液壓混合動(dòng)力在挖掘機(jī)上應(yīng)用研究

王素粉

(三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門(mén)峽 472000)

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液壓混合動(dòng)力在挖掘機(jī)上應(yīng)用研究

王素粉

(三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門(mén)峽 472000)

挖掘機(jī)在工作過(guò)程中制動(dòng)頻繁，能量損耗大，為了回收制動(dòng)回轉(zhuǎn)過(guò)程中的的能量，設(shè)計(jì)了液壓混合動(dòng)力挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，利用蓄能器回收制動(dòng)能量。闡述了液壓混合動(dòng)力的工作原理，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究和分析。結(jié)果表明：液壓混合動(dòng)力降低了液壓泵的功率損耗和液壓馬達(dá)的壓力波動(dòng)；在節(jié)能方面，蓄能器的能量回收效率達(dá)到74.75%，達(dá)到了節(jié)能的目的。

[Abstract]It was frequent of excavator braking during operation, the energy loss is big, in order to recover the braking energy from braking process of slewing of excavator, a hybrid hydraulic slewing system was designed, the braking energy was recovered by accumulator. The working principle of the hybrid hydraulic slewing system was explain, and the system was test with excavator. The results show that hydraulic hybrid reduces pump and motor pressure fluctuations; In energy efficiency, the recovery efficiency of accumulator is 74.75%, reached the purpose of energy-saving.

液壓混合動(dòng)力挖掘機(jī)能量回收試驗(yàn)研究

0　引言

液壓混合動(dòng)力是以液壓蓄能器為儲(chǔ)能元件的一種新型混合動(dòng)力技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)液壓泵/馬達(dá)實(shí)現(xiàn)了蓄能與車(chē)輛動(dòng)能之間的轉(zhuǎn)換。相對(duì)于電動(dòng)混合動(dòng)力技術(shù)，液壓傳動(dòng)混合動(dòng)力技術(shù)具有功率密度大，短時(shí)間完成能量釋放和存儲(chǔ)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在負(fù)載變化平凡的復(fù)雜工況更能發(fā)揮其節(jié)能減排的優(yōu)勢(shì)[1]，因此成為國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)企業(yè)競(jìng)相研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。近年來(lái)，液壓混合動(dòng)力在城市公交車(chē)、皮卡、多功能商務(wù)用車(chē)、郵政車(chē)、城市垃圾車(chē)等車(chē)型了做了應(yīng)用研究，結(jié)果表明該技術(shù)提高燃油經(jīng)濟(jì)性28%～60%【2-3】；由于工況的不同，液壓混合動(dòng)力在工程機(jī)械等車(chē)型應(yīng)用研究較少。油電混合動(dòng)力技術(shù)在液壓挖掘機(jī)的應(yīng)用國(guó)內(nèi)外研究較多。本文詳細(xì)分析液壓混合動(dòng)力的特點(diǎn)及在液壓挖掘機(jī)上應(yīng)用的選型研究、試驗(yàn)研究，為挖掘機(jī)行業(yè)的節(jié)能技術(shù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1　液壓混合動(dòng)力的原理及特點(diǎn)

液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)的輔助動(dòng)力裝置由能量轉(zhuǎn)換元件(液壓泵/馬達(dá))和儲(chǔ)能元件(液壓儲(chǔ)能器)組成。在制動(dòng)時(shí)，二次元件泵/馬達(dá)將以泵的形式工作，車(chē)輛行駛的動(dòng)能帶動(dòng)泵旋轉(zhuǎn)，將液壓油壓入蓄能器中，實(shí)現(xiàn)動(dòng)能到液壓能的轉(zhuǎn)化；車(chē)輛啟動(dòng)或加速時(shí)，二次元件泵/馬達(dá)將以馬達(dá)的行駛工作，蓄能器釋放高壓油以驅(qū)動(dòng)馬達(dá)工作，實(shí)現(xiàn)液壓能到車(chē)輛動(dòng)能的轉(zhuǎn)化[5-7]。按照動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式不同，液壓混合動(dòng)力基本上三種動(dòng)力傳動(dòng)方式，即串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)。

1.1串聯(lián)

串聯(lián)式液壓混合動(dòng)力車(chē)的傳動(dòng)系中有兩種或兩種以上的動(dòng)力源可同時(shí)或單獨(dú)提供動(dòng)力，但僅有1種執(zhí)行元件驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作，串聯(lián)液壓混合動(dòng)力的傳動(dòng)系主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、主減速、液壓蓄能器和兩個(gè)液壓泵、馬達(dá)組成。發(fā)動(dòng)機(jī)和高壓液壓蓄能器為兩個(gè)動(dòng)力源，兩個(gè)液壓泵/馬達(dá)具有雙向并具有可逆性，與主減速器鏈接的液壓泵/馬達(dá)主要作為驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的執(zhí)行元件使用，與發(fā)動(dòng)機(jī)連接的液壓泵/馬達(dá)主要作為動(dòng)力元件使用【4】。原理如圖1所示。

圖1　串聯(lián)混合動(dòng)力挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1　structure of series hybrid excavator

1.2并聯(lián)

并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力的動(dòng)力傳動(dòng)系中有兩種或兩種以上的動(dòng)力源可同時(shí)或單獨(dú)提供動(dòng)力，有兩個(gè)或兩個(gè)以上相應(yīng)的執(zhí)行元件可同時(shí)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，該動(dòng)力傳動(dòng)系主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、主減速、液壓蓄能器和液壓泵/馬達(dá)組成。并聯(lián)形式通常保留傳統(tǒng)車(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)鏈，只是在原傳動(dòng)鏈上增加了有液壓泵/馬達(dá)和液壓蓄能器組成的能量再生系統(tǒng)，從而形成雙動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。原理如圖2所示。

圖2　并聯(lián)混合動(dòng)力挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.2　structure of parallel hybrid excavator

2　混合動(dòng)力挖掘機(jī)的原理和特點(diǎn)

2.1方案的選擇

在3種驅(qū)動(dòng)方式中，并聯(lián)車(chē)型技術(shù)難度低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低廉。結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究情況(串聯(lián)和混聯(lián)車(chē)型的研究幾乎無(wú)人問(wèn)津)，故驅(qū)動(dòng)方式選擇并聯(lián)驅(qū)動(dòng)【5】。并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力一般可以認(rèn)為是普通液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和液壓能量再生系統(tǒng)的并聯(lián)。液壓能量再生系統(tǒng)由一雙向且可逆的液壓泵/馬達(dá)和一個(gè)高壓蓄能器組成，高壓蓄能器存儲(chǔ)和釋放回轉(zhuǎn)剎車(chē)動(dòng)能。并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力由一智能型中央電子控制器，它將負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)和蓄能器之間的動(dòng)力切換、信號(hào)輸出以及回收剎車(chē)能量【6】。液壓混合動(dòng)力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)如圖3所示。

3　試驗(yàn)研究

3.1試驗(yàn)結(jié)果分析

挖掘機(jī)是一種具有多功能的機(jī)械，所進(jìn)行的作業(yè)內(nèi)容包括挖掘、裝載、填埋、挖溝、平整、搬運(yùn)、破碎等。其作業(yè)土質(zhì)變化較大，所以使用的方式和要求也各有不同。根據(jù)作業(yè)的工況和使用的要求對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵井下優(yōu)化設(shè)定，控制發(fā)動(dòng)機(jī)的油門(mén)開(kāi)度以及液壓泵的排量等。一般來(lái)說(shuō)是通過(guò)動(dòng)力模式開(kāi)關(guān)來(lái)選擇動(dòng)力模式，輸入控制器經(jīng)處理后輸出控制電流，不同的模式輸出不同的控制電流值，經(jīng)過(guò)電液比例壓力閥轉(zhuǎn)變成的控制壓力也不同。挖掘機(jī)有四種工作模式：H模式為重載模式，S模式為標(biāo)準(zhǔn)模式，F(xiàn)C模式為輕載模式，D為獨(dú)立行走模式。

下面在H模式下的20噸挖掘機(jī)，按照標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況進(jìn)行試驗(yàn)研究，具體內(nèi)容如下：連續(xù)挖掘5 min左右的連續(xù)挖掘，共計(jì)18個(gè)周期性循環(huán)，各參量周期性變化，通過(guò)分析典型單個(gè)挖掘周期各參量對(duì)應(yīng)關(guān)系即可反應(yīng)整體情況。

從圖4得知在挖掘過(guò)程中雙泵輸出功率始終保持相同，單泵功率約為42 kW，雙泵輸出總功率為84 kW左右。各挖掘周期挖掘功率基本相同，呈現(xiàn)周期性變化。通過(guò)分析單周期各階段功率變化可判斷各階段功率損耗，雙泵功率輸出情況等。選取整個(gè)挖掘周期中第n1周期、第n2周期的功率曲線進(jìn)行分析。

從圖5第n1周期與圖6第n2周期單周期液壓系統(tǒng)輸出功率曲線來(lái)看，挖掘初始階段液壓系統(tǒng)輸出功率在系統(tǒng)總功率附近劇烈變化，滿載動(dòng)臂提升回轉(zhuǎn)90度工況下雙泵輸出功率穩(wěn)定，斗桿、鏟斗卸載工況下系統(tǒng)輸出功率變化劇烈，空斗回程液壓系統(tǒng)輸出功率急劇下降。

3.2系統(tǒng)能量分析

挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)裝置制動(dòng)時(shí)，假設(shè)蓄能器的工作壓力從升到，體積從下降到，蓄能器進(jìn)行制動(dòng)能量的回收，其回收的能量就是外界對(duì)蓄能器內(nèi)氣體所做的功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律有

(式1)

由測(cè)試結(jié)果可知，蓄能器在制動(dòng)過(guò)程中的壓力和體積的變化如下：

p1=24.53MP p2=27.58MP

1-變量液壓泵;2-先導(dǎo)泵;3-電磁比例減壓閥;4、8、9、13-壓力傳感器；6-操作手柄；7、17-溢流閥；10-控制器；11、15、23、24、28、29-單向閥；12、20、21-電磁比例調(diào)速閥；14-多路閥；16-負(fù)流量控制節(jié)流閥；18、19-液壓鎖；25-蓄能器；30-回轉(zhuǎn)馬達(dá)/泵

圖3液壓混合動(dòng)力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理圖

Fig.3hydraulic hybrid rotary system schematic diagram

圖4　連續(xù)挖掘液壓泵功率曲線

V1=8.46L V2=7.62L

將p1p2V1V2代入式(1),得蓄能器回收的能量為E1=18.56 KJ

挖掘機(jī)在制動(dòng)過(guò)程中，由于回轉(zhuǎn)裝置慣性而損失的能量計(jì)算公式為：

(式2)

圖5　n1周期液壓系統(tǒng)輸出功率曲線Fig.5　n1 cycle curve of output power of hydraulic system

式中：J為滿斗回轉(zhuǎn)時(shí)回轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2)；

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知：W2=0 rad/s，W2=1.23 rad/s，代入式(2)，得回轉(zhuǎn)裝置損失的能量為E=

圖6　n2周期液壓系統(tǒng)輸出功率曲線Fig.6　n2 cycle curve of output power of hydraulic system

24.83 KJ。

4　結(jié)論

制定了了挖掘機(jī)液壓混合動(dòng)力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的方案，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究，闡述了液壓混合動(dòng)力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作原理。通過(guò)試驗(yàn)研究結(jié)果表明：(1)液壓混合動(dòng)力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)在一定程度上降低了液壓泵的功率損耗和液壓馬達(dá)的壓力波動(dòng)。(2)計(jì)算結(jié)果表明：油液混合動(dòng)力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，蓄能器的能量回收效率達(dá)到74.75%，達(dá)到了節(jié)能的目的。(3)通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可得：液壓混合動(dòng)力的能提高燃油經(jīng)濟(jì)26%--35%。

[1]姜繼海,趙春濤，孟兆生.二次調(diào)節(jié)靜液壓傳動(dòng)在城市公交車(chē)輛驅(qū)動(dòng)中的節(jié)能技術(shù)研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2001,12(3).

[2]姜繼海.二次調(diào)節(jié)靜液壓傳動(dòng)閉環(huán)位置系統(tǒng)和PID控制[J].工程機(jī)械，2000(5).

[3]張銀彩，苑士華，胡紀(jì)濱.城市公交車(chē)輛液壓節(jié)能裝置的研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007,38(6).

[4]王冬云,潘雙夏，林瀟，等.基于混合動(dòng)力技術(shù)的液壓挖掘機(jī)節(jié)能方案研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2009(1).

[5]張彥廷,雷西娟，王慶豐，等.混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能效果的評(píng)價(jià)[J].工程機(jī)械，2008(2).

[6]劉昌盛,張大慶，蔣蘋(píng)，等.工程機(jī)械混合動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].專(zhuān)題論述，2009(5).

Applied Research Of Hybrid Hydraulic Excavator

WangSufen

SanmenxiaPolytechnic,SanmenxiaHenan472000,China

hybrid hydraulic systemExcavatorEnergy recovertest research

1006-8244(2016)02-034-04

王素粉(1981-)，河南省周口人，講師，碩士研究生,主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)、及CAD/CAM/CAE技術(shù)研究。