全液壓動(dòng)臂塔機(jī)變幅機(jī)構(gòu)能量回收再利用研究

費(fèi) 燁，張晶輝，楊 妍

(沈陽(yáng)建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168)

引言

全液壓動(dòng)臂塔機(jī)在變幅過(guò)程中動(dòng)臂下放時(shí)，動(dòng)臂勢(shì)能被其液壓系統(tǒng)中的平衡閥消耗，以熱能形式散發(fā)到系統(tǒng)，使油液升溫，導(dǎo)致能量損耗的同時(shí)還會(huì)對(duì)系統(tǒng)工作性能產(chǎn)生不利影響[1-2]。將這部分能量回收再利用，既可提高塔機(jī)液壓系統(tǒng)效率，又能節(jié)能減排[3]。因此，全液壓動(dòng)臂塔機(jī)變幅系統(tǒng)能量回收再利用研究具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

國(guó)外關(guān)于工程機(jī)械液壓系統(tǒng)能量回收再利用的研究主要集中于液壓系統(tǒng)工作模式匹配的合理性和液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源方面，以動(dòng)力混合方式實(shí)現(xiàn)[4-6]。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究的重點(diǎn)為工作過(guò)程液壓系統(tǒng)能量回收再利用，主要實(shí)現(xiàn)方法有油液混合和油電混合[7-9]，其中油液混合能量回收再利用效率較高，但要借助蓄能器才能實(shí)現(xiàn)，相比油電混合需要較大設(shè)備空間；而油電混合方式增加了能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，較油液混合能量回收再利用效率低，但結(jié)構(gòu)緊湊，適于裝載機(jī)和挖掘機(jī)等空間有限的工程機(jī)械。

全液壓動(dòng)臂塔機(jī)空間較大，可用蓄能器、泵/馬達(dá)二次元件以壓力能方式回收動(dòng)臂勢(shì)能[10]。本研究以國(guó)內(nèi)某型全液壓動(dòng)臂塔機(jī)為研究對(duì)象，考慮動(dòng)臂分布質(zhì)量及動(dòng)臂下降過(guò)程液壓系統(tǒng)為超越變負(fù)載的特點(diǎn)，用AMESim軟件的平面機(jī)械庫(kù)和液壓庫(kù)搭建塔機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的機(jī)液一體化模型，對(duì)動(dòng)臂勢(shì)能回收及再利用進(jìn)行可行性仿真分析。

1 變幅機(jī)構(gòu)能量回收再利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全液壓動(dòng)臂塔機(jī)液壓變幅原理如圖1所示。壓力油進(jìn)入馬達(dá)6左或右腔，驅(qū)動(dòng)卷筒和鋼絲繩牽引動(dòng)臂升降實(shí)現(xiàn)變幅。動(dòng)臂下放時(shí)重力勢(shì)能被平衡閥5消耗，轉(zhuǎn)化為熱能。為避免這部分損失，在圖1原理基礎(chǔ)上增添蓄能器，對(duì)動(dòng)臂下放過(guò)程的重力勢(shì)能回收利用，設(shè)計(jì)變幅機(jī)構(gòu)能量回收再利用系統(tǒng)，如圖2所示，其中回收能量的蓄能器采用三級(jí)壓力梯級(jí)配置。

1.液壓泵 2.溢流閥 3.手動(dòng)閥 4.單向節(jié)流閥5.平衡閥 6.馬達(dá) 7.制動(dòng)缸圖1 原變幅液壓系統(tǒng)原理

由圖2可知，將閥3-1，3-4置于右位，泵1油液經(jīng)閥3-1右位、閥4、閥3-4右位進(jìn)入元件8左腔，右腔排出油液經(jīng)閥3-1右位回油箱，元件8為馬達(dá)工況，動(dòng)臂抬升；將閥3-1置于中位，泵1卸荷，動(dòng)臂下放，并通過(guò)鋼絲繩帶動(dòng)卷筒形成轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)元件8轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)元件8為泵工況，在該過(guò)程中，將閥3-4切換至左位，壓力油經(jīng)閥3-4左位、閥3-2右位進(jìn)入低壓蓄能器6-1，當(dāng)蓄能器6-1進(jìn)油口達(dá)到一定壓力時(shí)，閥3-2切換左位，壓力油經(jīng)閥3-2左位、3-3右位進(jìn)入中壓蓄能器6-2，當(dāng)蓄能器6-2達(dá)到一定壓力時(shí)，壓力油經(jīng)閥3-3左位進(jìn)入高壓蓄能器6-3，動(dòng)臂下放勢(shì)能得以回收。

1.變幅泵 2.溢流閥 3.換向閥 4.平衡閥 5.壓力繼電器6-1～6-3.低、中、高壓蓄能器 7.補(bǔ)油閥 8.泵/馬達(dá)9.散熱馬達(dá) 10.散熱泵 11.回轉(zhuǎn)馬達(dá) 12.回轉(zhuǎn)泵圖2 變幅機(jī)構(gòu)能量回收再利用系統(tǒng)原理

低壓蓄能器回收能量后可經(jīng)閥3-5下位與散熱泵合流，為散熱馬達(dá)供油，加速散熱；當(dāng)?shù)蛪盒钅芷麽尫磐昴芰亢螅ㄟ^(guò)壓力繼電器5-1使閥3-5切換回上位，散熱泵繼續(xù)為散熱馬達(dá)供油；高壓蓄能器回收能量后，可在需要時(shí)切換閥3-10到下位、閥3-11到左位，高壓蓄能器放油，為回轉(zhuǎn)馬達(dá)提供大轉(zhuǎn)矩，克服回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)時(shí)較大的靜摩擦阻力矩，此時(shí)回轉(zhuǎn)泵12卸荷；當(dāng)高壓蓄能器壓力降低到設(shè)定值時(shí)，壓力繼電器5-3發(fā)出電信號(hào)使閥3-10切換到上位，閥3-7和3-8切換到下位，中壓蓄能器接入回轉(zhuǎn)回路繼續(xù)為回轉(zhuǎn)馬達(dá)供油；當(dāng)中壓蓄能器壓力降至設(shè)定值時(shí)，壓力繼電器5-2切換閥3-8到上位、閥3-11到右位，中壓蓄能器和散熱泵合流，為散熱馬達(dá)供油加快散熱，同時(shí)回轉(zhuǎn)泵繼續(xù)為回轉(zhuǎn)馬達(dá)供油，直到回轉(zhuǎn)結(jié)束；當(dāng)中壓蓄能器壓力再次降至設(shè)定值時(shí)，壓力繼電器5-2切換閥3-8到中位、閥3-7到上位。如此實(shí)現(xiàn)回收能量的再利用。

2 變幅機(jī)構(gòu)能量回收再利用系統(tǒng)建模

借助AMESim軟件中的平面機(jī)械庫(kù)搭建動(dòng)臂、塔頭、變幅滑輪組等模型，組合出塔機(jī)變幅機(jī)械模型，然后與液壓庫(kù)中的液壓馬達(dá)、電磁換向閥等模型連接，形成變幅機(jī)構(gòu)能量回收再利用系統(tǒng)機(jī)液一體化模型如圖3所示，相關(guān)參數(shù)如表1。參照蓄能器樣本，按體積將每級(jí)蓄能器分為2個(gè)進(jìn)行仿真。

圖3 動(dòng)臂變幅能量回收再利用系統(tǒng)AMESim模型

表1 動(dòng)臂變幅能量回收再利用系統(tǒng)主要元件參數(shù)

3 變幅機(jī)構(gòu)能量回收再利用系統(tǒng)仿真分析

3.1 仿真模型驗(yàn)證

該塔機(jī)動(dòng)臂仰角范圍是17°～80°，工作時(shí)動(dòng)臂在較大工作幅度抓取負(fù)載后減小工作幅度卸載，然后動(dòng)臂空載下降到下一工作幅度位置再起吊負(fù)載，如此循環(huán)。能量回收是在空載落臂階段，本研究對(duì)空載時(shí)動(dòng)臂仰角從17°到80°，再?gòu)?0°到17°的工況進(jìn)行仿真，其中變幅機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理如圖4所示，傳動(dòng)鏈參數(shù)見(jiàn)表2。

1.泵/馬達(dá) 2.減速機(jī) 3.變幅卷筒圖4 變幅機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理

表2 變幅機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈參數(shù)

運(yùn)行圖3模型，得到動(dòng)臂仰角θ變化曲線和泵/馬達(dá)雙腔壓差Δp曲線如圖5、圖6所示。

圖5 動(dòng)臂仰角變化曲線

根據(jù)樣本，動(dòng)臂空載從17°變幅到80°需時(shí)90 s。由圖5仿真所得時(shí)間為89 s，誤差可忽略。

圖6表明：變幅啟動(dòng)時(shí)動(dòng)臂仰角最小，泵/馬達(dá)負(fù)載最大即轉(zhuǎn)矩最大，且啟動(dòng)階段由于換向閥的突然切換，存在壓力波動(dòng)，約3.4 s后泵/馬達(dá)壓差穩(wěn)定在32.43 MPa，此時(shí)動(dòng)臂仰角18°；隨著動(dòng)臂抬升，泵/馬達(dá)負(fù)載轉(zhuǎn)矩和壓差逐漸減小，變幅到80°時(shí)泵/馬達(dá)負(fù)載轉(zhuǎn)矩最小，壓力很低，但因系統(tǒng)制動(dòng)存在壓力波動(dòng)；95 s動(dòng)臂下落，泵/馬達(dá)在動(dòng)臂重力作用下反轉(zhuǎn)，為泵工況，該過(guò)程泵/馬達(dá)將動(dòng)臂勢(shì)能轉(zhuǎn)換為壓力能輸出至蓄能器，隨著動(dòng)臂下放，泵/馬達(dá)負(fù)載轉(zhuǎn)矩和壓差逐漸增加；在98.1 s時(shí)泵/馬達(dá)雙腔壓差穩(wěn)定在8.09 MPa，此時(shí)動(dòng)臂從仰角80°降至79°。

圖6 泵/馬達(dá)雙腔壓差曲線

對(duì)塔機(jī)空載動(dòng)臂仰角從17°變幅到18°、從80°變幅到79°泵/馬達(dá)壓差穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行受力分析，如圖7所示，l1,l2,l3分別為動(dòng)臂在18°時(shí)動(dòng)臂質(zhì)心、吊鉤質(zhì)心、鋼絲繩拉力豎直分力到鉸點(diǎn)O的水平距離；l4為鋼絲繩拉力水平分力到鉸點(diǎn)O的豎直距離；θ1為鋼絲繩拉力與其豎直分力的夾角；l5,l6,l7分別為動(dòng)臂在 79°時(shí)動(dòng)臂質(zhì)心、吊鉤質(zhì)心、鋼絲繩拉力豎直分力到鉸點(diǎn)O的水平距離；l8為鋼絲繩拉力水平分力到鉸點(diǎn)O的豎直距離；θ2為鋼絲繩拉力與其水平分力的夾角。l1=42.882m,l2=78.665 m,l3=77.294 m,l4=26.086 m,l5=8.513 m,l6=16.311 m,l7=14.656 m,l8=80.251 m,θ1=83°,θ2=71°。

圖7 動(dòng)臂受力分析圖

對(duì)O點(diǎn)取矩并令∑Mo=0，即：

F1sinθ1·l4-F1cosθ1·l3-m1gl1-m2gl2=0

(1)

F2cosθ2·l8-F1sinθ2·l7-m1gl5-m2gl6=0

(2)

可求得動(dòng)臂2個(gè)仰角時(shí)鋼絲繩拉力：F1=969422.02 N，F(xiàn)2=260060.63 N。

18°時(shí)變幅馬達(dá)負(fù)載轉(zhuǎn)矩公式為：

(3)

79°時(shí)變幅馬達(dá)負(fù)載轉(zhuǎn)矩公式為：

(4)

變幅馬達(dá)雙腔壓差公式為：

(5)

式中，n—— 鋼絲繩層數(shù)

q—— 泵/馬達(dá)排量

該塔機(jī)動(dòng)臂仰角18°時(shí)，變幅卷筒纏繞2層鋼絲繩，即n=2；動(dòng)臂仰角79°時(shí)，n=3。

由上述公式可求得動(dòng)臂仰角為18°，79°時(shí)，Δp1=32.69 MPa，Δp2=8.26 MPa，馬達(dá)雙腔壓差計(jì)算與仿真值之差在誤差允許范圍內(nèi)，因此變幅系統(tǒng)仿真模型正確。

3.2 變幅機(jī)構(gòu)能量回收再利用研究

變幅機(jī)構(gòu)中，動(dòng)臂下放勢(shì)能由動(dòng)臂和吊鉤產(chǎn)生，動(dòng)臂和吊鉤重心鉛錘方向位移y變化如圖8所示。

圖8 動(dòng)臂和吊鉤重心鉛錘方向變化曲線

動(dòng)臂和吊鉤重心鉛錘變化量Δy1=31.22 m,Δy2=56.82 m，則損失勢(shì)能：

E=m1gΔy1+m2gΔy2=11612.06 kJ

(6)

動(dòng)臂從80°仰角下放至17°，蓄能器回收能量。為保證能量回收再利用系統(tǒng)工作性能，使低壓蓄能器壓力增至10.1 MPa停止充液，切換中壓蓄能器充液至壓力為20.5 MPa時(shí)停止，再切換至高壓蓄能器充液，直到變幅結(jié)束。蓄能器能量回收結(jié)束后，讓低壓蓄能器驅(qū)動(dòng)散熱馬達(dá)，直到蓄能器壓力降至5.6 MPa，高壓蓄能器給回轉(zhuǎn)馬達(dá)供油提供啟動(dòng)扭矩，直到蓄能器壓力降至21.3 MPa，再由中壓蓄能器繼續(xù)驅(qū)動(dòng)，直到蓄能器壓力降至16 MPa，之后中壓蓄能器再驅(qū)動(dòng)散熱馬達(dá)，直到壓力降至9.5 MPa。

圖9和圖10是蓄能器氣體壓力變化p和氣體體積V變化曲線。蓄能器氣體壓力呈先升高再降低趨勢(shì)。隨著氣體壓力的升高，蓄能器氣體體積減小，氣體被壓縮，液壓油流入蓄能器回收能量；隨著蓄能器氣體壓力的降低，氣體體積增大，被壓縮氣體膨脹復(fù)原，液壓油流出蓄能器釋放能量。

圖9 蓄能器氣體壓力變化曲線

圖10 蓄能器氣體體積變化曲線

蓄能器的儲(chǔ)能公式為：

(7)

式中，p1，p2—— 蓄能器最低、最高工作壓力

V1，V2—— 蓄能器p1，p2所對(duì)應(yīng)的氣體體積

n—— 絕熱指數(shù)，n=1.4

計(jì)算得低壓蓄能器回收能量1309.2 kJ，中壓蓄能器回收2989.2 kJ，高壓蓄能器回收2212.4 kJ。動(dòng)臂勢(shì)能回收率為：

蓄能器釋放能量驅(qū)動(dòng)散熱、回轉(zhuǎn)馬達(dá)做功，馬達(dá)對(duì)外做功即蓄能器被利用的能量。對(duì)馬達(dá)輸入流量和壓力的乘積積分，得到馬達(dá)做功W曲線，如圖11所示。其中散熱馬達(dá)做功2713.7 kJ，回轉(zhuǎn)馬達(dá)做功2206.2 kJ，則系統(tǒng)回收能量的再利用率為：

圖11 馬達(dá)對(duì)外做功曲線

3.3 蓄能器壓力梯級(jí)配置合理性分析

能量回收再利用系統(tǒng)中蓄能器的設(shè)置應(yīng)滿足兩方面的要求：

(1) 蓄能器不失效[11-12]；

(2) 能量回收對(duì)原系統(tǒng)性能影響最小。

考慮蓄能器氣囊安全，蓄能器的預(yù)充氣壓力p0和最高工作壓力p2之間的關(guān)系應(yīng)滿足p2≤4p0，而圖5表明，變幅系統(tǒng)的最低與最高壓力相差約6倍，采用一級(jí)蓄能器回收能量無(wú)法滿足p2≤4p0。圖12和圖13分別為原系統(tǒng)采用二級(jí)、三級(jí)蓄能器時(shí)泵/馬達(dá)轉(zhuǎn)速n曲線和動(dòng)臂仰角變化曲線。

圖12和圖13表明，采用二級(jí)蓄能器回收能量時(shí)，泵/馬達(dá)轉(zhuǎn)速與原系統(tǒng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速趨勢(shì)一致，且最大相對(duì)誤差不足3.6%，但動(dòng)臂從80°下放到26.3°后無(wú)法繼續(xù)向下變幅，這是因?yàn)楸?馬達(dá)提供的壓力在此刻比蓄能器壓力低，無(wú)法為蓄能器充液；采用三級(jí)蓄能器回收能量，既可使能量回收系統(tǒng)的工作性能與原系統(tǒng)相差不大，又可使動(dòng)臂變幅到最低位置，雖然變幅時(shí)間較原系統(tǒng)滯后8 s，但對(duì)于塔式起重機(jī)這種非精密裝備影響不大，可以忽略。

圖12 不同系統(tǒng)泵/馬達(dá)轉(zhuǎn)速曲線

圖13 不同系統(tǒng)動(dòng)臂仰角變化曲線

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某型全液壓動(dòng)臂塔機(jī)改進(jìn)后的節(jié)能變幅液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，可得到如下結(jié)論：

(1) 變幅機(jī)構(gòu)能量回收再利用系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂下降過(guò)程中勢(shì)能的回收再利用；

(2) 因變幅過(guò)程中動(dòng)臂勢(shì)能變化很大，采用多個(gè)蓄能器設(shè)定壓力梯級(jí)配置進(jìn)行能量回收較為合理；

(3) 就該型號(hào)塔機(jī)而言，采用三級(jí)蓄能器設(shè)定壓力按照4.6, 9.5, 19.9 MPa進(jìn)行梯級(jí)配置，動(dòng)臂勢(shì)能回收率達(dá)56.07%，再利用率達(dá)75.56%，同時(shí)對(duì)原系統(tǒng)變幅性能影響可以忽略，變幅機(jī)構(gòu)能量回收再利用方法研究對(duì)其他工程機(jī)械液壓系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)也具有借鑒意義。