挖掘机动臂液压系统节能研究.pdf

2 0 1 5年 7月 第 4 3卷 第 1 4期 机床与液压 MACHI NE T 00L ＆ HYDRAUL I CS J u 1 ．2 0 1 5 Vo 1 ． 43 No ． 1 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 4 ． 0 3 1 挖掘机动臂液压 系统节能研究 李秀磊 ，吴勇，徐保强，田野 中国矿业大学 北京机电与信息工程学院 ，北京 1 0 0 0 8 3 摘要液压挖掘机广泛应用在建筑 、矿山等领域，燃油利用率低是人们不得不面对的问题。通过对挖掘机动臂参数的 分析 ．提出了基于蓄能器和新型液压变压器的动臂重力势能回收再利用系统 ，并搭建实验模型，为挖掘机的动臂液压系统 节能研究提供理论参考，有效提高燃油利用率，节省能量。 关键词 液 压挖 掘机 ； 动臂 ；液压系统 ； 势能 回收再利用 中图分类号T H1 3 7 文献标志码A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 1 4 - 0 9 4 - 2 Re s e a r c h o n En e r g y- s a v i ng o f Ex c a v a t o r M o bi l e Ar m Hy d r a ul i c S y s t e m L I Xi u l e i ， W U Yo n g，XU Ba o qi a n g， TI AN Ye S c h o o l o f Me c h a n i c a l E l e c t r o n i c I n f o r ma t i o n E n g i n e e r i n g。C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n gT e c h n o l o g y B e i j i n g ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a Ab s t r a c t Hy dr a ul i c e xc a v a t o r i s wi d e l y u s e d i n c o n s t r uc t i o n， mi n i n g a n d o t h e r f i e l d s， b ut l o w f u e l e ffic i e n c y pr o b l e m i s t ha t p e o p l e h a v e t o f a c e ．T h r o u g h a n a l y z i n g e x c a v a t o r mo b i l e a r iD ． p a r a me t e r s ， b a s e d o n a c c u mu l a t o r a n d a n e w h y d r a u l i c t r a n s f o r me r ， a g r a v i t a t i o n al p o t e n t i a l e n e r g y r e c y c l i n g d e v i c e w a s p r o p o s e d ．Th e e x p e r i me n t a l mo d e l w a s s e t u p ．I t p r o v i d e s t h e o r e t i c a l r e f e r e n c e f o r e ne r g y s a v i n g r e s e a r c h o n mo bi l e a r m h y dr a ul i c s y s t e m， t o i mpr o v e f u e l e ffic i e nc y r a t e a n d s a v e e n e r g y ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c e x c a v a t o r ；Mo b i l e a r t n ；Hy d r a u l i c s y s t e m；Gr a v i t a t i o n a l e n e r g y r e c y c l i n g 液压挖掘 机是 工 程建设 中最 常用 的工 程机 械之 一 ，为国民经济建 设发挥 了重大的作用 。巨大经济价 值的背后．液压挖掘机的高油耗不得不引起业内的重 视。提高液压系统的稳定 性和发动机燃 油经济性 。是 挖掘机制造企业和消费者迫切的愿望。 1 行 业 需求分 析 液压挖 掘机前 端工作 装置质量非常大 ，在下降过 程中 ，都会 释放 出非 常大 的重力势 能。常规 情况下 ， 在动臂下降时，为了保证工作过程的稳定性 ．常常采 用节流阀的方式来 防止工作装置过快下降 ．前 端工作 装 置的重力 势能转 化成热能储存 在液压 油液中 ．严重 影响着液压 挖掘机 液压系统的稳 定性 。 表 1 C A T 3 3 0 D前端工作装置容积／ 质量 表 由表 1 可知前端工作 装置的最大质量为 m ⋯ ， n缠斗， n斗杆， n动臂 ， n负载 1 3 0 01 3 0 03 0 0 05 0 0 01 0 6 0 0 k g C A T 3 3 0 D动 臂 油 缸 缸 径 1 5 0 m m。行 程 1 4 4 0 m m，最大挖掘高度 1 0 2 4 0 m n l ，最 大挖掘深 度 7 2 3 0 m m。可计算得 出前端工作质量最大可 回收能量 E⋯ m ⋯ gh ⋯ 1 0 6 0 0 x 9 ． 8 x 1 7 ． 4 7 J 1 ． 8 l 0 k J 2 节能方案原理图 C A T 3 3 0 D挖掘机 动臂 下放 过 程 中 ．设 置 了能 量 再生 回路 ，但是仍有很多液压油经过单 向节流阀流 回 油箱．起到限制因自重而造成的超速下降作用，但增 加 了系统 的热负荷 ，降低 了液压系统的效率。如果在 动臂液压系统上连接蓄能器和二次调节元件 ，把动臂 上升时的势能回收再利用，将大大降低油耗。 液压变压器 由两个轴 向柱 塞泵／ 马达 构成 ，泵 和 马达 的转子形成机械连接 ，二者一起转动 ，根 据系统 运行情况 。泵／ 马达分别 变换 自己的角色来 做泵 或马 达使用 ，进行双 向变压 。 收稿 日期 2 0 1 4 0 5 - 1 9 作者简介李秀磊 1 9 8 8 一 ，男，硕士研究生，主要研究方向为液压传动控制。E ma i l z h o n g h u a l i x i u l e i s i n a ． c o n。 第 1 4期 李秀磊 等挖掘机动臂液压系统节能研究 9 5 由蓄能器和液 压变压器构成 的新 型动臂液 压系统 见图 1 。 图 1 新型动臂液压系统图 3 节能系统工作原理 挖掘机动臂下降时，操纵操作手柄，安装在手柄 上的位移传感器把接收到的位移信号传输到控制器， 控制器发 出命 令 打开 液控单 向阀 l 2 ，手 柄操 纵先 导 控制阀6 。使动臂操纵阀2处于动臂液压缸无杆腔进 油有杆腔 回油 的位置 中位 ；来 自动臂无 杆腔 的压 力油一部分供给液压变压器的定量泵／ 马达 l 0 ，一部 分油液经过动臂保持阀的再生回路回到有杆腔调整 液压变压器马达 1 1 的排量 ，使 马达 l 0的输 出扭矩 大 于马达 1 1 的输 出扭 矩 ，即 T ， T ⋯此 时泵／ 马达 1 0 处于“ 马 达 ” 工况 ．泵／ 马 达 1 1 处 于 “ 泵 ” 工 况 ． 泵／ 马达 l 0 从 油缸无杆腔 吸油 ，负载下行 。一部分 油 液进入蓄能器 ．泵／ 马达 1 O 从油箱 吸油 ．也进入 蓄能 器中；当动臂下降到最低点时，位移传感器把信号输 给控制器 ，控 制器 发 出关 闭液 控 单 向 阀 1 2的命令 ． 这样就把挖掘机前端工作装置的重力势能 以液压能的 形式储存在蓄能器中。 动臂上升时 ，操作手柄的位 移通过位移传 感器输 入到控制器中．控制器发出命令 打开液控单 向阀 1 2 ． 蓄能器的压力油供给液压 变压器泵／ 马达 1 0 ，调整 马 达 1 1 的排 量 ．使 泵／ 马达 1 1的输 出扭矩大 于泵／ 马达 1 0的输 出扭矩 ，即 T T ． ． ，泵／ 马达 1 0处 于 “ 泵 ” 工况 ．泵／ 马 达 1 1处 于 “ 马达 ” 工 况 ；来 自蓄能 器 的压力油进入动臂液压缸无杆腔，使动臂上升，当到 达一定高度不再上升时，操纵先导控制阀 6 ，使动臂 操纵 阀 2 处 于动臂 液压缸无杆腔进油 、有杆腔 回油位 置 下位 ，动臂 合 流 阀 1 处 于 合 流位 置 下 位 ， 左泵输出的压力油通过动臂合流阀 、单 向阀 ，与来 自 动臂操纵阀的压力 油 由右泵 供 给 合 流 供给 动臂 1 --动臂合流阀 卜 动臂操纵阀 卜 动臂液压缸 4 “ --动臂保持阀 5 、8 ．．--限压 阔 6 “- - 先导控制阀 一 其他操纵阀 8 - - 安全 阀 势能回收系统 l O 一定量泵， 马达 l l 一 变量 泵／ 马达 l 2 一液控单向阀 l 卜 操 作手 柄 1 4 一位移传{盘器 1 s 一压力传精嚣 无杆腔。动臂继续上升。 液压变压器 中变量 马达产生 的扭矩 为 V 1 p p 1 定量 马达产生 的扭矩 为 P A - p 2 式 中 为马达 1 的排量 ； 马达 2的排量 ； P 为负载压力 ； P 为油源压力 ； 为马达 1 斜盘倾 角 ，一 ⋯ ≤ ≤一 ⋯ ； 为马达 1 斜盘最大倾 角 ； P 为油箱压力 ，这里 P 0 。 式 2 中的负号表明马达 2产生的扭矩与马达 1 产生的扭矩反 向。 忽 略马 达 1和 马 达 2之 间 的 摩 擦 阻 力 矩 ，且 - - 0 ，液压 变 压器 将 产生 加 速或 者 减 速旋 转 运 动 ，输入 、输 出的流 量也 会 相应 变化 ；当 0 时 ．液压变压器处于平衡状态 。 液压变压器变量泵／ 马达 1 1 斜盘上有齿轮 ，与步 进电机的齿轮配合，操作手柄通过位移传感器把信号 传到控制器 ，控制器分析信号后 ，通过控制步进电机 来实现变量液压泵／ 马达斜盘角度的变化．此时负载 与油 源之 间的压力 比为 Ⅱ 1 一 3 p2 V 2 式 中V 为马达 1 的最 大排量 。 下转第 9 8页 9 8 机床 与液 压 第 4 3卷 Py F油 缸 拉 6 3 6 9 6．8 4 D2 - d 5 3 8 8 ． 2 4 1 2 ． 0 MP a 最大输入 流量 Q ， , r r ／ 4 X D - d X 0 ． O l 6 ． 4 7 L ／ mi n 综合考虑双臂架驱动液压控制油路的控制压力为 低压范围。双臂架同步开合精度要求不高，双臂架开 合所受负载实时变化，为降低控制系统成本 ，又能保 证一定 的控制 精度 5 ％ ，同时为 避免 油 液温 度 和 压力对调速阀开环同步控制系统精度的影响 ，左右两 侧 导油臂同步工作采用温度压力补偿 的调速阀开环同 步控制系统 。 3 ． 5 液压 卷 扬机 液压卷扬机最大牵引力 1 5 0 0 0 N。则可直接选 用 Y J 2 ． 5 B ． 2 0 0 0 ． 6 0 ． 1 4 Z P，最大工作压力 1 0 M P a 。 3 ． 6 液 压 系统最 大输入 流 量 由于收油系统的臂架开合和收油是相互独立、错 时工作的 ，液压系统中的 5 条 液压控制油路并未 同时 工作，在导油臂驱动油缸工作时。其他 4 条液压控制 油路断开．而收油带驱动液压马达、输油泵驱动液压 马达和切刀组驱动液压马达工作时 ．导油臂驱动液压 控制油路和液压卷扬机控制油路断开 。所 以，收油系 统的液压系统设计流量只需考虑上述两种工作状况下 的系统最大输人流量 。 溢油 回收 系统 的液 压 系统所 需 最大 输 入流 量 为 1 53 ． 4 【 ／mi n。 由于液压系统 中没有蓄能器 ，根据液压系统的最 大输入流量选取液压泵 的流量 为 Q≥9 2 x 1 ． 3 1 9 9 ． 4 2 L ／ rai n。 3 ． 7 液 压 系统最 大工 作压 力 溢油 回收 系 统 的液 压 系统 的液 压 管道 为 3 0 m。 液压泵出 口管选 3 0 m m 的 2 层 钢 丝软管 ，则 从母 船 至装备的管路压降为 a pAL v _ L y _ l 一 0- 4 0 ． 6 3 6 MPa 2 船 考虑管路 压力 损 失后 ，液 压 系统 最 大工 作压 力 为 P pc △p2 O ． 90 ． 6 3 621 ． 5 3 6 MPa 4总 结 现今船舶和海上石油平 台溢油 回收工作受到世界 各 国的关 注 ，发 达 国家 已经投 人 了大 量 的人 力 、物 力、财力进行相关技术的研究工作，但我国水上溢油 应急防备和技术装备等方面还较为薄弱。文中所论述 的溢油 回收 系统能够有效降低我 国对进 口溢油 回收设 备 的依赖 ，显著提高我 国的溢油应急处置能力 ，实现 环境治理与资源 回收 的 目标 。 参考文献 [ 1 ]邹云飞， 罗建平， 张德文 ， 等． 浮式与固定式溢油应急设 备库的匹配作业及工艺方案分析 [ J ] ． 环境工程， 2 0 1 3 3 1 1 1 4 1 1 5 ． [ 2 ]A L - MA J E D A A， A D E B A Y O A R， H O S S A I N M E ． A S u s t a i n a b l e A p p r o a c h t o C o n t r o l l i n g O i l S p i l l s [ J ] ． J E n v i r o n Ma n a g e，201 2，11 321 32 27 ． [ 3 ]张德文， 张同戌， 贾志平 ， 等． 全液压驱动内河水上溢油 高效回收系统[ J ] ． 中国水运科学研究， 2 0 1 0 2 l 8 2 2 ． 『 4 1 B R O J E V， K E L L E R A A ． E f f e c t o f O p e r a t i o n a l P a r a m e t e r s o n t h e R e c o v e r y R a t e o f a n O l e o p h i l i c D r u m S k i m m e r [ J ] ． Ha z a r d Ma t e r ， 2 0 0 7 ，1 4 8 1 ／ 2 1 3 6 1 4 3 ． [ 5 ]刘会永， 马刚． 负荷敏感系统设计需注意的几个 问题 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 1 ， 3 9 6 1 2 6 1 2 7 ． [ 6 ]王凤娟， 侯友山． 铰接式 自卸液压系统设计 [ J ] ． 机床与 液压 ， 2 0 0 9 ， 3 7 5 4 6 4 7 ． 上接 第 9 5页 改变变量马达 1 斜盘倾角 ‘ D 可以调节液压变压器 的负载和油源之 间的压力 比。国外有 学者研 究证 实 在一定 的供油压力和配流盘旋转角度下 ．其平均效率 可达 7 0 ％以上 ．最 高可 达 8 9 ％．远高 于 阀控 系统 的 效率 。 4实验研 究 根据以上的理论计算分析．搭建挖掘机前端工作 装置试验台 ．其 中，试验台选用的元器件如下 压力 传感器选用北 京龙 翔 天力 传感 测 量技 术有 限公 司的 L T P ． T通用型压力变送器 ；温度传感器选用北京龙翔 天力传感测量技术有限公 司的 L T w． Z B位移传感器 选用德 国 n o v o t e c h n i k 公 司的 L WH ． 0 1 0 0 变量 马达 选 用北京华德液压工业集团有限责任公司的A 6 V G系列 斜轴式轴向柱塞马达 ；信息采集卡选用北京阿尔泰科 技发展有限公 司的 P C I ． E 9 7 5 7 ； 选 用天津 海莱姆科 技 有限 公 司 的蓄 能器 ，型号 为 S H ． B ． 6 3 0 ． P ． 3 5 ． A ⋯ C 1 1 ． 1 - H AA HA 。 5 结 论 通过在 C A T 3 3 0 D挖 掘机 上安 装能量 回收再利 用 装置 ，实现挖掘机前端工作装置重力势能 的回收再利 用 ．并验证其可行性 ，为挖掘机生产商和用户提供 了 用 以动臂能量 回收利用研究 的理论参考 。 参考文献 [ 1 ]欧阳小平 ， 徐兵， 杨华勇． 液压变压器及其在液压系统中 的节能应用 [ J ] ． 农业机械学报 ， 2 0 0 3 7 1 0 0 1 0 4 ． [ 2 ]权龙 ， 高有山 ， 程珩 ． 提高工程机械能量 利用率 的技 术现 状及新进展 [ J ] ． 液压 与气 动 ， 2 0 1 3 4 1 1 0 ． [ 3 ]姜继海 ， 于斌， 于安才， 等． 基于能量回收再利用的液压 挖掘机回转系统节能研究[ J ] ． 流体传动与控制， 2 0 1 1 1 1 7 1 0 ． [ 4 ]陈国俊． 液压挖掘机[ M] ． 武汉 华 中科技大学出版社 ， 2 01 1 ． [ 5 ]李小仨． 压缩空气储能技术 现状分析 [ J ] ． 流体机械， 2 01 3 8 4 0 -4 4 ．