小型液压挖掘机回转系统能量回收的研究.pdf

液 压 气 鼋 与 密 M ／ 20 1 6年 第 08期 d o i l O ．3 9 6 9 ． is s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ．2 0 1 6 ． 0 8 ．0 1 6 小型液压挖掘机回转系统能量回收的研究 吴文海， 姚明星， 秦 剑， 王国志， 柯 坚 西南交通大学 机械工程学院， 四川 成都6 1 0 0 3 1 摘 要 为了使小型液压挖掘机回转制动过程更加平稳以及制动能量得到回收 ， 提出了一种具有防反转功能的回转制动能量回收系 统。通过A M E S i m软件建立系统仿真模型并进行分析 ， 对能量回收仿真结果进行了模拟试验验证。结果表明 防反转控制有效消除 了转台制动时的反转摇晃 ； 在重载工况下， 蓄能器仿真得到的能量回收率为6 4 ． 9 ％， 试验得到的能量回收率为6 9 ．2 ％， 达到了良好的节 能效果 。 关键词 小型液压挖掘机 ； 回转系统 ； 防反转控制 ； A ME S i m软件； 蓄能器； 节能 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 6 0 8 0 0 5 0 ～ 0 5 ‘ S t ud y o n En e r g y Sa vi ng f o r S ma l l Hy d r a ul i c Ex c a v a t o r Ro t mi o n S ys t e m WU W e n h a l Y AOMi n g - x i n g , Q I NJ i a n ， W A NG G u o - z h i , K EJ i a 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 o f S o u t h we 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 6 1 0 0 3 l ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o ma k e t h e b r a k i n g p r o c e s s mo r e s t a b l e a n d the b r a k i n g e n e r g y i s r e c o v e r e d ， a r o t a r y b r a k i n g e n e r g y r e c o v e r y s y s t e m wi th a n t i r e v e r s a l f u n c t i o n i s p r o p o s e d ． T h e s y s t e m s i mu l a t i o n mo d e l wa s e s t a b l i s h e d b y AM E S i m s o f t wa r e a n d the s i mu l a t i o n r e s u l t s we r e v e r i fie d b y t h e s i mu l a t i o n t e s t ． T h e r e s u l t s s h o w tha t t h e a n t i r e v e r s a l c o n t r o l c a n e ff e c t i v e l y e l i mi n a t e t h e r e v e r s e s h ak i n g d u ri n g b r a k i n g ； u n d e r h e a v y l o a d c o n d i t i o n s o f a c c u mu l a t o r s i mu l ati o n g e t the e n e r gy r e c o v e ry r a t e i s 6 4．9 ％ ， t e s t g e t the e n e r g y r e c o v e r y r a t e i s 6 9．2 ％ ， wh i c h a c h i e v e s a g o o d e n e r gy s a v i n g e ffe c t ． Ke y wo r d s s ma l l h y d r a u l i c e x c a v a t o r ； s l e wi n g s y s t e m ； a n t i r e v e r s a l c o n tro l ； AM ES i m s o ft ware ； a c c u mu l a t o r ； e n e r g y s a v i n g 0 引言 小型液压挖掘机价格低、 重量轻、 保养维修方便， 具有广泛 的适用性 。其结 构紧凑 、 灵活 ， 便于运输 、 场 地转移， 功耗低 ， 特别适用于市政、 园林、 路面、 小型土 石方 、 自 来水管道、 埋设电缆及河道清淤等城市建设项 目 [I- 21 。小型液压挖掘机主要在城市土建施工及一般住 宅修整等工作中发挥作用， 环境狭小、 工况复杂 ， 要具 有良好的回转性能和工作性能。因此对其进行回转控 制优化及节能研究是很有必要的。 液压挖掘机的重量多集中在转台以上 ， 随转台转 动时会产生很大的转动惯量。当转台制动时， 液压马 达进油腔油路被切断， 由于惯性 ， 转台带动马达继续旋 转 ， 此时马达进、 出油 口会形成液压弹簧 ， 使转台产生 反转摇晃 。此外， 在回转马达制动完成的一瞬间， 由 于回转减速机齿轮的反冲力作用 ， 回转马达会向反方 向作微小转动 ， 也会引起转台反转摇晃 ， 这会对液压 元件造成冲击 ， 影响操作的舒适性。回转制动能量的 回收再利用对节能减排、 提高生产效率具有重要意义。 本文以4 T 级小型液压挖掘机的回转系统为研究 收稿 日期 2 0 1 6 0 3 0 2 作者简介 吴文海 1 9 7 9 一 ， 男， 河北承德人， 讲师， 博士， 研究方向 工程 机械节能降噪技术。 5 O 对象， 提出了一种具有防反转功能的回转制动能量回 收系统， 说明了系统控制原理 ， 建立模型并进行仿真分 析 ， 主要研究 了防反转特性及节能效果 。最后搭建试 验平台对能量回收仿真结果进行了模拟试验验证。 1 回转系统组成及控制原理 1 。 1 回转系统组成 具有防反转功能的回转制动能量回收系统原理图 如 图 1 所示 。一般小型液压挖掘机回转系统主要 由液 压泵、 液压马达、 溢流阀和换向阀等组成， 本文设计的 系统添加了蓄能器作为能量回收元件 ， 并通过添加二 位二通电磁换向阀， 结合传感器及电控系统来实现防 反转功能。 1 ． 2 回转 系统控制原理 该系统的工作过程主要包括制动时的能量回收、 防反转控制以及启动时的能量释放 ， 下面就其控制原 理分别予以说明。 1 回转制动时进行能量回收。假设此时液压马 达 1 3 中的液压油是左进右出， 压力传感器 1 O 一 2 、 1 0 3 检测液压马达两端压力的变化。首先， 制动时压力传 感器 1 O 一 3 处检测到的压力大于压力传感器 1 0 2 处的 压力， 电子控制单元收到压力信号 ， 随后发出指令， 使 换向阀9 1 、 9 - 2 处于右位 ， 换向阀3 一 l 关闭， 由于转台 型 塑 墅 2 仿真模型建立与参数设置 2 ． 1模型建立 根据系统原理图 ， 利用A M E S i m软件对小型液压 挖掘机回转制动能量回收系统进行建模仿真， 仿真模 型如图 2 所示。 巨大的转动惯量， 使得液压马达 1 3 在液压泵工况下工 作。最后液压油通过换向阀9 2 、 单向阀2 - 4 进入蓄能 器 1 2 ， 使得制动能量得以回收。 1 一 油箱2 一 单 向阀 3 一 二位二通 电磁换 向阀 4 一 电动机5 一 变量泵 6 一 溢流阀 7 一 操控手柄8 一 多路阀 9 一 二位三通换向阀 1 O 一 压力传感器1 卜流量传感器1 2 一 蓄能器1 3 一 回转马达 图 1回转制动能量回收系统原理图 2 制动结束时的防反转控制。二位二通电磁换 向阀3 2 、 3 3 分别接液压马达1 3 的进、 出油口和油箱， 通过卸荷实现转台防反转控制功能。假设此时液压油 在马达 1 3 中仍是左进右出， 回转制动结束时 ， 换向阀 3 3 工作在右位 ， 使液压马达 1 3 制动高压腔与油箱接 通进行卸荷 ， 马达两腔的背压值均较低， 从而防止转台 反转摇晃。系统反转制动时原理相同， 只不过是通过 换向阀3 - 2 卸荷。 3 回转启动时能量释放。仍假设此时液压马达 1 3 中的液压油是左进右出。电子控制单元发出指令 ， 使得多路阀8 处于左位 ， 换向阀9 1 处于右位， 换向阀 9 2 处于左位， 换向阀3 1 打开 ， 液压马达 1 3 在马达工 况下工作。压力传感器 1 0 1 检测蓄能器出口压力， 将 信号传递给电子控制单元以判断是否进行能量释放。 如果此时蓄能器出口压力值大于设定值 ， 则电子控制 单元发出指令 ， 控制换向阀3 1 打开以释放蓄能器中 油液至变量泵5 的进油口， 通过降低其进出口压差达到 节能 目的。 ④ 图2回转制动能量回收系统仿真模型 2 ． 2仿真参数设置 以某型号 4 T 级小型液压挖掘机为实例进行仿真 分析， 挖掘机基本参数如下 工作重量为4 0 5 0 k g ， 额定 功率2 7 ．6 k W， 标准斗容 0 ． 1 4 m 。 ， 牵引力3 1 ． 8 k N ， 回转速 度9 ． 8 r ／ m i n 。仿真模型中主要液压元件基本参数依据 实例中挖掘机的实际参数设定， 某些参数据此计算得 到， 如表 1 所示。 选取反铲液压挖掘机 ， 其上部回转机构的转动惯 量是按照下列经验公式t l,f-d i 算的 J o 5 9 0 G 1 ．， 9 6 0 G 2 式中G 为整机质量， T ； 为空斗回转时的转动惯量 ， k g m ； -， 为满斗回转时的转动惯量， k g m 。 液压挖掘机在重载工况下工作更能体现出其性 能 ， 故本文选取挖掘机满斗回转 重载 时回转制动能 5 1 争 | ‘ 压 气 栩’ ． 胃 薯p 封 ／2 0 1 6年 第 08期 量回收的工况进行仿真与试验。 袭 1仿真模型主要元件基本参数 马达排量／ mL ／ r 额定转速， r ／ m i n 回转马达 机械效率 减速机总成 容积效率 总减速比 满斗回转转动惯量／ k g m 3 3 ． 8 2 0 0 0 O ． 9 O ． 9 7 l1 3 9 8 7 8 ． 6 2 3 仿真方法及结果分析 对转台重载制动进行仿真， 仿真周期设为正反2 次 回转， 时长2 0 s 。一个周期内仿真动作过程如表2 。 裹2周期内仿真动作过程 时间 s 动作 0 1 不工作 1 - 5 正转 5 - 1 0 制动， 能量回收 1 0 - 1 4 反转， 能量释放 1 4 - 2 0 制动． 能量回收 3 ． 1防反转控制分析 在仿真模型中液压马达的进、 出油 口分别添加一 个二位二通电磁换向阀， 结合电控系统， 用来控制正反 转制动时马达油 口的卸荷 ， 防止转台反转摇晃。有无 防反转控制的回转制动能量回收系统仿真结果如图3 、 图4 、 图5 所示 。 5 2 1 ．O ． 璺 0 ． 5 蜀 。 ．0 黎 s ．1 ． 0 7 ． 2 7 ．4 7 ． 6 ， ．8 8 ,0 8 ． 2 B I 8 ,6 S ．8 9 ． 0 时间 t ／ s 圈3转台转速对比图 图3 为转台正转制动时反转摇晃时间段的转台速 度曲线 图。从 图中可以看 出 无防反转控制时 ， 转台发 生了4 次反转摇晃才完全停止； 有防反转控制时， 转台 制动平稳 ， 没有反转 发生 。表 明防反转控制能有效 消 除转台制动时的反转摇晃。 冀 ＼ R 拦 7 ． 2 7 ． 4 7 ． 6 7． 8 8． 0 8 ． 2 8 ． 4 8 ． 6 8 ． 8 9 | 0 时间 t l s 图4 回转马达进油口压力对 比图 图 5 回转马达 出油 口压力对 比图 图4 、 图5 为转台正转制动时反转摇晃时间段的马 达进 、 出油 口压力曲线图。从 图中可以看 出 无防反转 控制时， 回转马达的进、 出油口压力会发生多次大幅波 动， 对液压元件造成冲击 ； 有防反转控制时， 回转马达 进 、 出油 口压力是平衡的 ， 并未发生大幅波动。 3 _ 2节能效果分析 假设回转制动过程中蓄能器内气体压力变化量为 P ， 气体体积从 下降到 ， 则其回收的能量E 就是外 界对蓄能器 内气体所做 的功 ， 有公式 E p d 3 此即为蓄能器回收的能量值。下图6 为回转制动 过程 中蓄能器气体压力／ 体积变化 曲线图 ， 根据此图结 合公式 3 即可得到蓄能器的回收能量变化曲线， 如 图 7 6 。 0 c a 5 。 6 5 ． 2 R 捌4 ． 8 4． 4 一 气体压力 ⋯ 气体体积 4． 0 3 ． 9 3 ． 8 3． 7 3． 6 3． 5 3． 4 3． 3 0 5 1 0 1 5 2 0 时间 t ／ 8 图6 蓄能器气体压力， 体积变化曲线 鐾 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 8 ． 2 0 1 6 5 6 7 8 9 l O 时间 c ／ 8 图7 蓄能器 回收能量变化 曲线 根据图7 可知， 蓄能器的回收能量最终为E 3 ．3 7 7 k J 。由公式 2 求得挖掘 机满斗 回转转动惯 量 9 8 7 8 ．6 2 k g m ， 转台转速为9 ． 8 r ／ m i n ， 根据公式 4 可以 算出满斗回转制动能量 5 ．2 0 2 k J 。 E 。 0 ． 5 J o 4 则E 与 之 比即为蓄能器能量 回收率为 6 4 ． 9 ％。 4 试验及结果分析 为了验证能量回收仿真的结果 ， 针对4 T 级小型液 压挖掘机 回转制动能量 回收进行了模拟试验研究 ， 实 验方案原理图如图 8 所示。 卜油箱2 一 过滤器3 一 定量泵4 一 电动机5 一 单 向阀6 一 溢流阀 7 一 截止阀 8 一 液压马达 9 一 电磁离合器l O 一 压力传感器l 1 一 飞轮 1 2 一 转速传感器1 3 一 双向泵， 马达1 4 一 换向阀 1 5 一 流量传感器1 6 一 蓄能器 图8 回转制动能量回收试验方案原理图 由图可知 ， 本试验是采用飞轮模拟挖掘机制动 时 的转动惯量 ， 达到所需转动惯量时脱开电磁离合器， 让 飞轮驱带动双向泵／ 马达给蓄能器充液以模拟制动过 程。飞轮停转即表示充液完毕 ， 随即蓄能器释放驱动 飞轮反转， 采集蓄能器压力、 流量和飞轮转速即可得到 能量回收率。 已知飞轮 的转动惯量 ， 以及 4 T级液压挖掘机 回转 马达减速机总成的相关参数 ， 可以计算出试验中模拟 满斗回转 重载 制动时飞轮转速需要达到1 2 2 7 r ／ m i n 。 试验各元件参数与仿真中参数设置相匹配 ， 采集 实验数据整理后所得结果如图9 、 图1 O 所示。 ．蓦 嘲 糖 综合仿真与试验所得结果如表3 所示。 表3仿真与试验回收能量参数 由表3 可知， 试验所得能量回收率与仿真所得基本 一 致， 误差也在可接受范围内， 从而验证了仿真所得结 6 5 4 3 2 l B d 譬＼ 蓦 l ∞ 强 m 液 压 气 a - q 密 a o - ／2 ol 6年 第0 8期 d o i l O ．3 9 6 9 ．is s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ．2 0 1 6 ． 0 8 。0 1 7 气动元件流量试验影响因素分析 庞晓丽， 丁继洁 ， 袁俊 民 河南航天液压气动技术有限公司， 河南 郑州 4 5 1 1 9 1 摘要 该文介绍了一种流量试验方法。描述了流量试验的过程， 详细论述了试验中的各种影响因素以及消除影响的方法。 关键词 流量试验 ； 影响因素 ； 分析； 气动 中图分类号 T H1 3 8 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 6 0 8 0 0 5 4 0 2 Ana l ys i s of Fl o w Te s t I nflu e nc i n g Fa c t o r s f o r Pn e u ma t i c El e me n t s P A NGXi a o l i ， D I N GJ i - j i e ， Y U A NJ u n mi n He n a n Ae r o s p a c e I n d u s t r y C o ． ， L t d ． ， Z h e n g z h o u 4 5 1 1 9 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r i n t r o d u c e s a k i n d o f flo w t e s t me t h o d ； d e s c r i b e s p r o c e s s i n g o f flo wi n g t e s t ； d e t a i l s t h e i n fl u e n c i n g f a c t o r s o f t e s t p r o c e s s i n g a n d r e mo v i n g o f t h e i n f l u c e n c e． Ke y wo r d s flo w t e s t ； i n fl ue n c i n g f a c t o r s ； a n a l y s i s ； p n e u ma t i c s 0 引言 随着工业 自动控制技术的发展 ， 控制的精度要求 越来越高， 在气动控制领域亦是如此。气动产品愈加 收稿 日期 2 0 1 6 0 l _ 2 1 作者简介 庞晓丽 1 9 7 9 一 ， 女， 河南郑州人 ， 工程师 ， 学士 ， 现从事液压 气动元件和气动系统领域研究。 朝精细化的程度发展 ， 气动系统的压力传递要求愈加 精确 ， 精确控制气动系统沿途各元器件的压力损失是 保证气动系统精确实现其功能的关键 。 我公司进行一气动元件流量流阻试验时， 试验数 据与理论设计值偏差较 大达不 到预定指标 ， 通过原 因 分析， 改变系统元件最终实现预定指标。本文通过试 验系统元 件的改变 ， 分析 出影 响流量流阻试验 的几种 因素， 为读者在进行相似的试验时提供参考。 果 ， 证明了仿真模型的正确性。同时6 0 ％以上的能量 回收率也说明回转制动能量具有 良好的可回收性 ， 达 到 了很好的节能效果 。 5 结论 本文提出了一种具有防反转功能的小型液压挖掘 机 回转制动能量回收系统 ， 通过 A M E S i m软件建立系 统仿真模型， 结果表明 该系统具有较好的防反转效 果 ， 提升了操作的舒适性， 且回转制动能量回收率达到 了6 4 ．9 ％。同时针对仿真所得能量回收结果进行了模 拟实验 ， 实验得到的回转制动能量回收率为6 9 ．2 ％， 与 仿真结果相差不大， 表明了仿真模型的正确性。此外， 良好的防反转效果及较高的回收率表明了该系统具有 很好的控制性能和节能效果。 参考文献 [ 1 】 张宏， 张箭． 国内外小型挖掘机发 展综述 [ J 】 ． 工 程机械， 2 0 0 7 ， 4 4 8 5 1 ． [ 2 】 张启君． 以小见大小型挖掘机的市场分析及发展趋势 - 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