液压挖掘机动臂能量回收实验系统研究.pdf

液 压 气 动 与 -W- ／ 2 01 1年 第 8期 液压挖掘机动臂能量 回收实验系统研究 韩 雪 1 李 培 z 1 ．成都南车隧道装备有限公司，四川成都6 1 0 1 0 0 ； 2 ．西南 交通 大学机 械工 程学 院 ，四川 成都6 1 0 0 3 1 摘要 针对混合动力挖掘机设计研发过程 中，进行动臂能量回收实验存 在的一些 问题 ，设计 了一种模拟 负载 动臂能量 回收实验系 统 ， 用来代替进行实际动臂 系统 中的能量回收实验 。 并通过建模仿真 ， 对 比分析 了两种系统中的各项性能参数 ， 验证 了采用模拟负载系 统进行实验的可行性 。 关键词 动臂； 能量回收； 模拟 ； 实验系统 中图分类号 T H1 3 7 ． 9 文献标识码A 中图分类号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 0 8 0 0 3 8 0 3 R e s e a r c h O I 1 Ex pe r i m e n t a l S y s t e m o f Bo o m Ene r g y R e c o v e r y i n Hy d r a u l i c Ex c a v a t o r HAN X“e ’ ， i 1 ． C h e n g d u C S R T u n n e l E q u i p me n t C o ． ， L t d ，C h e n g d u 6 1 0 1 0 0 ， C h i n a ； 2 ．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 Un i v e r s i t y ，C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h e p r o c e s s o f h y b r i d e x c a v a t o r ’ S r e s e a r c h a n d d e v e l o p me n t ， f o r t h e p r o b l e m o f b o o m ’ S e n e r g y r e c o v e r y e x p e rime n t ， d e s i g n a l o a d s i mu l a t i o n b o o m ’ S e n e r gy r e c o v e ry e x p e ri me n t a l s y s t e m， u s e d i n s t e a d o f t h e e n e r gy r e e o v e ry e x p e ri me n t o f a c t u a l b o o m s y s t e m． An d t h r o u g h t h e mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n ， c o mp a r a t i v e a n a l y s i s t h e p e r f o r ma n c e a n d p a r a me t e r s o f t h e t wo s y s t e ms ， v e r i f y t h e f e a s i b i l i t y o f e x p e rime n t b y l o a d s i mu l a t i o n s y s t e m． Ke y W o r ds b o o m ； e n e r gy r e c o v e r y； s i mul a t i o n； e x p e rime n t a l s ys t e m 0 引言 随着社 会 基础 建设 的 大力 发展 ，挖掘 机在 土方 施 工中的重要作用 日益明显。由于在工作过程 中， 挖掘机 动臂 进行 着 往 复 的运 动 ， 需 要频 繁 的制 动 和举 升 ． 是耗 能较多的工作装置 ．所 以对动臂能量的回收是挖掘机 节能 的一个重要方向 ．大部分带能量 回收系统 的混合 动力挖掘机都是采取了对动臂 的势能进行回收。 动臂能量 回收系统需要大量的实验研究后才能运 用 于 实 际 ， 然 而在 对 动臂 能量 回收 系统 的实 验过 程 中 ， 存在一些难以实施的问题 ，例如动臂液压缸 由于长度 较 长 、 质 量 过 重 ， 难 以在 实验 室 场 地 安装 ； 动 臂 在 伸缩 工作过程中 ， 需要较大 的立体空间 ； 由于负载过大 ， 难 以实现负载的加载， 存在较大的安全问题。 本文在对动臂能量回收系统进行分析研究后，提出 一 种采用模拟负载的动臂能量回收实验系统，并通过建 模仿真， 对比分析了模拟系统与实际系统的相关性能。 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 3 - 0 2 作者简介 韩雪 ， 重庆 长寿人 ， 毕业于西南 交通 大学 ， 现从事隧道施工 机 械液压 系统相关研究。 3 8 1 动臂 能量 回收系统分析 由于 液压 挖 掘机 前端 工 作装 置 质量 重 、 惯性 大 。 在 动臂下放过程 中，工作装置的重力势能和大部分动能 在 主 阀 的节流 口处转 化 为热 能 ，不 仅造 成 了 巨大 的能 量浪费 ， 而且引起了油温升高 ， 加速 了液压件的损坏 。 通过对动臂下放过程 中能量进行 回收 ，能有效的解决 这些问题 ， 保证液压系统稳定高效的运行。 1 ． 1 动臂 能量 回收 系统分 析 动臂能量回收系统主要是 由液压马达 、 节流阀、 发 电机以及蓄电池组成 。这种系统的结构如图 1 所示。 图 1 动臂能量 回收系统 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 8 ． 2 0 1 l 这种系统主要是依靠动臂在下降过程中 ，液压缸 下腔的高压油来驱动液压马达 ，液压马达与发 电机同 轴连 接 ，通 过发 电机 直接 将 液 压 马达 产 生 的机 械 能 转 换为电能 ， 并存储在蓄电池中。 1 ． 2 动 臂能 量 回收 实验 系统分 析 在实 验过 程 中 ， 由于 动臂 液 压 缸长 度 较 长 、 质 量过 重和负载过大，导致动臂液压缸难 以合理 的安装 和准 确加载 ， 所以实验研究不能方便 的进行 。本文设计了动 臂能量回收实验系统 ， 如图 2所示。 图 2模 拟 负 载 的 动 臂 能 量 回 收 实 验 系 统 此 系统 中采 用液 压 泵 、溢 流 阀 和节 流 阀 的共 同作 用 ， 来模 拟液 压缸 下降 过程 中流 量 和压力 的变化 。这种 系统不仅在实验过程 中方便安装和布置 ，而且较准确 的模拟了能量 回收过程 中负载的变化。 2 能量 回收系统 的建模 本文针对动臂液压缸在下降过程 中，能量 回收系 统的工作机理 。分别建立 了动臂的能量 回收系统和模 拟负载的动臂能量回收实验系统 的仿真模型 。 仿真模型采用 A m e s i m中液压元件库 、 机械库和控 制信号库 中的元件搭建组成 。动臂能量 回收系统的仿 真模 型如 图 3所 示 。 图 3 动臂能量 回收系统仿真模型 模 拟 负 载 的动 臂能 量 回收实 验 系 统 的仿 真 模 型 如 图 4所 示 。 图 4模 拟 负 载 的动 臂 能 量 回收 实 验 系统 仿 真 模 型 3 仿真结果分析 在两个 系统的仿真模型中，设置动臂下降过程为 1 0 s ， 0 ～ 2 s 为从静止开始加速过程 ， 2 ～ 7 s 是 以稳定速度 下降的过程 ， 7 ～ 1 O s 是制动过程。 通过计算仿真得 出了实际动臂能量 回收系统与负 载模拟 的动臂能量 回收实验系统 的相关性能参数 ， 两 个系统 中通过液压马达的流量曲线 ， 如图 5所示。 图 5液 压 马 达 的 流量 曲 线 从上 图中可以看 出， 在动臂开始下降和制动阶段 。 模 拟负载 的实 验系统 与实际系统 的流量有较 小的偏 差 ， 实际系统在动臂开始下降时有一定 的振荡 ， 但是很 快 达 到稳 定 ， 两 系 统 流量 曲线 的大 致 走 向基 本 吻合 。 满 足系统流量模拟的要求。 两个系统中液压马达的压力曲线如图 6所示。 图 6 液压 马达 的压力 曲线 从 图 6可 知 ， 两系统 中马达 的压力 变化 在整 个动 臂 下 降过程 中基本 一致 ， 只在 动臂开 始 下降 阶段 达到稳 定 状态 的时 间有 所 区别 ， 满 足 了系 统压力模 拟 的要 求 。 两个系统中液压马达的功率曲线如图 7所示 。 39 液 压 气动 与 密 封 ／ 2 0 1 1年 第 8期 图 7液 压 马 达 的 功率 曲线 如图 7所示 ，两个系统液压马达的功率 曲线走 向 一 致 ， 模 拟 负载 的实 验 系统 比实 际 系统 的稳 定性 稍 好 ， 能满足系统功率模拟的要求 。 两个系统中蓄电池的荷电状态 S O C 曲线 ， 如图 8 所示 。 1 实 际动臂能 带同收 系统 图 8 蓄电池的 S O C曲线 由图 8可知 ， 两个 系统 中蓄 电池 的荷 电状 态 S O C 变化基本相同。 从上述仿真结果可以看出 ，动臂能量回收系统和 模拟 负 载动 臂能 量 回收 实验 系 统 的各 项 性 能参 数 大致 一-一一十一一一-十一十一十一十一十一十一十-。 ● 一。 ●一 - 一。’ 一 上接第 7 页 ．其 中横坐 标表 示 时 间 t ， 纵坐 标表 示 系统 在单 位 阶 跃下的转角响应 ， l 、 2 、 3 、 4中阻尼系数依次增大。 根 据 图 中所 示 ． 阻 尼越 小 系统 响应 越 快 ， 即改 进 系 统 ， 减 小 阻尼 ， 从而 得到较 理想 的响应 。 3结 束 语 本 文设 计 的外 螺旋 柱 塞 以及倒 锥 型滑 靴较 之 于普 通 的海 水液 压泵 ， 减轻 了摩 擦 ， 降低 了磨损 。设 计 的镀 膜 钢铁 过滤 装 置 ，有效 的排 除 了由于 海水 压强 以及杂 质 问题 给海 水 液压 泵正 常工 作 所带 来 的影 响 因素 。设 计 的泵 体外 壳拥 有 自动 平衡 压 强 的功 能 ，很好 的 处理 了深 海 与地 面工 作 环境 不 同所 带来 的 不便 。通 过建 模 仿 真分 析 得 到减 小 阻 尼 可 获得 较 理 想 的 的快 速 响应 ． 对海水 液压泵 的设 计具 有一 定 的指 导意 义 。 吻合 ， 说 明模 拟负 载与 真实 负载 的作用效 果基 本一致 。 4结 论 由于 在 动臂 能量 回收 的实验 研究 中 ，存 在着 液 压 缸安 装不 便 和负 载加 载 困难 等 问题 ，本 文设 计 了一 种 模拟负载动臂能量回收实验系统 ，来代替实际动臂系 统 中的能量 回收实 验 。 通过仿 真分析 ，模拟 负载动臂能量 回收实 验系统与 实际动臂能量回收系统的各项性能基本吻合，所以在实 验研究中可以采取这种模拟负载的实验系统来替代实际 系统进行实验 ， 可以大大节省实验成本， 提高实验效率。 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 】 林潇 ， 等． 混合动力液压 挖掘机动臂势能 回收系统【 J J ． 农业机 械学报． 2 0 0 9 4 ． 【 3 ] D o n g y u n ． Wa n g ，S h u a n g x i a ． P a n ，D e s i g n o f E n e r g y 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【 J 】．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 9 1 - 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