y S a v i n g S y s t e m o f Hy dr a u l i c Ex c a v a t o r W U We n h a i ，KE J i a n， L I P e i ，L I U Hu a n l o n g ，YU L a n y i n g 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 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 Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e s i t u ati o n o f a l o t o f p o t e n t i a l e n e r g y c h a n g i n g i n t o h e a t d u r i n g t h e h y d r a u l i c e x c a v a t o r s b o o m g o i n g d o wn，t h e c o mmo n b o o m h y d r a u l i c l o o p，b o o m fl o w- r e g e n e r a t i o n l o o p a n d b o o m p o t e n t i a l e n e r g y r e c o v e r y s y s t e m w e r e c o mp a r e d a n d a n a l y z e d ． Ac c o r d i n g t o t h e e n e r g y c h a n g i n g i n t h e p r o c e s s o f b o o m g o i n g d o wn ， t h e fl o w r e g e n e r a t i o n l o o p w i t h e n e r gy r e c o v e r y s y s t e m w a s d e s i g n e d w i t h i mp r o v e m e n t ．B y t h e s t u d y o b j e c t o f 2 3 t o n h y d r a u l i c e x c a v a t o r ，t h e p o w e r d i s t r i b u t i o n a n d e n e r g y l o s s o f t h e f o u r l o o p s we r e c a l c u l a t e d a n a l y t i c a l l y ． T h e s i mu l a t i o n mo d e l b y AMEs i m s o f t wa r e wa s e s t a b l i s h e d，t h e r u n n i n g p a r a me t e r s a n d e n e r g y l o s s o f t h e f o u r l o o p s we r e c o mp a r e d， a n d k e y p a r a me t e r s a b o u t t h e f l o w r e g e n e r a t i o n l o o p w i t h e n e r g y r e c o v e r y d e v i c e w e r e a n a l y z e d ． S i m u l a t i o n r e s u h s s h o w t h a t t h e fl o w r e g e n e r a t i o n l o o p w i t h e n e r gy r e c o v e r y d e v i c e c a n g r e a tl y r e d u c e t h e e n e r g y l o s s o n t h e t h r o t t l e v a l v e b y c h o o s i n g s u i t a b l e p a r a me t e r s ， a n d h a s h i g h e n e r gy u s i n g e f f i c i e n c y ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c e x c a v a t o r ； Bo o m ； E n e r gy s a v i n g s y s t e m ； F l o w r e g e n e r a t i o n； P o t e n t i a l e n e r gy r e c o v e ry 液压挖掘机是工程机械主要机种 ，广泛地应用于 各个领域 ，能量消耗大 ，由于全球能源危机及环保要 求的提高 ，液压挖掘机的节能研究 已成为一个非常迫 切的课 题 。 挖掘机工作时，动臂进行着频繁的升降运动，其 中下降过程中大部分势能以热能的形式消耗在多路阀 口，不仅浪费能量，而且易引起液压系统的温升，降 低易损件 的寿命 ，动臂下降过程 中可 回收能量约 占系 统可 回收能量 的 7 0 ％左 右 ，故对 其 节能研 究 是挖 掘 机节能研究的一个重要突破 口 。 目前 国内外对挖掘机动臂 的节能技术做 了大量研 究，取得了一些成果，总的来说可以归结为流量再生 和势能 回收两种方案 。当前多数液压挖掘机上动臂采 用了流量再生回路，以提高工作装置的作业速度，改 善复合操纵性能，降低了液压系统的能耗，但是这种 回路在节流阀口损耗能量大，能量利用率低 。随 着混合动力挖掘机的发展，动臂的势能回收技术逐渐 成熟 ，势能 回收已经成 为挖 掘机节 能发展 的一个重要 方向。 根据动臂下降过程中能量变化，设计了一种带势 能回收的动臂流量再生系统，并进行建模仿真，与普 通动臂的液压回路、动臂流量再生回路和动臂势能回 收系统 的相关 性能参 数进行 了对 比分析。 1 能量 回收 系统的理论分析 以 2 3 t 液压挖掘机为研 究对象 ，从 系统的原 理和 能量损 失的角度分析了普通动臂液压 回路 、动臂 流量 再生回路、动臂势能回收回路和带势能回收的流量再 生回路。 1 ． 1 普通动臂液压 回路 1 ． 1 ． 1 原理分析 普通动臂的液压回路在动臂下降时，依靠节流阀 进行调速，液压泵给液压缸上腔供油，动臂下腔液压 油全部流回油箱。其液压回路原理如图 1 所示。在动 臂下降过程中，通过调节节流阀的开口来控制动臂下 收稿 日期 2 0 1 1 1 2 2 3 基金项目青年教师百人计划资助项 目 S WJ T U 0 9 B R 1 0 7 作者简介吴文海 1 9 7 9 一 ，男，博士研究生，讲师，研究方向为驱动技术与智能系统。Em a i l w w h s w j t u ． c a 。 4 6 机床与液压 第4 l 卷 降的速度，节流阀开口和液压泵排量的控制信号由控 制器输 入。 1 、 动臂 液压 缸 2 一 控 制器 3 一溢 流 阀2 4 --单 向阀 8 5 一液压泵 6 _ 油箱 7 _ 发动机 8 一 节流 阀 图 1 普通动臂下降液压原理图 1 ． 1 ． 2 能量损失 液压缸下降过程中的势能和液压泵供给液压缸上 腔的能量 ，在调速过程 中，全部消耗在节流阀口上， 消耗在节流 阀口的功率为 P 。 F hQ P 1 式 中 P ⋯ 为消耗 在节 流阀 口的功率 ； F为液压缸负载力 ； h为动臂下降的高度 ； Q ． 为液压泵提供给液压缸上腔的流量； P 为液压缸上腔油液的压力 。 1 ． 2动臂流量再生回路 1 ． 2 ． 1 原理分析 动臂流量再生回路在动臂下降时，负载产生的压 力将油液从液压缸高压腔输送至低压腔内，使系统所 需主泵流量最小 或为零 。动臂流量再生 回路原 理如 图 2所示 。 1 、l 1 一 动 臂液 压缸 2 一 控制器 3 一 溢流 阀1 4 一 节流 阀2 l 0 5 一单向阀1 6 _ 液压 泵 7 一 油箱 s _ 发动 机 9 _ _ 单 向阀2 l 0 一 节流 阀1 图 2 动臂流量再生回路原理图 动臂下降时，从动臂油缸下腔排出的油需经节流 孔回油箱 ，通过提高回油压力，可使得液压油供给动 臂缸上腔。这样当发动机在低转速和泵低流量时，可 防止动臂因重力作用下迅速下降而使动臂缸上腔产生 吸空。可通过节流 阀 4和节 流阀 1 0的共 同作用 来控 制液压缸下行速度 。 1 ． 2 ． 2 能量损失 从 图 2可 知 ，动臂 下 降过程 中的势 能分 为两 部 分，一部分反馈给液压缸上腔，以保证动臂正常下 放 ，一部分在调速过程 中，消耗 在节流 阀 口上 ，所 以 液压缸下 降过程 中浪费在节流阀的功率为 P ⋯ Q P 一 O 一Q p 一 Q p 2 从 式 2 中可 以看 出，p 和 P 的关 系可 以通 过调整 节流阀 1 0和节流 阀 4的开 口面积来 改变 ，进 而调整液压缸下 降的速度和功率分配。 1 ． 3 动臂势能回收 系统 1 ． 3 ． 1 原理分析 动臂势能 回收系 统在动臂 下降 时 ，换 向 阀 1 2移 至左位 ，此时液压泵供油给液压缸上腔 ，动臂 下腔液 压油经过节流阀冲击液压马达 ，马达带动发电机进行 发 电。动臂势能回收系统原理如 图 3 所 示。 缸 图3 动臂势能回收系统原理图 在动臂下降时，可通过调节节流阀的开 口面积来 控制液压马达的入口压力，从而控制发电效率，而动 臂的下降速度可以通过节流阀的开口面积和发电机的 输入扭矩来总体控制，目前这种回路在混合动力挖掘 机 中普遍采用 。 1 ． 3 ． 2 能量损失 动臂在下降过程 中，能量一部分消耗在节流阀 口，一部分通过液压 马达 回收 。 P ⋯ Q d p d P 3 P D j 3 4 式 中P 为消耗在节流 阀口的功率 ； P 为液压马达回收的功率。 1 ． 4 带势能回收的流量再生回路 1 ． 4 ． 1 原理分析 随着挖掘机混合 动力技术 的发展 ，势能 回收技术 已经逐渐 成为 动臂 节能 新 的研究 热点 I s l o 3 ，作 者结 合流量再生回路与势能回收回路的技术特点，设计了 一 种带势能 回收的动臂流量再生 回路 ，具体原理如图 4所示。 第 1 期 吴文海 等液压挖掘机动臂节能系统分析 4 7 缸 不同方案回路的相关性能参数。 图 4带势 能回收的流量再生 回路原理 图 在动臂下降时，下腔高压液压通过节流阀 1 3冲 击液压 马达 ，液压马达通过发 电机将液压能转化 为电 能 ，并存储到蓄 电池 中，马达排 出的液压油部分通过 节流阀4流回油箱，部分回到液压缸上腔。这样不仅 可以保证液压缸的正常下行，而且能够回收动臂下降 过程 中多余 的势能 。 1 ． 4 ． 2 能量损失 此回路中，动臂下降的势能分为三部分 ，一部分 消耗在节流 阀口；一部分 回馈给液压缸上腔 ，保证动 臂正常下降；还有一部分通过液压马达回收。消耗在 节流阀口的功率和通过液压马达回收的功率分别为 P Q p 一 Q 。 一Q p 一Q p 5 P D P - p 卢 6 式中P 为液压马达回收的功率。 从式 5 、 6 中可 以看 出 ，P 和 P 的关 系可 以通过调整节 流 阀 1 3 、节 流 阀 4的开 口面积 和发 电 机的输入扭矩来改变，为降低在节流阀上损耗 的功 率，可以保证动臂在正常下降的情况下，使节流阀的 开 口尽 量大 ，通过调整发电机的输 入扭矩来调整液压 缸 下行 的速度 和整个 回路 的功率分配。 对于4种回路系统来说，其控制技术都很成熟 ， 关键在 于选择合适 的控制点 ，在保 证挖掘机工作效率 的前提 下回收更 多的能量。 2仿真模型的建立 在对 以 上 4种 方 案 进 行 了对 比 分 析 后 ，采 用 A M E S i m建立了4种回路的仿真模型。 仿真模型主体由A ME S i m中的液压元件库和机械 元件库中模块构成 ，而各元件的控制信号部分由信号 库 中元件组成 J 。 普通动臂 的液压 回路如 图 5所示 。 动臂流量再生回路的仿真模型如图6所示。 动臂势能回收系统模型如图7所示。 带势能回收的流量再生回路仿真模型如图8 所示。 根据上述仿真模型的进行仿真计算，可得到 4种 图5 普通动臂液压回路仿真模型 图6 普通流量再生回路仿真模型 3 仿真结果分析 基于2 3 t 挖掘机的模型，在仿真过程中结构参数 设置如下 动臂下降时间为 1 0 s ，液压缸活塞质量为 1 0 0 k g ，负载力 F1 0 9 ． 6 k N，泵和 马达 的机械 效率 为 0 ． 8 9 ，容积效率为 0 ． 9 5 。普通动臂液压回路 ，通 过控制泵的排量和背压节流阀的开口来控制动臂下降 速度；动臂流量再生回路，通过调节两个节流阀来控 制动臂下降速度和下降高度；动臂势能回收系统依靠 控制节流阀和发 电机 输入扭 矩 ，控制 动臂 下降速 度 ； 对于带势能回收的流量再生回路，通过节流阀和发电 机输入扭矩，来控制动臂下降速度和下降高度。 通过仿真计算 ，得 到了4种系统的相关性能参 数。4种回路的动臂下降速度曲线如图 9 所示。 4 8- 机床与液压 第 4 1 卷 图7 动臂势能回收系统仿真模型 图 8 带势能 回收的流量再生 回路仿 真模 型 从图9中的速度曲线可以看出通过合适的参数 能量曲线如图 1 0所示。 设置， 4种回路的动臂下降曲线基本一致，说明加入 从图 1 0中的曲线可以看出在动臂下降过程中， 势能回收部分后 ，没有对动臂下降的性能造成较大的 普通动臂液压回路消耗在节流阀口的能量最多，动臂 影响。 流量再生回路其次 动臂势能回收系统在节流阀口消 对于回路中的能量消耗，将前面的计算模型加到 耗能量相比前两个回路相对较少 ，带势能回收的动臂 仿真模型上计算可得 4种 回路 中在节流 阀上 消耗 的 流量再生 回路在节流阀 口消耗 能量最少 。 第 1 期 吴文海 等 液压挖掘机动臂节能系统分析 4 9 0 ． 1 5 O ． 1 O 一0． 05 县 0 ． 0 0 铡 煅 一0． 05 ．O． 1O ．0． 1 5 250 200 - so 糕 l 00 媾 牡 删 g 螺 垛 l瞬 { H 孽 篷 2 4 6 8 l0 时间， s 图9 动臂下降速度曲线 0 2 4 6 8 时 间， s 图 1 0 节流阀消耗的能量曲线 液压泵 给系统提供 的能量如图 1 1 所示 。 O 一20 U 2 4 O lU 时 间I s 图 1 1 液压泵提供给系统的能量曲线 从图 l l中的 曲线可 以看 出 动臂势 能 回收系统 需要液压泵提供 的能量最多 ，其次是普通动臂液压 回 路 ，动臂流量再生 回路和带势能 回收 的动臂流量再生 回路 ，不需要液压泵提供能量 。 节流阀上消耗的能量占总能量 动臂下降的势 能 泵提供给系统的能量 的比例 曲线如图 1 2所 示 。 从图 l 2中曲线可 以看出在动臂下降过程 中， 普通动臂液压回路全部能量都以热能形式消耗在了阀 口，而带势能 回收的动臂流量再生 回路相 比其他 3种 回路，只有较少部分消耗在了节流阀口。 1 ． 2 1． O 嚣 丑 血{ 0 ． 8 霆o 匿0 ． 4 堪 0． 2 l 一 普通 动 臂液 压 回路 2 一 动 臂流 量再 生 回路 J J 一， 目b I 丌一 刀 矾 4 _带势能回收的动臂流量再生回路 - ’ ‘ ’’ 、． ’ ～ ～ 、- 、 、 。、 ． ．． ． ． ～ ～⋯⋯一一． ． 3 、 ． ／ ⋯一 ～⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ＼ ⋯一⋯一一一‘ ⋯一⋯⋯一一 量和节流 阀消耗能量 占总能量 比例统计见表 1 。 表 1 动臂回路能量分配与消耗 从以上仿真曲线和表 1中的数据可以看出在动 臂下 降过程 中 ，普通动臂 液压 回路需要 液压 泵提供 一 部分能量 ，而且 系统全部 能量 都消耗 在节流阀 口；动 臂流量再生回路中，不需要泵给系统提供能量，动臂 下降产生的势能，一部分能量供给了动臂上腔，以保 证动臂正常下降，还有较大的部分都消耗在节流阀口 上 ；动臂势能回收系统需要液压泵提供部分能量，但 能通过液 压马达 回收系统 中大部分能量 ；而对于带势 能回收的动臂流量再生回路，不仅不需要液压泵输入 能量，而且能回收动臂下降时的大部分势能，只有小 部分消耗在了节流阀口上，有效提高了能量利用率。 4 结构参数 的影响 对 带势能 回收 的流 量再 生 回路进 行 参 数分 析 可 知 ，节流 阀 4的开 口 通 流能 力 和发 电机 的输 入 扭 矩对能量 回收 的效率影响很大 。经过计算在动臂下 降的速度基本一致的情况，分别设定几组节流阀4的 开 口和发 电机输入扭矩数据进行仿真 。 图 1 3为不同参数下发电机 回收的能量 占总的势 能的比例，随着发电机输入扭矩的增加 ，发电机回收 的能量占总势能的比例在逐渐提升 ，说明能量回收效 率随着发电机的输入扭矩增加而增加。 图 1 4为 4种 情况下 浪费在节 流 阀 口的能量 占总 势能 比例 ，随着节流 阀开 口的增加 ，系统浪费在节流 阀口的能量占动臂下降总势能比例逐渐减小。 加 ∞ 鲫 鲫 5 0 机床 与液压 第 4 1 卷 0． 80 0． 70 0 ． 5 0 0 ． 4 0 0 ． 3 0 0 ． 2 0 0 ． 1 0 三要三至三 曼 曼三 l 一 节流 阀通流能力2 0 L ／ m i n ， 发电机输入扭矩1 6 0 N m 2 一 节流 阀通流能力2 5 L ／ m i n ， 发电机输入扭矩1 8 0 N m 3 一 节流 阀通流能力3 0 L ／ ra i n ， 发电机输入扭矩1 9 0 N m 4 一 节流 阀通流能力3 5 L ／ m i n ， 发电机输入扭矩1 9 6 N m 时间， s 图 1 3 回收能量占总势能的比例 l 一节流 阀通流能力2 0 L ／ m i n ， 发电机输入扭矩1 6 0 N m 2 一 节流阀通流能力2 5 L ／ mi a ， 发 电机输入扭矩 1 8 0 N m 3 一节流阀通流能力3 0 L ／ rai n 。 发电机输入扭矩 1 9 0 N m 4 一节流阀通流能力3 5 L ／ mi n , 发电机输入扭矩 1 9 6 N m 耍 三 多 磊銎 兰 0 ． O O t ’ T r r’ _ 广 1 1 。 1 0 2 4 6 8 1 0 时 间／ s 图 1 4 节流阀消耗能量占总势能的比例 根据 图 l 3和 l 4 ，对 4组参数 下 回收 的能量和消 耗能量 占动臂下降过程中总势能的比例进行比较 ，其 数据见表 2 。 表 2 在 4组参数 下能量 回收和消耗 比例 节流阀通流能 发 电机输入 总势 消耗 能量回收能量 力 L m i n - 1 扭矩／ N m 能／ J 的比例／ ％ 的比例／ ％ 从 以上数据可 以看 出，随着节流阀的开 口的增大 和发电机输入扭矩的增加，系统能量回收的效率在不 断提高 ，浪费的能量逐渐减少。但是具体的节流阀的 开 口和电机 的输入扭矩需要根据实际工况中液压缸下 降时上腔所需压力来决定，根据实际情况选定合理的 节流阀开口和发电机输入扭矩，才能使得系统效率最 高。 5结论 1 通过 对普 通动臂 的回路 、动 臂流 量再 生 回 路和动臂势能回收系统的分析，根据动臂下降过程中 能量的变化 ，设计了带势能回收的流量再生回路。 2 对 4种 回路 进行 仿真 分析 ，在 保证 动臂 下 降的速度 基本 一致 的情 况下 ，与没 能量 回收 回路 相 比，动臂势能 回收系统和带势能 回收的流量再生 回路 都能减少阀口的能量损耗，多余能量经过液压马达回 收系统 回收 ，提高能量利用率。 3 进行 综合 比较后 ，可 知带 势 能 回收 的动臂 能量再生系统通过合理的能量分配，消耗在节流阀口 的能量最低 ，能量利用率最高。 4 对带势 能 回收 的流量再 生 回路 进行 参数 分 析 ，随着节流 阀的开 口的增大和发电机输入扭矩 的增 加 ，系统能量 回收 的效率在不断提高 ，达到 了节能 的 目的。 参考文献 【 1 】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 23． 【 2 】张树忠， 邓斌， 柯坚． 基于液压变压器的挖掘机动臂势能 再生系统[ J ] ． 中国机械工程， 2 0 1 0 1 0 1 1 6 1 1 1 6 6 ． 【 3 】L I N T i a n l i a n g ， WA N G Q i n g f e n g ， H U B a o z a n ， e t a 1 ． R e s 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 d r a u l i c E x c a v a t o r s[ J ] ． A u t o m a t i o n I n C o n s t r u c t i o n ， 2 0 1 0 ， l 9 8 1 0 1 61 0 2 6 ． 【 4 】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 ． 【 5 】J o n g I 1 Y o o n ， A h n K y o u n g K w a n ， D i n h Q u a n g T r u o n g ． A S t u d y o n a n Ene r gy Sa v i n g El e c t r o Hy dr a ul i c Ex c a v a t o r [ C] ． I C R O S S I C E 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