基于機械設(shè)計節(jié)能基本原理的平衡液壓挖掘機仿真與分析

張偉博

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院,西安 710300）

基于機械設(shè)計節(jié)能基本原理的平衡液壓挖掘機仿真與分析

張偉博

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院,西安 710300）

為了解決傳統(tǒng)挖掘機動臂下降的勢能未被利用，易引起液壓系統(tǒng)發(fā)熱，上升時又需要消耗額外的動能問題，本文應(yīng)用機械設(shè)計節(jié)能基本原理，將傳統(tǒng)液壓挖掘機的固定配重改為滑動配重和油缸，使滑動配重油缸與動臂油缸連接，構(gòu)成平衡液壓挖掘機，有效地節(jié)約了系統(tǒng)能量，提高了整機的可靠性和使用壽命。

機械設(shè)計；節(jié)能；平衡液壓挖掘機；AMESim仿真

1 引言

近年來，液壓挖掘機的應(yīng)用非常普遍，特別是在各種建筑工程和土石方工程施工中起到十分重要的作用，被廣泛用在交通運輸、農(nóng)田改造、工業(yè)建設(shè)、礦山開采和民用建筑等諸多領(lǐng)域[1]。在目前節(jié)能減排的國情下，液壓挖掘機實現(xiàn)低能耗一直是業(yè)界的追求目標，液壓挖掘機從最初由操作手柄的先導壓力控制液壓泵的排量，發(fā)展為負流量控制、正流量控制和負載敏感控制，以及目前基于混合動力和二次調(diào)節(jié)技術(shù)的新型液壓挖掘機，經(jīng)歷了數(shù)次節(jié)能化進程。

目前挖掘機的節(jié)能研究主要是混合動力系統(tǒng)、電液比例控制和泵-發(fā)動機功率匹配，對如何改進液壓挖掘機的機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)節(jié)能的研究較少，本文通過對液壓挖掘機的功率損失分析，提出能量損失的幾個方面，根據(jù)機械設(shè)計節(jié)能基本原理改進傳統(tǒng)液壓挖掘機的機械結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)節(jié)能的目的，同時降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，并對平衡液壓挖掘機應(yīng)用軟件AMESim仿真。結(jié)果表明平衡液壓挖掘機具有良好的節(jié)能效果，可有效緩沖液壓沖擊，提高整機使用壽命。

2 液壓挖掘機能量損失分析

液壓挖掘機在一個工作循環(huán)過程中，從挖掘到卸料，動臂上升和下降各一次。挖掘機動臂在工作中頻繁升降，浪費了大量的能量，同時也使油溫上升，導致油液粘度降低，使液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。

為了降低液壓挖掘機能耗，目前液壓挖掘機多采用變量系統(tǒng)。一般來說，定量泵的閥控液壓系統(tǒng)效率較低，最高效率僅38.5％[2]。由于工況復雜和載荷變化較大，引起液壓挖掘機各種形式的功率損失和勢能損失，主要表現(xiàn)在：節(jié)流損失、溢流損失、沿程損失、機械損失、動能勢能損失和匹配損失[3]，液壓挖掘機主要能量損失如圖1所示。

圖1 液壓挖掘機主要能量損失

3 平衡液壓挖掘機的節(jié)能原理

傳統(tǒng)液壓挖掘機在工作過程中，動臂需要頻繁升降，而動臂下降的這部分勢能并沒有被利用和儲存，造成的能量的浪費，同時也使油液溫度上升，造成整機工作的不穩(wěn)定性，威脅駕駛員和施工人員的安全。平衡液壓挖掘機的設(shè)計基于“機械設(shè)計節(jié)能基本原理”，充分利用動臂下降的勢能，降低了系統(tǒng)的發(fā)熱。

“機械設(shè)計節(jié)能基本原理”主要闡述：引起有勢力所消耗的功率過高的原因是系統(tǒng)勢能短時間內(nèi)在較大范圍內(nèi)變化，在制動過程中也未將能量進行回收或轉(zhuǎn)換，這也是勢能沒有充分利用的主要原因，若要使有勢力消耗功率下降，系統(tǒng)勢能應(yīng)為常量或在最小范圍內(nèi)變化[4]。對機械設(shè)計節(jié)能基本原理分析可知，引起液壓挖掘機能量損失的原因是：挖掘機的系統(tǒng)勢能變化較大，即動臂下降的系統(tǒng)勢能未被儲存和利用，導致系統(tǒng)發(fā)熱，造成功率損失。

應(yīng)用機械設(shè)計節(jié)能基本原理，將傳統(tǒng)液壓挖掘機的固定配重設(shè)計為組合配重（即滑動配重和固定配重），并在滑動配重下安裝一組液壓缸，通過換向閥使動臂油壓缸與滑動配重液壓缸連接，構(gòu)成一組平衡系統(tǒng)—平衡液壓挖掘機。當液壓挖掘機開始挖掘時，動臂下降時所具有的勢能推動滑動配重體上升到一定高度，下一個工作過程中滑動配重下降的的勢能又轉(zhuǎn)化為動臂上升的動能，這樣實現(xiàn)一個能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的工作循環(huán)，提高了能量利用率，使挖掘機系統(tǒng)的勢能變化量為常數(shù)或在最小范圍內(nèi)變化，平衡液壓挖掘機基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 平衡液壓挖掘機基本結(jié)構(gòu)

4 平衡液壓挖掘機的節(jié)能仿真分析

平衡液壓挖掘機的主要特點是充分利用動臂下降的勢能，并將這部分勢能轉(zhuǎn)化為滑動配重體上升的動能，實現(xiàn)節(jié)能的目的。應(yīng)用液壓仿真軟件AMEsim，建立平衡液壓挖掘機的動臂—滑動配重平衡液壓系統(tǒng)，設(shè)定各液壓元件的參數(shù)，仿真平衡液壓挖掘機動臂液壓缸的壓力曲線，圖3所示為傳統(tǒng)液壓挖掘機的動臂油缸壓力曲線，圖4所示為動臂—滑動配重油缸壓力曲線。

圖3 傳統(tǒng)液壓挖掘機的動臂油缸壓力曲線

圖4 平衡液壓挖掘機動臂油缸壓力曲線

從圖3可看出，在傳統(tǒng)液壓挖掘機中，當動臂下降時，動臂油壓缸的壓力變化較大，這是因為受動臂、斗桿和鏟斗的重力影響，當油液進入動臂液壓油缸的有桿腔時，動臂受力較大，有向下運動的趨勢，短時間內(nèi)液壓油缸壓力急劇上升，此時容易出現(xiàn)吸空的現(xiàn)象。圖4表明，在動臂-滑動配重平衡系統(tǒng)中，由于滑動配重的平衡調(diào)節(jié)作用，液壓挖掘機的系統(tǒng)壓力變化較小，系統(tǒng)勢能在較小范圍內(nèi)變化，使發(fā)動機的驅(qū)動功率降低，實現(xiàn)了節(jié)能的目的，同時減少了液壓沖擊，延長了液壓挖掘機的使用壽命。

對比圖3和圖4曲線可知，平衡液壓挖掘機的動臂油缸壓力曲線特性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)液壓挖掘機，平衡液壓挖掘機的壓力變化小，壓力曲線平穩(wěn)，使系統(tǒng)勢能變化小，可以避免液壓沖擊，有效保護液壓系統(tǒng)，節(jié)約系統(tǒng)能量。

5 總結(jié)

（1）平衡液壓挖掘機具有結(jié)構(gòu)獨特、操作可靠、原理正確、節(jié)能高效等特點，且結(jié)構(gòu)易于實現(xiàn)，只需將傳統(tǒng)液壓挖掘機的固定配重改為組合配重，并在滑動配重下布置一油缸與動臂油缸連接，大大節(jié)約能量，提高生產(chǎn)效率，改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了節(jié)能減排的目的。

（2）平衡液壓挖掘機可降低油缸發(fā)熱、減少液壓沖擊、保護液壓元件，提高系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。

（3）滑動配重的結(jié)構(gòu)參數(shù)需要進一步優(yōu)化匹配，以實現(xiàn)最優(yōu)的節(jié)能效果。

（4）斗桿和鏟斗下降的勢能同理可應(yīng)用機械設(shè)計節(jié)能基本原理，這也是研究液壓挖掘機節(jié)能的另一個方向。

[1]董芃羽.挖掘機工作裝置的動力仿真及有限元分析[D].河北：河北工業(yè)大學，2011.

[2]趙旭東,韓玉生等.液壓挖掘機中各種液壓泵源的研究分析[J].液壓氣動與密封，1998（02）：5-8.

[3]唐伯堯，李加文，李從心.挖掘機液壓系統(tǒng)及功率損失分析[J].機床與液壓,2004（05）.

[4]車勝創(chuàng).機械設(shè)計節(jié)能基本原理的分析與應(yīng)用[J].長安大學學報：自然科學版，2011（03）.

張偉博（1985-），男，陜西武功人，助教，碩士研究生。