挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)裝置能量回收系統(tǒng)中蓄能器的設(shè)計(jì)計(jì)算

吳 辰，李 嵐，李林升

（南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

0 引言

液壓挖掘機(jī)作為一種重要的通用型工程機(jī)械被廣泛應(yīng)用于建設(shè)施工中，然而挖掘機(jī)同時(shí)也存在著高能耗和能量利用率低的缺點(diǎn)。隨著能源危機(jī)的加劇，節(jié)能研究成為當(dāng)前工程機(jī)械發(fā)展最迫切的需求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)時(shí)間約占整個(gè)工作循環(huán)的50%～70%，能量消耗約占25%～40%，液壓油路的發(fā)熱量約占整個(gè)液壓系統(tǒng)總發(fā)熱量的30%～40%。因此，挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的能量回收對(duì)降低挖掘機(jī)能耗有著重要的意義。

飛輪儲(chǔ)能、電儲(chǔ)能及液壓儲(chǔ)能是目前主要的能量再生系統(tǒng)儲(chǔ)能方案。液壓混合動(dòng)力技術(shù)利用了液壓蓄能器功率密度大和雙向馬達(dá)工況互逆的優(yōu)點(diǎn)，是儲(chǔ)能方式的首選［1］。皮囊式蓄能器具有皮囊慣性小、反應(yīng)靈敏、結(jié)構(gòu)尺寸小等特點(diǎn)，目前應(yīng)用最為廣泛。本文在建立能量回收過程中蓄能器工作壓力和皮囊體積動(dòng)態(tài)方程的基礎(chǔ)上，以某型號(hào)挖掘機(jī)為研究實(shí)例，利用MATLAB軟件進(jìn)行計(jì)算，從而確定蓄能器的型號(hào)［2］。

1 回轉(zhuǎn)裝置制動(dòng)時(shí)能量存儲(chǔ)過程的分析

挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)裝置能量再生系統(tǒng)液壓回路簡圖如圖1所示。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)能量通過回轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)液壓泵工作，將低壓油轉(zhuǎn)換成高壓油儲(chǔ)存在液壓蓄能器中，實(shí)現(xiàn)能量的回收?；剞D(zhuǎn)起始時(shí)，蓄能器釋放出高壓油驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)。

挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)能量回收時(shí)的能量平衡方程為：

其中：A 為挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)回收能量，J；J 為挖掘機(jī)上部工作裝置轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；ω0為挖掘機(jī)上部工作裝置制動(dòng)開始時(shí)的角速度，rad／s；ω 為挖掘機(jī)上部工作裝置制動(dòng)開始后t 時(shí)刻的角速度，rad／s；E1為回收的能量，J；E2為挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)摩擦所消耗的能量，J；E3為挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)裝置風(fēng)阻所消耗的能量，J；E4為挖掘機(jī)坡度阻力所消耗的能量，J。

圖1 回轉(zhuǎn)裝置能量再生系統(tǒng)液壓回路簡圖

制動(dòng)過程中液壓系統(tǒng)最高壓力如果大于蓄能器最高工作壓力，制動(dòng)器則會(huì)啟動(dòng)與能量回收系統(tǒng)聯(lián)合制動(dòng)，勢必會(huì)造成一部分制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化成熱能損耗掉［3］，因此蓄能器的最高工作壓力應(yīng)與相應(yīng)工況下液壓系統(tǒng)的最高壓力匹配，假設(shè)工況為平坦路面及無風(fēng)阻。

制動(dòng)過程中機(jī)械能通過回轉(zhuǎn)裝置、主減速器傳遞給液壓泵，再由液壓泵以液壓能的形式存儲(chǔ)在液壓蓄能器中，因此回收的能量可用驅(qū)動(dòng)液壓泵工作的能量來表示：

其中：T 為驅(qū)動(dòng)液壓泵所需的扭矩，N·m；i為減速器傳動(dòng)比，取為18.8；ηT 為系統(tǒng)的傳遞效率，取為0.85；ε為制動(dòng)角減速度，rad／s2；φ 為回轉(zhuǎn)裝置制動(dòng)過程轉(zhuǎn)過的角度，rad。

回轉(zhuǎn)裝置克服摩擦所消耗的能量E2為：

將式（2）和式（3）代入式（1）中，得到：

制動(dòng)時(shí)，蓄能器容積的變化為：

其中：n為制動(dòng)過程液壓泵軸的轉(zhuǎn)速，r／s；q 為液壓泵的排量，q＝2πT／p，L／r，p 為液壓泵出口壓力。

氣體狀態(tài)方程為：

其中：p0為蓄能器初始?jí)毫?；V0為蓄能器初始容積；k為狀態(tài)變化過程指數(shù)，儲(chǔ)能狀態(tài)可認(rèn)為氣體在絕熱條件下工作，k＝1.4［4］。

儲(chǔ)能過程中液壓蓄能器氣囊體積V 為：

其中：ΔV 為蓄能器的容積變化。

聯(lián)立式（4）、式（5）、式（6），可得：

2 利用MATLAB 對(duì)液壓蓄能器的容積及壓力變化進(jìn)行計(jì)算

用傳統(tǒng)的解方程方法解公式（7）比較困難，用MATLAB可直接進(jìn)行計(jì)算并作圖。

這里以CLG200－3 液壓挖掘機(jī)為例，J ＝18 548.9kg·m2，ω0＝1.3rad／s，ε＝0.62rad／s2。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，μα＝0.015，∑NGM＝344 943.4kN，D0＝0.625m，∑NH＝0［5］。蓄能器對(duì)應(yīng)于初始容積時(shí)的壓力p0＝12MPa。由于液壓蓄能器為標(biāo)準(zhǔn)件，這里選取30L、40L、50L 三種容量的蓄能器作為對(duì)比。圖2、圖3、圖4分別為30L、40L、50L 液壓蓄能器能量回收過程的仿真圖。

圖2中，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制動(dòng)終了時(shí)，液壓蓄能器工作在最高壓力，為39 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液壓蓄能器允許的最高工作壓力32 MPa。雖然此時(shí)液壓再生系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)制動(dòng)器與液壓泵聯(lián)合制動(dòng)，但制動(dòng)器把部分能量以熱量形式消耗掉，液壓蓄能器不能吸收全部制動(dòng)能，再生系統(tǒng)效率較低。

圖3中，液壓蓄能器最高工作壓力為31.9 MPa，最接近液壓蓄能器允許的最高工作壓力，此時(shí)制動(dòng)能會(huì)被能量再生系統(tǒng)全部吸收，系統(tǒng)達(dá)到的效率最高。

圖2 30L液壓蓄能器能量回收仿真圖

圖3 40L液壓蓄能器能量回收仿真圖

圖4中，液壓蓄能器最高工作壓力為28.8 MPa，低于液壓蓄能器允許的最高工作壓力32 MPa。雖然此時(shí)制動(dòng)能被全部吸收，但是蓄能器未發(fā)揮其最大效率，造成設(shè)備的浪費(fèi)。

圖4 50L液壓蓄能器能量回收仿真圖

綜上所述，40L液壓蓄能器的容積及最高工作壓力最符合該能量再生系統(tǒng)對(duì)能量回收的要求。

3 結(jié)論

將液壓蓄能器加入到挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)裝置，使其成為一個(gè)能量再生系統(tǒng)；建立挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)裝置制動(dòng)時(shí)的能量平衡方程，再利用MATLAB 仿真軟件對(duì)液壓蓄能器的容積及工作壓力進(jìn)行仿真計(jì)算。通過比較不同容積液壓蓄能器的最高工作壓力，最后選擇液壓蓄能器的容積為40L。該研究對(duì)挖掘機(jī)實(shí)現(xiàn)液壓混合動(dòng)力及參數(shù)匹配有一定的意義。

［1］ 何仁，王憲英，王若平.混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配評(píng)價(jià)指標(biāo)的探討［J］.汽車技術(shù)，2005，36（1）：22－24.

［2］ 肖青，王慶豐.液壓挖掘機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)匹配方法［J］.中國公路學(xué)報(bào)，2008，21（1）：121－126.

［3］ 張圣麟.公共汽車制動(dòng)能量再生系統(tǒng)中的皮囊式液壓蓄能器計(jì)算與選擇［J］.輕型汽車技術(shù)，2005（s2）：25－27.

［4］ 劉延俊，關(guān)浩，周德繁.液壓與氣壓傳動(dòng)［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［5］ 同濟(jì)大學(xué).單斗液壓挖掘機(jī)［M］.第2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1986.