大型液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的研究

孟志明，賀元成，鄭庭

(1. 四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川自貢643000;2. 瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川瀘州646000)

自從1978年第二次石油危機(jī)爆發(fā)之后，尤其是這幾年，石油的價格已大幅度上揚(yáng)。同時化石燃料的不斷消耗必然導(dǎo)致油氣價格更高。另外化石燃料的大量應(yīng)用也導(dǎo)致了全球的氣候變暖、環(huán)境惡化。尤其是2003年之后人們的環(huán)保意識越來越強(qiáng)，減少CO2等溫室氣體的排放備受人們的關(guān)注。2012年之后我國的沙塵暴跟霧霾天氣越來越嚴(yán)重，我國政府對環(huán)境的治理越來越重視，同時加大了節(jié)能及提高能效等方面的投入。工程機(jī)械作為一種高能耗的機(jī)械設(shè)備，節(jié)能就顯得尤為重要。目前化石燃料的利用率已經(jīng)成為工程機(jī)械重要評判標(biāo)準(zhǔn)。

1 大型挖掘機(jī)的能耗分析

由于挖掘機(jī)的工作范圍廣，世界上各種土方工程約有65% ～70%的土方量由挖掘機(jī)來完成，這使挖掘機(jī)在各類工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。但由于挖掘機(jī)前端工作裝置質(zhì)量大，在工作時動臂下降不僅造成能量損失，而且損耗的能量會轉(zhuǎn)化成液壓系統(tǒng)中液壓油的內(nèi)能，導(dǎo)致液壓油溫升高，嚴(yán)重影響挖掘機(jī)的工作效率跟使用壽命。挖掘機(jī)的耗油量高、排放尾氣質(zhì)量差，這已經(jīng)引起該行業(yè)的廣泛關(guān)注。

日本神鋼機(jī)械公司對大型液壓挖掘機(jī)的能量利用與做了如下統(tǒng)計(如圖1):大型挖掘機(jī)最終對能量的利用率只有20%。機(jī)構(gòu)系統(tǒng)能耗較小，能量大部分都損失在液壓系統(tǒng)之中，液壓系統(tǒng)的能量利用率只有30%左右，這也是導(dǎo)致挖掘機(jī)效率低下的一個重要原因。因此液壓系統(tǒng)具有較大的節(jié)能空間，同時也是挖掘機(jī)節(jié)能發(fā)展的一個重要方向。

圖1 大型液壓挖掘機(jī)能量利用分布

分析液壓系統(tǒng)常見的能耗現(xiàn)象，主要有以下幾個方面:(1)溢流損失。大型液壓挖掘機(jī)系統(tǒng)中溢流現(xiàn)象一般出現(xiàn)在過載工況下，此時泵的輸出壓力超出安全閥的設(shè)定壓力，液壓系統(tǒng)就會出現(xiàn)溢流現(xiàn)象;(2)沿程損失。沿程損失主要是因?yàn)轲ば阅Σ廉a(chǎn)生的壓力損失，這是不可避免的，但可以通過選擇合適的材料和優(yōu)化管路的設(shè)計來減少沿程壓力損失;(3)匹配損失。由于挖掘機(jī)在工作過程中負(fù)載變化快，尤其是在小負(fù)載高轉(zhuǎn)速的情況下更不容易匹配，只能設(shè)計新型的快速反應(yīng)回路例如負(fù)載敏感系統(tǒng)等; (4)動能和勢能損失。動能和勢能損失主要體現(xiàn)在液壓挖掘機(jī)的動臂和斗桿工作過程中，尤其是大型液壓挖掘機(jī)動臂質(zhì)量較大，其蘊(yùn)含的動能和慣性能大，節(jié)能效果非?？捎^。

2 新節(jié)能方案

近幾年，技術(shù)人員針對液壓系統(tǒng)中存在的溢流損失、匹配損失、沿程損失等設(shè)計了很多新型的控制回路和新式元件，取得了明顯的節(jié)能效果。作者針對動臂勢能設(shè)計了新型的節(jié)能方案。

2.1 系統(tǒng)原理

圖2 為新式節(jié)能方案。該方案的能量回收原理為:當(dāng)動臂下降時液壓缸中無桿腔的液壓油流經(jīng)馬達(dá)2，經(jīng)過液壓變壓器帶動變量泵3，使液壓油經(jīng)過單向閥9 進(jìn)入到蓄能器20 中，儲存動臂下降時的勢能。動臂下降的速度由液壓泵2 的排量決定，控制系統(tǒng)通過信號控制變量馬達(dá)3 的轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制液壓泵2 的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)節(jié)液壓泵2 的排量的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對動臂下架速度的控制。另外無桿腔的液壓油流經(jīng)再生閥26 流回動臂有桿腔，實(shí)現(xiàn)了流量再生，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的目的。

圖2 新節(jié)能方案原理圖

2.2 建模與仿真分析

2.2.1 新系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型分析

文中采用氣體式蓄能器，由波義爾定律得蓄能器總?cè)莘eV 可由公式(1)計算出:

式中:p1、p2、p3分別為蓄能器儲能前的充氣壓力、系統(tǒng)工作最高壓力和蓄能器的最低工作壓力;V1、V2、V3分別為氣室容積、最高工作壓力下的氣體體積和最低工作壓力下的氣體體積;n 為指數(shù)。

當(dāng)蓄能器處于平衡時:

蓄能器連續(xù)性方程:

式中:p末、p初分別為蓄能器蓄能后壓力以及初始狀態(tài)壓力;m 為蓄能器內(nèi)液體當(dāng)量質(zhì)量;A截為蓄能器油液腔截面積;Q 為蓄能器吸油流量。

利用液壓變壓器相連的泵與馬達(dá)力矩方程:

其中:pmj，pmc，pbj，pbc分別為馬達(dá)和泵的進(jìn)出口壓力;J 為馬達(dá)和泵的轉(zhuǎn)動慣量;r 為當(dāng)量轉(zhuǎn)動阻尼;Tf為摩擦力矩。

當(dāng)動臂下降時動臂液壓缸所受的力平衡為:

式中:p無，p有分別為動臂無桿腔和有桿腔油液壓力;A無，A有分別為動臂液壓缸有桿腔跟無桿腔的有效面積;F 為動臂所受到的外負(fù)載;x'，x″分別為動臂下降的速度和加速度;B 為動臂缸活塞的黏性阻尼;Ff為缸活塞所受摩擦力。

2.2.2 與現(xiàn)有系統(tǒng)比較

分別建立現(xiàn)有系統(tǒng)及新系統(tǒng)的AMESim 模型，如圖3—4 所示。

圖3 現(xiàn)有系統(tǒng)

圖4 新系統(tǒng)

圖5 所加負(fù)載

新方案中蓄能器的初始壓力和體積分別設(shè)為80 MPa、10 L?；厥障到y(tǒng)中馬達(dá)和泵的效率定位0.8，容積效率為0.85。仿真時間跟步長分別為10 s 跟0.1 s。仿真過程中兩系統(tǒng)所加負(fù)載相同，如圖5 所示。

通過仿真對比圖6 可看出:兩系統(tǒng)的運(yùn)動性能現(xiàn)差無幾，新系統(tǒng)可滿足液壓缸的運(yùn)動需求。圖7 顯示出同一時刻兩系統(tǒng)的能耗，明顯看出新系統(tǒng)節(jié)能效果優(yōu)于現(xiàn)有系統(tǒng)。動臂在完成一個工作過程中雖然速度控制方面相差無幾，但節(jié)能效果相當(dāng)明顯。而且新系統(tǒng)利用能量回收回路控制動臂的下降速度，避免了節(jié)流閥調(diào)節(jié)動臂下降速度消耗能量導(dǎo)致油溫升高的現(xiàn)象，延長了液壓元件的使用壽命，提高了系統(tǒng)效率。

圖6 液壓缸伸縮速度對比

圖7 兩系統(tǒng)能耗對比

新系統(tǒng)是在現(xiàn)有流量再生回路的基礎(chǔ)上提出的，在原有基礎(chǔ)上增加了能量回收回路。文中對現(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和AMESim 仿真分析，并與原有回路的仿真結(jié)果進(jìn)行了對比，得出新回路比原有系統(tǒng)的能量利用率提高了15%，這反映出新方案具有較好的節(jié)能效果。

3 液壓節(jié)能技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著科技的發(fā)展，越來越多的數(shù)字技術(shù)和軟件技術(shù)整合到液壓節(jié)能技術(shù)中，液壓節(jié)能技術(shù)正在向著智能化、高性能、穩(wěn)定高效的方向發(fā)展，從目前國內(nèi)外液壓節(jié)能技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r來看，主要有以下特點(diǎn):

(1)新動力系統(tǒng)的開發(fā)，近幾年以電力驅(qū)動的混合動力系統(tǒng)在液壓機(jī)械得到廣泛應(yīng)用。

(2)采用高精度新型液壓元件，減少液壓元件中液壓油的泄漏，提高元件的使用壽命。

(3)結(jié)合電控技術(shù)改進(jìn)傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)，以減少節(jié)流損失、溢流損失和沿程壓力損失。

(4)采用更加先進(jìn)的控制方式，提高控制的準(zhǔn)確性。

(5)動力源輸出功率控制更加智能化，采用電子控制系統(tǒng)對動力源的輸出功率與工作狀況進(jìn)行綜合控制，使兩者達(dá)到最佳匹配。

(6)提高液壓油的凈化處理能力，控制液壓油的泄漏。

4 結(jié)論

對液壓系統(tǒng)可能存在的能耗進(jìn)行了分析，針對能耗問題分別從液壓元件和液壓系統(tǒng)介紹了國內(nèi)外先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，并根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)推測了液壓節(jié)能技術(shù)的發(fā)展方向。隨著大量的計算機(jī)元素融入到液壓節(jié)能技術(shù)中，現(xiàn)在液壓節(jié)能技術(shù)已不只是單純地達(dá)到節(jié)能的目的，人們把更多的精力放在提高液壓系統(tǒng)的綜合指標(biāo)上。

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