基于蓄能器的動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)仿真研究

， ， ， (新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(太原理工大學(xué))， 山西 太原 030024)

引言

液壓挖掘機(jī)是最常用的工程機(jī)械之一，普通液壓挖掘機(jī)通常使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，一直存在能耗高，排放差的問題[1]。面對(duì)當(dāng)前能源緊缺和環(huán)境問題日益嚴(yán)重的情況，節(jié)能和環(huán)保越來越重要。傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)總能量利用效率并不高，其液壓系統(tǒng)效率僅為40%左右[2],因此液壓挖掘機(jī)的節(jié)能研究具有重要意義。在挖掘機(jī)的可回收能量中，動(dòng)臂液壓缸可回收能量占有很大比例[3-5]，若能實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂勢(shì)能回收，將會(huì)有可觀的節(jié)能和環(huán)保效果。國內(nèi)對(duì)于動(dòng)臂勢(shì)能的回收已經(jīng)有了一定的研究，浙江大學(xué)的林瀟等人介紹了一種使用液壓馬達(dá)、發(fā)電機(jī)和鎳氫電池組成的混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)[6]，但該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。中南大學(xué)的陳欠根等人提出了一種基于液壓缸——蓄能器平衡的新型液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收再利用系統(tǒng)[7]。吉林大學(xué)的趙丁選等人提出了一種以蓄能器為儲(chǔ)能元件的油液混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)[8]，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，文中僅分析了蓄能器預(yù)充壓力對(duì)能量回收效果的影響。

本研究采用與文獻(xiàn) [8-10] 類似的系統(tǒng)，在Simulation X軟件中建立了挖掘機(jī)工作裝置的多體動(dòng)力學(xué)仿真模型，仿真研究了該系統(tǒng)的操縱性，能量回收性能，以及蓄能器參數(shù)對(duì)能量回收率的影響。

如圖1為液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)的原理。在能量回收階段，當(dāng)動(dòng)臂下降時(shí)，比例閥4在中位，比例閥9在右位。動(dòng)臂液壓缸無桿腔的油液通過比例閥9進(jìn)入蓄能器，動(dòng)臂的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為液壓能儲(chǔ)存在蓄能器7中。與普通挖掘機(jī)相比，蓄能器能夠代替節(jié)流閥為動(dòng)臂液壓缸提供所需的回油背壓，避免了使用節(jié)流閥引起的能量損失。通過調(diào)整比例閥9的開度，可以控制動(dòng)臂的下降速度，且下降速度相對(duì)穩(wěn)定。

1、3、10.單向閥 2.泵 4、9.電比例方向閥 5.動(dòng)臂液壓缸 6.壓力傳感器 7.蓄能器 8.溢流閥 圖1 動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)原理

在能量釋放階段，比例閥9切換到左位，蓄能器油口與液壓泵的吸油口相連，油液通過液壓泵吸油口回到液壓系統(tǒng)，提高了液壓泵吸油口壓力，從而降低了泵的輸入功率，達(dá)到節(jié)能的目的。

蓄能器進(jìn)油口安裝有壓力傳感器，在動(dòng)臂下降階段，當(dāng)蓄能器壓力過高時(shí)，動(dòng)臂不能以設(shè)定的速度下降，此時(shí)比例閥4切換到左位，液壓泵接入動(dòng)臂液壓缸回路，驅(qū)動(dòng)動(dòng)臂下降。同時(shí)比例閥9切換到左位，蓄能器釋放能量，能量釋放完畢后，比例閥9切換到中位，為下一次能量回收做準(zhǔn)備。

1 系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)仿真模型

以某6 t級(jí)小型挖掘機(jī)為研究對(duì)象，其工作裝置如圖2所示。

1.鏟斗 2.鏟斗液壓缸 3.斗桿 4.斗桿液壓缸 5.動(dòng)臂 6.動(dòng)臂液壓缸

為了使仿真結(jié)果更加接近于實(shí)際情況，首先在Pro/E軟件中建立挖掘機(jī)工作裝置的三維裝配模型，并通過接口導(dǎo)入到Simulation X進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真。其仿真模型如圖 3所示。

圖3 多體動(dòng)力學(xué)仿真模型

2 動(dòng)臂可回收能量分析

挖掘機(jī)在動(dòng)臂舉升階段，動(dòng)臂液壓缸需要克服工作裝置以及負(fù)載共同的重力作用，將動(dòng)臂舉升到所需高度。在動(dòng)臂下降過程中，動(dòng)臂的勢(shì)能通過油液在閥口發(fā)熱損失掉，不僅浪費(fèi)能源，且會(huì)使油液溫度升高。

由圖4可以看出，液壓缸活塞位移在0～600 mm之間，無桿腔壓力變化范圍5.7～6.2 MPa，變化較小，適宜使用蓄能器進(jìn)行能量回收。

圖4 動(dòng)臂液壓缸活塞桿位移與無桿腔壓力

動(dòng)臂下降過程中，在忽略摩擦等損失的情況下，動(dòng)臂可回收能量計(jì)算公式如下：

其中，pc為動(dòng)臂液壓缸無桿腔壓力，Sc為動(dòng)臂液壓缸無桿腔截面積。對(duì)圖4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行積分計(jì)算，得到動(dòng)臂下降過程中可回收能量約為32 kJ。

3 蓄能器參數(shù)匹配

蓄能器在液壓系統(tǒng)中是用來儲(chǔ)存、釋放能量的裝置，分為氣體加載式、重錘式、彈簧式。其中氣體加載式又分為氣囊式、活塞式和氣瓶式[4]。本研究選用氣囊式蓄能器，它能夠?qū)崿F(xiàn)油氣隔離，且具有尺寸小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)。蓄能器是動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)的儲(chǔ)能元件，選取合適的參數(shù)，能夠提高系統(tǒng)的能量回收率。氣囊式蓄能器中的氣體可視為理想氣體，符合如下公式：

(1)

Vt=V0-Vc

(2)

式中，C為固定常數(shù)，p0與pt分別為蓄能器的預(yù)充壓力和動(dòng)臂液壓缸完全收回時(shí)刻的壓力；V0與Vt分別為蓄能器的充氣體積和動(dòng)臂液壓缸完全收回時(shí)刻的氣體體積；Vc為動(dòng)臂液壓缸無桿腔最大容積，為5.6 L；由于蓄能器工作循環(huán)小于3 min，因此視為絕熱過程，多變指數(shù)n取1.4[4]。

蓄能器在接入后，只有蓄能器壓力始終小于液壓缸無桿腔壓力時(shí)，才能使動(dòng)臂液壓缸完全收回。在動(dòng)臂下降過程中，油液經(jīng)過比例換向閥時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的壓降，這里假設(shè)為pd=0.5 MPa，那么需要滿足如下關(guān)系式：

pt

(3)

式中，pc據(jù)圖4取6 MPa。由式(1)～(3)可得：

整理可得：

據(jù)上式可得表1。

表1 蓄能器初選參數(shù)

蓄能器的容積規(guī)格有16 L、25 L、40 L、63 L，將表1容積取整后，可得表2。

表2 蓄能器選定參數(shù)

4 仿真研究

根據(jù)上述原理，建立使用動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)的工作裝置多體動(dòng)力學(xué)仿真模型。并進(jìn)行勢(shì)能回收的仿真分析。

4.1 系統(tǒng)能量回收及操縱性分析

圖5 系統(tǒng)回收的能量

圖6 動(dòng)臂液壓缸活塞桿位移-時(shí)間曲線

由仿真結(jié)果可知：蓄能器回收的能量為22.3 kJ，回收率為69.7%，該系統(tǒng)可以將動(dòng)臂下降時(shí)的勢(shì)能轉(zhuǎn)化并儲(chǔ)存在蓄能器中，實(shí)現(xiàn)較好的能量回收效果。在動(dòng)臂下降過程中，動(dòng)臂液壓缸活塞桿速度基本穩(wěn)定，使用蓄能器作為儲(chǔ)能元件的動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)具有較好的操縱性。

4.2 蓄能器參數(shù)的影響

本節(jié)將分別考察蓄能器預(yù)充壓力和體積參數(shù)對(duì)能量回收率的影響。

1) 蓄能器預(yù)充壓力的影響

設(shè)定相同的下降速度和蓄能器體積，考察蓄能器預(yù)充壓力對(duì)能量回收率的影響。蓄能器體積為40 L，下降時(shí)間為4 s，預(yù)充壓力分別為3 MPa、3.5 MPa、4 MPa時(shí)的能量回收率如圖7所示。

圖7 能量回收率與蓄能器預(yù)充壓力的關(guān)系

由圖7可以看出，在下降速度和蓄能器體積相同時(shí)，蓄能器預(yù)充壓力越高，系統(tǒng)能量回收率越高。這是因?yàn)楫?dāng)蓄能器壓力較高時(shí)，達(dá)到同樣的下降速度，比例閥需要較大的開度，這就使得在比例閥上的能量損失較低，從而獲得較高的能量回收率。

2) 蓄能器體積的影響

設(shè)定相同的下降速度和預(yù)充壓力，考察蓄能器體積對(duì)能量回收率的影響。下降時(shí)間為4 s，蓄能器預(yù)充壓力為3.5 MPa，體積分別為25 L、40 L、63 L時(shí)的能量回收率如圖8所示。

圖8 能量回收率與蓄能器體積的關(guān)系

由圖8可以看出，在下降時(shí)間及蓄能器預(yù)充壓力相同時(shí)，蓄能器體積越小，系統(tǒng)的能量回收率越高，這是因?yàn)樵谕瑯宇A(yù)充壓力的前提下，蓄能器體積越小，充入同體積油液后，蓄能器內(nèi)壓力越高，使得小體積蓄能器在動(dòng)臂下降過程中平均壓力較高，從而得到較高的能量回收率。

4.3 不同下降速度時(shí)能量的回收率

使用同一蓄能器，通過設(shè)定不同的動(dòng)臂下降速度來考察在不同下降速度下系統(tǒng)能量的回收率。仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同下降速度下的能量回收率

由仿真結(jié)果可以看出使用同一蓄能器，不同的下降速度對(duì)能量回收率幾乎沒有影響。在使用同一蓄能器時(shí)，較大的下降速度對(duì)應(yīng)較大的流量，流量越大，在閥口的功率損失越大，但時(shí)間較短；下降速度小時(shí)，流量越小，在閥口的功率損失越小，但時(shí)間較長(zhǎng)。閥口處能量損失的總量幾乎不變，繼而蓄能器回收的能量基本一致，因此系統(tǒng)的能量回收率基本保持不變。

5 結(jié)論

以Simulation X為平臺(tái)，搭建了液壓挖掘機(jī)工作裝置的多體動(dòng)力學(xué)仿真模型，該仿真模型能夠較準(zhǔn)確地模擬液壓挖掘機(jī)工作裝置的實(shí)際工作情況。使用該模型驗(yàn)證并研究了一種以蓄能器為儲(chǔ)能元件的液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以將動(dòng)臂下降時(shí)的勢(shì)能儲(chǔ)存在蓄能器中，以達(dá)到節(jié)能的目的。以上仿真分析表明，該系統(tǒng)操縱性良好，在動(dòng)臂下降期間，該系統(tǒng)對(duì)動(dòng)臂勢(shì)能的回收率可達(dá)65%左右，在一定范圍內(nèi)提高蓄能器預(yù)充壓力和減小蓄能器體積，有助于進(jìn)一步提高系統(tǒng)的能量回收率。本系統(tǒng)在不同下降速度下，回收效果相同，可以達(dá)到較高的能量回收率，有可觀的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李培，韓雪，吳文海，等.液壓挖掘機(jī)能量回收系統(tǒng)的仿真分析[J].機(jī)床與液壓，2011，39(23)：141-143.

[2] 代鑫，張承寧，梁新成.混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)能量回收系統(tǒng)仿真研究[J].北京工商大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，28(1)：43-47.

[3] 李培.混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)臂能量回收系統(tǒng)研究[D].成都：西南交通大學(xué),2012.

[4] 王益群，高殿榮.液壓工程師技術(shù)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010：626-731.

[5] 王滔.混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)臂能量回收單元及系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江大學(xué),2013.

[6] 林瀟，管成，裴磊，等.混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009,40(4)：96-101.

[7] 陳欠根，李百儒，宋長(zhǎng)春，等.新型液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收再利用系統(tǒng)研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，38(2)：292-298.

[8] 趙丁選，陳明東，戴群亮，等.油液混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2011，41(1):150-153.

[9] 權(quán)龍，高有山，程珩.提高工程機(jī)械能量利用率的技術(shù)現(xiàn)狀及新進(jìn)展[J].液壓與氣動(dòng)，2013，(4)：1-10.

[10] 權(quán)龍.工程機(jī)械多執(zhí)行器電液控制技術(shù)研究現(xiàn)狀及最新進(jìn)展[J].液壓氣動(dòng)與密封，2010，(1)：40-43．