变负载下的液压挖掘机大臂势能回收系统设计.pdf

EQUI P ME NT MANAGE M E NT AND MAI NT E NANC E 文章编号 1 0 0 0 0 3 3 X 2 0 1 4 0 6 0 0 9 7 0 4 0 变负载下的液压挖掘机大臂势能回收系统设计 程晓融 ， 贺利 乐 ， 张 平 ， 杨明 宇 1 ．西安建筑科技大学 机 电工程学 院， 陕西 西安 7 1 0 0 5 5 ； 2 ．中钢集 团西安重机有 限公 司 ， 陕西 西安 7 1 0 0 7 7 摘 要 针 对 目前 普通挖 掘机 存在 的 工作装 置 下放 时势 能无 法回收 ， 造成 能 量损失 以及 因系统发 热 而降低液压 系统的可靠性和寿命等问题 ， 设计 了一种势能回收 系统 。通过 ADAMS软件进行动力 学分析 ， 获得 了动臂 在 下降过 程 中液压 缸所 受 的动 态 负载 曲线 ， 将 其 施加 到 能量 回 收 系统 试 验 台， 以研 究在 此过 程 中动臂 下 降的稳 定性 以及 能量 回收 效率 。仿真 结果 表 明 ， 该 系统 回收 效率较 高 ， 可 控性好， 还可有效地减少环境污染， 延长机械 的使用寿命。 关键 词 液压挖 掘机 ； 能量 回收 ； 动 态 负载 ； 仿 真 中图分 类号 U4 1 5 ． 5 1 文献 标志 码 B De s i g n o f Bo o m’ S Po t e n t i a l Ene r g y Re c o v e r y S y s t e m f o r Hy d r a u l i c Ex c a v a t o r Ba s e d o n Dy n a m i c Lo a d CH ENG Xi a o r o ng ，HE Li l e ，ZH ANG Pi ng ，YANG M i n g y u 1 ．S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d El e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ，Xi ’ a D Un i v e r s i t y o f Ar c h i t e c t u r e a n d Te c h n o l o g y． Xi ’ a n 71 0 05 5，Sha a nx i ，Ch i n a；2 ． Si n os t e e l Xi ’ a n M a c hi ne r y Co ． Lt d ．，Xi ’ a n 71 0 07 7，Sha a nx i ，Chi n a Ab s t r a c t I n or d e r t o s ol v e t h e p r ob l e ms o f ge n e r a l e xc a v a t or s uc h a s wa s t i n g po t e nt i a l e n e r gy whe n t he b oo m f a l l s d own a n d t he r e d uc t i o n o f l i f e a n d r e l i a b i l i t y o f t he hy d r a ul i c s ys t e m c a us e d b y s y s t e m h e a t ，a n e n e r g y r e c o v e r y s y s t e m wa s p r o p o s e d t o b e u s e d o n e x c a v a t o r ．Re g a r d i n g t o t h e p r a c t i c a l wo r k a nd c o mpl e x i t y of e xc a v a t o r ，a dy na m i c l o a d c u r v e of hyd r a u l i c c yl i n de r wa s o b t a i n e d t h r o u g h t h e d y n a mi c a n a l y s i s s o f t wa r e ADAM S ．I n o r d e r t o s t u d y t h e s t a b i l i t y o f t h e bo o m a nd t he e ne r gy r e c o v e r y e f f i c i e n c y， t he dy n a mi c l oa d c u r v e wa s a pp l i e d t o t he e ne r gy r e c o ve r y s y s t e m t e s t b e n c h ． Th e r e s u l t s s ho w t ha t t he s ys t e m ha s h i gh r e c o v e r y e f f i c i e nc y a n d g o od c on t r o 1 1 a bi l i t y， a n d i t c a n a l s o r e d uc e e n v i r on m e nt a l po l l ut i on e f f e c t i v e l y a nd e x t e nd t h e s e r vi c e 1 i r e of e x c a v a t o r ． Ke y wo r ds hy dr a ul i c e xc a v a t or ；e ne r g y r e c ov e r y；d yn a mi c l o a d；s i m ul a t i o n 引 目 近年来 ， 随着 基 础设 施 建 设 力 度 在 全 国各 地 的 加大， 挖掘机在道路、 建筑 、 水利及矿山等工程领域 的应用 日益 增多 ， 成 为 了 目前 应 用 最 广 泛 的工 程 机 械之一 ， 但同时它也是一种耗油高 、 排放差 、 对环境 污 染严 重 的工程 机械 _l l ] 。普 通 挖 掘机 2 0 S内就 可 以完成 一个 工作 循 环 ， 在 每 个 循 环 中 ， 动臂 、 斗杆 和 铲斗等都有一次下降， 在此过程中产生的势能除了少 部分以动能的形式继续存在外 ， 其余的大都以热能的 形式耗散l_ 3 ] ， 若不对这部分势能加以回收 ， 将造成液 压系统的发热 ， 降低液压系统的可靠性和寿命。所 以 对 动臂 、 斗杆 和铲 斗等 下 降的 势能 进行 回收 ， 对 延 长 挖掘机的寿命 、 提高能量的利用率具有重要意义l_ 4 ] 。 目前 ， 国 内外 学 者 对 于 液 压 系统 的势 能 回收 已 经有 了一定 的研 究 ， 也取 得 了相应 的成 果 。瑞 典 I n n a s 公 司将 液 压 变 压 器 应 用 于 挖 掘 机 液 压 系统 中 ， 回收 回油 的液 压 能 ； 美 国卡 特 比勒 公 司和 新 卡 特 比勒三菱株式会联合提出了一种可 以用于势能回收 的液压系统ll 6 ] 。在国内， 张彦庭采用配合油 电混合 收稿 日期 2 0 1 3 - 1 0 2 0 基金项 目 长安大学公 路养护装备 国家工程实验室开放基金项 目 2 0 1 3 G1 5 0 2 0 4 7 97 E QUI P ME NT MANAGEME NT AND MAI NTE NANCE 动力 驱动 系统 的方 法 开展 液 压 马 达 能量 回 收[ 7 ； 吉 林大学陈明东提出了以铲斗中分别盛装不同重量的 重物来研究动臂变负载下 的能量回收效率_ 8 ] 。但现 有势 能 回收 问题研 究 中 ， 都 没 有 考 虑 挖 掘机 在 实 际 工作 中单 次动 臂下 降过 程 中液压 缸受 力是 一个 动态 过程 ， 而 是分 别用 某 几个 恒 定 的力 来模 拟 动 臂液 压 缸所 受 到 的外 负载 ， 这显 然 与 挖 掘 机 实 际 工作 状 况 不符 ； 另外对于动臂下降的稳定性对其势能回收的 影 响也缺 乏 分析 研 究 。针 对 上 述 问题 ， 本 文 根据 挖 掘 机 的实 际工作状 况 ， 结 合 所 设 计 的动 臂 能 量 回 收 试 验 系统 ， 进 行基 于 动 态 负 载 的液 压 挖 掘 机 动 臂 势 能 回收系统仿真研究 。 1 挖 掘机 动臂 势能 回收 液 压挖 掘 机 动 臂 系 统 是 涵 盖 了 机 械 、 电 子 、 电 气 、 液 压 以及测 控 系 统在 内 的一 整 套 综 合 系统 。对 其 进行 建模 并分 析 时需要 多 种 软件 的配 合 ， 如 S i m u l a t i o n X、 S o l i d w o r k s 和 AD AMS等 的协作仿真。 1 ． 1 液压 挖掘 机工 况分 析 液 压挖 掘机 的 工作过 程 呈现循 环往 复 的周期 性 特点 ， 最为 典型 的工 作循 环主 要 由以下 工况组 成 挖 掘工况 、 满 斗举 升 回转 工 况 、 卸 载 工 况 、 空 斗 返 回工 况 。如 图 1所示 ， 可 见 驱 动 机 构 液 压泵 的需 求 转 矩 呈周期 、 规 律 、 突 变 特 性 ， 其 中一 个 周 期 约 为 1 5 S 。 其 中 ， O ～ 2 S为动臂 下 降阶段 ， 此 时可 以 回收动 臂势 能 ， 2 ～ 5 S为 挖 掘 作 业 阶段 ， 5 ～ 9 S为 带 载 提 升 阶 段 ， 9 ～1 2 S 为带 载 回转 阶段 ， 1 2 ～ 1 5 s 为 卸 载 回转 阶段 。 宣 ● 冬 褥 图 1 液 压 挖 掘 机 典 型 工况 曲 线 1 ． 2 动臂 势 能 回收 系统 原理 普通挖掘机工作时 ， 在动臂下降阶段 ， 动臂液压 缸无杆 腔 中 的压力 油通 过多 路 阀后 ， 直 接流 回油 箱 ， 其下降速度由多路阀回油 口的开度来控制 。在此过 程中， 动臂下降产生 的势能除 了少部分转化成动臂 的动能外 ， 其余大都将通过节流消耗在多路 阀阀 口 9 8 上， 以热能的形式耗散 ， 这种能量损失不仅降低了燃 油 的经 济性 ， 而且 转 化 成 的 热 能还 会 降低 液 压 系 统 的可靠性和寿命 。 为了解决大量动臂势能损失 问题 ， 本文提 出一 种 新 型动臂 节 能系 统 ， 系 统原 理如 图 2 所 示 。 图 2动 臂 势 能 回 收 系统 原 理 当动臂 上升 时 ， 由泵 出来 的液 压 油 通 过 三 位 六 通 换 向阀 的左 位进 入液 压 缸 的无 杆 腔 ， 推 动 活 塞 向 上 运动 ， 实 现动 臂 的 上升 。液压 缸 有 杆 腔 的 回油 经 过二位三通换向阀的上位 回到油箱 ， 动臂 的下降速 度通过可变节流阀的开度大小来调节 。当动臂下降 系统开 始 回收势 能 时 ， 动 臂 在重 力 的作 用 下 自动 下 落 ， 无杆 腔 的压力 油 经 过 三位 六 通 换 向 阀右 位 进 入 能量 回收 系统 。此 时 二 位 三通 换 向 阀 的下 位 开 启 ， 回油驱 动变 量 马达 旋 转 ， 同时变 量 马达 带 动 同轴 的 发 电机 转 动并进 行发 电 ， 将 电能储存 在 超级 电容 中。 当能量 回收完毕 ， 铲 斗开 始挖 掘时 ， 二位 三通 换 向 阀 回到上 位 ， 动臂在 泵 输 出压 力油 的作 用 下 克 服 阻 力 继 续下 降 。为 了实 现 动臂 下 降速 度 的可 控 性 ， 防止 动臂下 降失 控所 带 来 的 刚性 冲击 ， 本 系统 采 用 了速 度 反馈 控 制 ， 将 动臂 下 降 实 际 速 度 与操 纵 手 柄 给 定 速度通过放大器作比较 ， 来控制变量马达的排量 ， 进 而控制 动 臂下 降速 度 。在此 过 程 中 ， 系统 通 过 速 度 传 感器 与 变量 马达对 动臂 势 能 回收速度 进行 了反馈 控制 ， 确保了动臂下降速度 的稳定性 。 2液压挖 掘机刚性动力学分析 在现 有对 势能 回收 的研 究 中 ， 存 在 的关 键 问题 是没有 考 虑单次 动 臂下 降过程 中液压 缸受力 状 态是 一 个 动态 过程 ， 而是 以某 几 个 恒 定 的 力来 分 别 模 拟 动臂 液压 缸所受 到 的 外 负 载 ， 这 显 然 不符 合 挖 掘 机 ∞ 帕 加 ∞ ∞ ∞ ∞ 加 0 E Q U I P ME N T MA N A G E ME N T A N D MA I N T E N A N C E l 嗵围围圆圈豳 实际工作情况 。本 文运用 ADAMS软件对 挖掘机 动臂下降过程进行仿 真， 将得到 的液压缸所受 的动 态 负 载 曲线 ， 施加 到 能量 回收 系统试验 台 ， 研究 在此 过 程 中的能 量 回收效 率 。 2 ． 1液压 挖掘机 的 三维建 模 根 据某 型 号 液 压 挖 掘 机 设 计 图 纸 的 要 求 ， 在 S o l i d w o r k s中建立各部件的三维实体模型并进 行装 配 ， 再导人 AD A MS ， 从 而 获得 建 立 其运 动 学 微 分方 程所需要的零件质心 的位置、 质量及转动惯量等参 数 。A D AMS中建立 的三维模 型如 图 3所示 。 图 3挖 掘机 三维 模 型 2 ． 2动臂 下 降过程 受 力仿真 仿真 过程采 用 标 准 的挖 掘 流 程 挖 掘一 提 升一 旋转一下降一放铲一旋转 回位 。本次研究对象的铲 斗容 量 为 0 ． 2 m。 ， 以 Ⅳ 级 土 为 挖 掘 对 象 ， 容 重 为 2 0 0 0 0 N m～ ， 可 算 出挖 掘 结 束 后 满 载 铲 斗 的重 力是 4 ． 0 k N。设 定 动 臂 首 先 从 挖 掘 位 置满 斗 上 升 至最 高点 ， 这一 过程 为 0 ～ 7 S ， 然后 7 ～ 9 ． 5 S为 动 臂满斗的下降过程 ， 即动臂、 斗杆和铲斗复合动作从 最高点下 降至卸料起 始点 ， 动臂 液压 缸活 塞下 降 0 ． 3 2 m， 耗 时 2 ． 5 S 。 针对 该仿 真 过程 ， 可 以从 后 处 理模 块 P o s t P r o c e s s o r中获得 动臂 液 压 缸 受 力 点 的受 力 曲线 ， 如 图 4所示 。由此 可证 明 ， 动 臂 在 下 降 过程 中 由 于 自身 重 力 、 部 件之 间 的连接 以及 液 压 油 所受 压 力 变 化 等 因素存在刚性冲击 ， 受力会有波动或者突变 。 Z b _R 图 4 动臂 下降过程 中液压缸受力点的受力 曲线 3 挖掘机 动臂势 能回收仿真与分析 3 ． 1 基 于 S i m u l a t i o n X的液压系统仿真模型的建立 运 用 S i mu l a t i o n X软件对 图 2所 示 的动臂 势 能 回收系统， 建立仿真模型如图 5所示 。在模型中 ， 外 载荷由质量模 块 ma s s以及外 加力模 块 s o u r c e施 加 ， 动 态负 载 由 c u r v e 1 模 拟 。仿 真 中液压 缸 的 目标 下降速 度 设 定 为 0 ． 4 m s 一 ， 由 s e n s o r 、 c u r v e 2 、 f u n c t i o n 2 、 f u n c t i o n 3 、 、 P I D 五 个 信 号模 块 以及 变量 马达 P u mp Mo t o r Va r 综 合 控 制 。信 号 数 学 曲线 在 S i mu l a t i o n X 的信号编辑窗 口中可 以进行方便的导 入或者 编辑 。 p r e s e t I d i ffc y t i n d e r 图 5势 能 回 收 系 统仿 真模 型 3 ． 2动臂 液压 缸变 负载 模拟 将 动 臂下 降过 程 液压 缸 受 力 点 的受 力 曲线 图 4 中 7 ～9 ． 5 S的受 力情 况 ， 通 过 S i mu l a t i o n X 中的 信号 编辑 窗 口导 入 到 c u r v e l模 块 中 ， 如 图 6所 示 。 此 时系统 仿 真模 型 中 的 外 加 力 模 块 s o u r c e则 会 随 着 c u r v e 1模块 中力 的变 化而 变化 。 1 2 Z 1 0 2 O 8 R 0 ．6 0 4 U U ， l U l， 2 0 2 时间／ s 图 6 动臂液压缸受力信号曲线 3 ． 3仿 真 结果及 分析 3 ． 3 ． 1动臂 液压缸 速 度分析 图 7所示为动臂液压缸下降速度仿真 曲线 。可 看出动臂从 0 S 开始下降 ； 在下 降初始 阶段速度有 微 小波 动 ， 速 度从 0开 始逐 渐 增 大到 0 ． 7 m s 左 右 ； 随后衰减并趋近于稳态值 0 ． 4 2 m s ～； 接近动 臂 下 降结束 ， 即 2 ． 5 s 时 ， 动臂 速 度 逐渐 减 小 为 0 ， 挖 掘机进行卸料。可见仿真结果所得动臂液压缸速度 与挖掘 机实 际工 况 的速度 0 ． 4 m s 相 符 ， 速 度超 调量在允许范围内。系统采用动臂下降速度对 回收 马达排量进行反馈控 制， 避免了动臂在下降过程中 失 控所 带来 刚性 冲击 ， 同时 又解 决 了传 统 节 流 调速 9 9 E QUI P ME NT MANAGE ME NT AND MAI NT E NANCE 产 生的能 量 ’ i g o V 一 1 越一 二 i 3 ．3 ． 2 超 时 fW s 图 9 单周期 内回收能量 由此可 计算 出系 统 的回收效 率 为 一 丽≈6 3 ． 6 1 ％ 1 一 ≈ 式 中 M 为动臂 质量 k g ； H 为 动臂 重 心 高度 m ； g为重 力加 速度 N k g 。 由上述 分析 可 知 ， 回收 的能 量 最 终 以电 能 的形 式 存在超级电容 中， 经过多次动臂下降回收得到的 1 0 0 电能可 以方 便地 用 于转 台启动 、 制动 ， 减 少动臂 上升 时主泵 供 油 ， 实 现 回收能 量 的再利用 。试验证 明 ， 该 能量 回收 系统运 行状 况 良好 ， 适用 于挖 掘机 。 4 结 语 通 过 对液压 挖 掘 机 工况 的分 析 ， 本 文 提 出 了一 种液压 挖 掘 机 动 臂 下 降 势 能 回 收 系 统 。并 通 过 A DAMS软件对挖掘机实际工作过程进行仿 真， 得 到动 臂在 单次下 降 过 程 中 ， 液 压 缸 所受 动 态 负 载 曲 线 ， 将 其施 加 到能量 回收系统 试验 台 ， 以研究 在 此过 程中的能量回收效率。通过动臂下降速度对 回收马 达排量的反馈控制 ， 解决 了动臂下降失速所带来刚 性 冲击 ， 避 免 了传统 节流 调速 产生 的能 量损 失 问题 。 最后的仿真结果显示 ， 该系统节能效果显著 ， 具有较 高的能量回收率， 这对后续进行回收能量再利用 的 方案设计与研究奠定 了良好的基础 。 参 考文献 [1] 郝天奇． 混合动力挖掘机动臂势 能的闭式液 压 回收 系统研究 E D] ． 长春 吉林 大学 ， 2 0 1 1 ． [2] 任小青． 液压挖 掘机节 能技术 的发 展综述 [ J ] ． 机床 与液压 ， 2 0 0 9， 3 7 8 2 4 8 2 5 0 ． [3] 欧阳小平． 液压变压器研究E D ] ． 杭州 浙江大学 ， 2 0 0 5 ． [4 ] 美 国 卡 特 彼 勒 公 司．用 于 回 收 势 能 的 液 压 系 统 中 国， 1 0 1 2 7 8 1 3 0 A[ P ] ． 2 0 0 8 1 0 一 O 1 ． [5] 张彦廷 ， 王庆丰 ， 肖 清． 混合动 力液压挖 掘机液压 马达能量 回收的仿真及试验[ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 0 7 ， 4 3 8 2 l 8 - 2 2 3 ． [6] 陈明东． 液压挖掘机动 臂下降 势能 回收技术 研究 [ D] ． 长 春 吉林大学 ， 2 0 1 3 ． [7] 林潇 ， 管成 。 裴磊． 混合动 力液压挖 掘机动臂 势能 回收 系统E J ] ． 农业机械学报 ， 2 0 0 9 ， 4 0 4 9 6 1 0 1 ． [8 ]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E J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 1 0 ， 2 1 1 O 1 1 6 1 _ 1 1 6 6 [9 ] 柯坚 ， 李培 ， 于兰英 ， 等． 混合动力挖 掘机动臂 节能系统研 究[ j ] ． 机械设计与研究 ， 2 0 1 1 ， 2 7 6 1 0 9 1 1 2 ． [ 责任编辑 杜卫华]