22吨液压挖掘机能量损失的研究.pdf

l 0 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi n e r y De s i g nMa n uf a c t u r e 第 1 0期 2 0 1 1年 1 0月 文章编 号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 1 0 0 0 1 O - 0 3 2 2吨液压挖掘机 能量损 失的研 究 冰 车明哲 佟 琨 宋锦春 东北大学 机械工程与 自动化学院， 沈阳 1 1 0 8 1 9 金策工业综合大学 机械学院 ， 平壤 Re s e a r c h o n e n er g y l O S S o f 2 2 t o n s o f h y d r a u l i c e x c a v a t o r CHE Mi n g z h e ． 一 ． T ONG Ku n ． S ONG J i n c h u n 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 ， No r t h e a s t e r n Un i v e r s i t y ， S h e n y a n g 1 1 0 8 1 9 ， C h i n a 2 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 ， K i m C h a e k U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， P y o n g y a n g ， N o r t h K o r e a 【 摘要】 针对液压挖掘机在工作过程中存在的大量能量损失， 以2 2 t 液压挖掘机为研究对象， 基 j 于 MA T L A B软件的 S i mu l i n k和 S i mS e a p e建立 了整机的仿真模型， 并分析 了在液压挖掘机 内的能量分 配和能量损失。 在此基础上研究得 出采用闭环的液压 系统的混合动力液压挖掘机可以减 少系统的能量2 损失， 达到节能的 目的。 { 关键词 液压挖掘机； MA T L A B ； 混合动力； 能量损失 2 【 Ab s t r a c t 】 ／ n t h e l i g h t o f s i g n ific a n t e n e r g y l o s i n g 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 w o r k i n g , b a s e d o n t h e 2 2 t o n s 7 r a u l ic e c av at o r as t h e r e s e a r c h o b j e c ， t h e m a c h i n e ’S i m u l at i 0 n m o d e f is e ta b l i5 h e d b as e d i o n MA T L A B S o J w a F e S i m u l i n k a n d S i mS c a p e a n d a n a l y z e d t h e e n e r gy d i s t r i b u t i o n a n d t h e e n e r gy l o s s o f { h y d r a u l i c e x c a v at o r ．A t l ast w e s u g g e s t e d t h at t h e c l o s e d l o o p h y d r aul i c s y s t e m of h y b r i d p o w e r h y d r a u l i c j e x c a v a t o r c o u l d r e d u c e s y s t e m e n e r gy l o s s a n d a c h i e v e t h e g o a l ofe n e r gy s a v i n g t Ke y wo r ds Hy dr a ul i c e x c a va t or ； M ATLAB； Hy br i d po we r； Ene r g y l o s s 中图分类号 T H1 6 ， T U 6 2 2 文献标识码 A 1 引言 液压挖掘机是一种使用量大， 能耗高的工程机械。因为原油 价格越来越上升， 地球温暖化问题越来越深刻， 所以控制重负载 工作下的液压挖掘机的能量消耗和排放的减少至关重要。 作者建 立了 2 2 t 液压挖掘机的仿真模型， 分析了在液压挖掘机内的能量 分配和能量损失。 分析 了采用 比例电子液压系统 的混合动力液压 挖掘机 的能量损 失， 提议了新的节能方案． ． 2液压挖掘机的节能 挖掘机的传统节能方法主要集中于液压系统的改进和发动 机与负载功率匹配这两个方面。 其中液压系统改进主要通过电液 比例控制技术， 提高液压系统性能， 实现节能。这类节能方案已经 出现过正流量控制系统、 负流量控制系统、 负荷传感控制系统等_] I。 目前所生产的大部分液压挖掘机上， 动力系统都采用由发 动机驱动泵的方式。 因此发动机的输出功率随着负载的变化波动 很大， 经常偏离其理想的经济区， 从而导致发动机的能耗大， 排放 量大。在这种传统的驱动方式中， 为减小发动机的油耗和降低发 动机的排放， 通常采用的是对动力系统 发动机一液压泵 进行功 率匹配。 常用的控制方法有 发动机负载 自适应控制、 自动怠速控 制 、 恒 功率控 制 、 分工况控制 、 压 力切断控制 、 转 速感应控制 和发 动机功率 匹配等 I 。 混合动力技术在汽车上的成 功应用 ， 给各个领域的节能和 环保研究注入 _『 新的希望， 尤其在工程机械领域。先行混合动力 液压挖掘机采用了用比例电子液压阀的开式液压系统和混合动 力系统。 对于混合动力液压挖掘机的研究只是集中到混合动力结 构和动力控制策略， 利用着以前的液压系统。因混合动力的采用 液压挖掘机整机效率被提高了， 但是因为通过动力控制策略的改 善大幅度提高液压挖掘机节能效果很难得到， 所以在现在的混合 动力液压挖掘机能量流的分析和节能对策是有必要的 。 3在液压挖掘机上能量流的分析 挖掘机工作过程中存在巨大能量损失， 对挖掘机功率损失 进行分析是对其进行节能控制的前提。 典型混合动力液压挖掘机 的结构 ， 如图 1 所示。 图 1典型混合动力液压挖掘机结构 如图 2所示 ， 一般在液压挖掘机能量损失分成两个部分 ； 在液 压系统的损失和在发动机的损失。在液压系统的损失有在液压泵、 液压马达、 油缸、 液压阀的损失 进油损失、 回油损失、 旁路损失 。 -h “ 来稿 日期 2 0 1 0 一l 2 1 4 ★摹金项 目 教育部基本科研业务费研究生科研创新项 目 N1 0 0 6 0 3 0 0 7 第 1 O期 车明哲等 2 2 吨液压挖掘机能量损失的研 究 1 1 载 图 2在传统液压挖掘机的能量流 从图2可以看到发动机的能量转化损失占了能量损失比较 大的一部分。现在采用混合动力技术可以克服。 3 。 1发动机的能量损失分析 液压挖掘机的发动机工作效率比较低的原因有两个方面 一 方面与其本身的性能有关， 另一方面与发动机的工作条件有 关。发动V t *身的发展已经成熟， 因此大幅度地提高性能是不可 能实现的。 如果利用混合动力改善发动机的工作条件让发动机的 工作点维持在高效率区间， 是有可能减少能量损失的。 混合动力系统的关键技术是高效率发动机 ， 电动机， 高能量 和高功率储能装置的开发和控制系统的优秀控制策略的制定。 3 ． 2液压系统的能量损失分析 液压系统的能量损失基本上可以分成三个部分 液压元件 本身的损失， 主控制阀『 的节流损失和溢流损失。 液压元件内部损失有液压泵、 液压马达、 液压缸的损失。对 于液压元件来说由于他的技术成熟所以不可能实现较大的改进。 4液压挖掘机的仿真 4 ． 1能量损失计算漠型的建立 能量损失的计算漠型， 如图 3 所示。 图3液压系统里能量损失计算图 液压泵的输入功率和总功 n r I P d t 1 液压泵的输出功率和所作的总功 Q p f t 2 式中 压泵的输入功率； 。广液压泵的输出功率； _ 液压 泵的总效率 ； - _ { 夜压泵的输入总功； - i夜压泵的输出 总功P 厂- 液压泵的压力； 液压泵的流量。 液压挖掘机主控制阀的能量损失分成三部分进油节流损 失、 回油节流损失、 旁路节流损失。 f P p - p 。 Q - p d t 3 I JP 。 - p Q 。 p - p Q d t 4 r f - p Q d t 5 E I cP 。 - p ； Q ， d t 6 式中 E 、 E 、 E 进油节流损失、 回油节流损失、 旁路节流 损失、 溢流损失 ； p -在执行机构的入口上液体的压力 ； p 一 在执行机构的出口上液体的压力； p 厂 _ 在油箱里液体的压 力 ； Q 人执行机构的流量 ； Q 厂 从执行机构出来的流 量； Q 一 比例阀旁路流量； Q ， 溢流量。 为便于分析和比较， 选取液压泵的总输出能量为基准值， 把 计算得到的各部分能耗损失均取为此值的相对值 百分率 。 在一 个工作周期中， 计算对于液压泵总输出能量的百分率 ∑ 7 j I 4 E ∑ 1 0 0 8 E } E ／ L , p i 1 4 1 1 E { _ E 1 0 0 9 p i 1 4 E 1E r ． ／ x 1 0 0 1 o ‘ ’i l 4 E 一 ∑E 1 11 0 0 1 1 E ； E 式中 压泵总输出能量； E E 、 E r ．,r 、 E 一 各自进油节流损 失、 回油节流损失、 旁路节流损失、 溢流损失的百分率 ； 卜 下标 1 、 2 ． 3 、 4 ， 分别代表回转马达、 斗杆、 动臂和铲斗液压 缸 一下标 1 、 2 ， 分别代表液压泵 1 和液压泵 2 ； 卜一 1 或 2 时，严 1 ； 卜 3 或 4时√ 一2 。 4 ．2液压挖掘机仿真模型的建立 利用 MA T L AB软件来进行了仿真。液压挖掘机的综合仿 真图， 如图4所示。仿真时主控阀控制信号利用了如图 5所示 的信号。 图4液压挖掘机的综合仿真图 5仿真结果的评价 为了减少溢流损失 ， 当控制信号为 O的时候使液压泵的排 量取得0值， 控制信号不是 0时使液压泵排量控制信号取得 0 ．0 l 值， 仿真结果 ， 如表 1 所示。根据仿真， 在传统的液压挖掘机上液 压系统进油节流损失、 回油节流损失、 旁路节流损失的综合各 占 液压泵输出的总能量的 1 3 ． 1 3 ％、 4 8 ． 5 9 ％、 3 8 ． 2 2 ％。 溢流损失占 1 ％ l 2 机 械 设 计 与 制 造 NO ． 1 0 0c t ． 2 01 1 以下。旁路节流损失占的比率较大。 0． O1 O -0． O1 001 0 - 0． O1 O． O1 O -0O1 O． 01 O -0 O1 一回转部 厂 ＼ ． ／ 懵 ， ／ ＼ ● ●-● ●_ - 、 厂 ●_● 铲斗 ， 、 T i me s e e 图 5挖掘机 主控阀控制信号 为了减少进油节流损失和旁路节流损失， 使用了中位早期开 度为0的比例阀而把图4 控制信号的绝对值作为液压泵排量控制 信号， 同一条件下进行了仿真。 仿真结果， 如表 2 所示。根据仿真， 液压泵所做的总功减少一半， 旁路节流损失大幅度地减少了。 表 1挖掘机主控阀和溢流阀能置损失仿真结果 表 2改进的主控阀和溢流阀能量损失仿真结果 主控阀旁路损失产生的原因主要在于传统液压挖掘机采用 的开环液压系统。 当主控阀阀芯接近中位时， 旁路通道打开， 液压 泵的部分流量通过旁路通道流回油箱。 通过闭环液压系统交替打 开的液压系统， 能减少旁路损失。但是执行机构的运动速度控制 一定采用泵控制方案 。 然采 用泵控制方案 和闭环 系统 ， 可是 回油节流损失的一点 也没有减少。因为回油损失占8 2 ％， 所以应该作为液压挖掘机上 节能的主要研究对象。 回油损失特别大的原因在于液压挖掘机的工作特性。液压 挖掘机的回转部分的止动能量和工作机构的下降时回收可能的 能量是 比较大的。特别回转部分和动臂的回收可能的能量相对 大。因此为了把其回油损失回收再利用， 用液压马达的专用能量 回收液压系统和混合动力结构所提议， 如图 6 所示。 图 6采用能量回收液压系统 的混合动力挖掘机 虽然所提议的混合动力结构能回收能量 ，但是因为回收可 能 的能量通过液压能一机械能一 电能一机械能的很多转换阶段 回收， 所以回收效果太差， 而且引起挖掘机原价的上升。 以上综合在液压挖掘机上能量流过程来， 可知进油节流损 失 、 回油节流损失、 旁路节流损失存在的基本原因在于传统液压 挖掘机采用 的开的液压节流控制系统 。 如果液压挖掘机利用 闭环 的液压系统和依据液压泵的排量控制进行液压执行机构的速度 调节 ， 那么在上面提议的节流损失被去掉 的可能性存在。 ’ 6总结 液压系统的合理构成在液压挖掘机节能环节上是 能忽略 的关键。闭环的液压节能系统与混合动力结合起来 可以达到较大 的节能效果。 这不过是液压挖掘机节能研究的初步， 在未来的研究 中， 一定要进行对于没有节流元件和能量回收的液压系统的研究 参考文献 [ 1 ] 杨梅． 浅谈液压挖掘机智能控制技术[ J 1 ． 建筑机械化， 2 0 0 9 ， 3 0 1 2 9 3 2 ． [ 2 ] 苏秀平 ， 李威 ， 王 禹桥 ， 杨雪峰． 液压挖掘机柴油机 一 泵环 节功率损失 分析及对策[ J ] ．机床与液压 ， 2 0 0 9 ， 3 7 1 2 1 0 4 1 0 7 ． [ 3 ] 何清华， 郝鹏 ， 常毅华．基 于功率协调控制的液压挖掘机节能系统研究 [ J ] ．机械科学与技术 ， 2 0 0 7 ， 2 6 2 1 8 8 1 9 1 ． [ 4 ] 雷廷强 ， 刘强．液压挖掘机节能控制系统的研究[ J ．机床与液压 ， 2 0 0 9 ， 3 7 8 7 1 7 3 ． [ 5 ] 王冬云 ， 潘双夏， 林潇 ， 管成． 基于 昆 合动力技术的液压挖掘机节能方 案研究[ J ] 计 算机集成制造 系统 ， 2 0 0 9 ， 1 5 1 1 8 8 1 9 6 ． [ 6 ] Xi a o Q i a n g ， Wa n g Q i n g f e n g ， Z h a n g Ya n t i n g ． C o n t r o l s t r a t e g i e s o f p o w e r s y s t e m i n h y b ri d h y d r a u l i c e x c a v a t o r [ 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 0 8 ， 1 7 4 3 6 1 3 6 7 ． [ 7 ] T i a n l i a n g L i n ， Q i n g f e n g Wa n g ， B a o z a n H u ， We n G o n g ． R e s e a r c h O il t h e e n e r g y r e g e n e r a t i o n s y s t e m s f o r h y b 6 d h y d r a u l i c e x c a v a t o r s[ J ] ．Au t o m a t i o ni nC o n s t ruc t i o n ， 2 0 1 0 ， 1 9 8 1 0 1 6 一 1 0 2 6 ． [ 8 ] T a e S u k K w o u ， S e o n Wo o L e e ， S e u n g K i S u l ， C h e o l g y u P a k ， N a g i n k i m， By u n g - i l Ka n g ， Mi n - s e o k Ho n g ． P o we r Co n t r o l Al g o r i t h m for Hy b r i d E x c a v a t o r Wi t h S u p e r c a p a c i t o r [ J ] ．I E E E T r a n s a c t i o n s o n i n d u s t r y y a p p l i c a t i o n s ， 2 0 1 0 ． 4 6 4 1 4 4 7 1 4 5 5 ．