混合动力挖掘机动臂势能回收系统比较研究

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70 液压与气动 2013年第 lO期DOI：10．11832／j．isn．1000-4858．2013．10．019混合动力挖掘机动臂势能回收系统比较研究秦家升 ，赵继云 ，李 宗 ，一，王振兴Analysis and Comparision for Potential Energy RecoverySystem of Hybrid ExcavatorQIN Jia-sheng 一，ZHAO Ji．yun ，LI Zong 一，WANG Zhen．xing(1．中国矿、l 大学 机电工程学院，江苏 徐州 221008；2．徐州徐工挖掘机械有限公司．江苏 徐州 221004)摘 要：针对挖掘机动臂势能损失，提出了一种辅助动力式油液混合动力挖掘机动臂势能回收系统，通过仿真的方法与直接动力式油液混合动力动臂势能回收系统进行了比较研究。仿真结果表明：直接动力式能量回收 系统，需要对挖掘机原液压系统做较大的改动，实际应用价值和效果不大；辅助动力式 系统 ，释放过程平稳 、独立，因而实用性更好 。

关键词：混合动力挖掘机；动臂；能量回收中图分类号：TH137 文献标志码：B 文章编号：1000-4858(2013)10-0070-04引言现阶段对混合动力挖掘机技术研究较多的是油电混合?及基于二次调节静液传动技术的油液混合动力技术，但油电混合成本高，储能元件功率密度低，而二次调节静液传动技术中应用的二次元件(液压变压器 )等在技术上还不成熟，以功率密度大、成本低的蓄能器作为储能元件的油液混合动力更适应挖掘机的恶劣工况。因此本研究提出一种基于蓄能器．辅助马达的油液混合动力挖掘机动臂势能回收系统，并与其他类型油液混合动力动臂势能回收系统进行了比较。

1 油液混合动力挖掘机动臂势能回收系统从对能量的利用上，动臂势能液压回收系统可以分为直接动力式与辅助动力式。直接动力式为回收的能量经蓄能器储存后，直接释放驱动执行元件工作，如图1 3 J、图2l4 所示仿真模型。本研究提出的辅助动力式如图3所示仿真模型，蓄能器释放的高压油驱动辅助马达，辅助马达与发动机共同带动泵工作，从而减小发动机的功率输出。

图 1所示为蓄能器．平衡缸式直接动力势能回收系统，动臂下降时，平衡缸无杆腔油液进入蓄能器，因蓄能器的背压作用，在后续的动臂上升下降过程中，平衡缸对动臂施加一个辅助举升力，相当于减小了原动臂缸的负载。

1．动臂液j盘缸 2．半衡缸 3．耍全图 1 蓄能器-平衡缸动臂势能回收系统图2所示为阀控式直接动力式动臂势能回收系统，动臂下降时，换向阀 1处于左位，动臂无杆腔油液经换向阀1、节流阀、单向阀进入蓄能器。此后动臂提升时，蓄能器与泵共同提供动力，并通过电磁 比例阀3，控制蓄能器与泵输出流量的混合程度。

图3所示为辅助动力系统势能回收系统，其原理与图2所示系统类似。但蓄能器释放油液是驱动与主泵连接的辅助马达 1，辅助马达 1与发动机共同提供收稿 日期：2013-04-09作者简介：秦家升(1968一)，男，江苏沛县人，高级 [：程师，硕士，主要从事工程机械液压系统研发工作。

2013年第1O期 液压与气动 711．换向阀 1 2．溢流阀 3．比例阀 4．换向阀2图 2 直接动力式动臂势能回收系统1．辅助与达图3 辅助动力式动臂势能回收系统动力，驱动泵运行。

2 仿真比较在原理上，辅以相应的控制策略，三种方案都是可行的，具体效果如何，本研究采用仿真的方法进行比较研究。以 20 t负流量控制挖掘机 为研究对象，在AMESim软件中建立挖掘机动臂回路液压系统，如图41．联合仿真接口模块 2．动臂液压缸 3．动臂保持阀 4．控制模块5．控制阀组 6．合流阀 7．负流量控制反馈信号 8．中位切断阀图4 挖掘机动臂回路仿真模型所示，在 ADAMS软件中建立多体动力学系统，进行联合仿真。动臂上升下降过程中油缸的进出油口压力曲线与位移曲线的仿真值与实测值的比较如图5所示，其中仿真曲线压力波动衰减较慢，是因为没有考虑系统的缓冲作用，但动臂运动阶段仿真值与实测值接近，且趋势相同。将图1一图3回收方案的仿真模型分别加人原系统的仿真模型中，模拟能量回收系统的性能。

仿真中，参考挖掘机的有关参数及文献[3]、[4]，选择蓄能器容积为 40 L，并辅以一定的控制策略，仿真得出运行参数。

360葛270器O280210140O1500l ；器600300． 1 1_] 『＼h 一.

3．／ ＼＼10 15 2O 25f，s1．油缸有杆腔压力仿真值2．油缸无杆腔压力仿真值 3．油缸位移实测曲线a1． r、1／／ — 、＼_ — — ／ 、、 ，． ．一 2 3 5 7 9Us1．油缸有杆腔压力实测值2．油缸无杆腔压力实测值 3．油缸位移曲线b)图 5 动臂 油缸仿真值 与实测值 比较蓄能器．平衡缸式直接动力势能回收系统，相当于在动臂与车体间加入了一根变刚度的弹簧。动臂油缸运动参数曲线及蓄能器气体体积变化曲线如图 6所示，其中蓄能器充气压力为 100 bar。仿真结果表明，动臂上升时进油 口压力比原系统的低 30～40 bar左右，上升时间比原系统短0．6 s左右，动臂下降时间变化不大，说明动臂的工作效率有所提升。对于动臂单动作，这种效率提升是有益的，但对于动臂提升加回转及动臂提升加斗杆内收等复合动作，由于复合动作时枷姗瑚。。枷 。莩 黜枷矗 ． J8D ，72 液压与气动 2013年第 10期动臂和其他系统有相互影响及协调性要求，所以在加入图 1所示系统后，还需要对整个系统的参数进行重新匹配。平衡缸的选择受结构限制，并不能完全平衡动臂的重力，因此，平衡缸不能对动臂重力势能进行完全的回收。

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一 ＼ ／ 一 ＼ 一 ／ ＼～ 10 12 14 16 18t／s1．油缸有杆 腔压力 曲线 2．油缸无杆腔压力曲线3．油缸位移曲线 4．蓄能器气体体积曲线图6 蓄能器-平衡缸式直接动力势能回收系统仿真曲线阀控式直接动力势能回收系统的动臂动作时油缸运动参数曲线及蓄能器气体体积变化曲线如图 7所示，其中，蓄能器充气压力为 150 bar。结果表明，油缸上升时进口压力比原系统大 10～20 bar，上升时间快30％左右，而下降时间没有明显的变化。说明能量回收系统提高了动臂运行速度。因为采用了蓄能器和泵共同驱动，因此系统缺点是如图7中曲线4在动臂上升时蓄能器不能充分释放，下次动臂下降时，蓄能器也400300耋040030020014001200 童0
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363228u、：L—，、 u ：■＼ ／一 一 3。 ：9 10 l1 12 13 14 15 l6s1．油缸有杆腔压力曲线 2．油缸无杆腔压力曲线3．油缸位移曲线 4．蓄能器气体体积曲线图7 阀控式直接动力势能回收系统仿真曲线不能完全回收动臂油缸的流量，致使能量同收系统的作用不能完全发挥。

对于辅助动力式系统，动臂动作时油缸运动参数曲线及蓄能器气体体积变化曲线如图 8所示，通过多次对比分析，选择蓄能器充气压力为 70 bar。结果表明，系统对动臂上升时油缸各参数没有影响，而在选择合适的蓄能器充气压力后，可以使油缸下降速度与原系统基本相同。如在蓄能器前加装比例减压阀，可以进一步提高动臂下降过程的稳定性。而蓄能器回收的能量用来辅助发动机工作，直接减少发动机的输功率_＼＼_＼＼ 一一一9 10 11 l2 13 14 15 16s1．油缸有杆腔压力曲线 2．油缸无杆腔压力曲线3．油缸位移曲线 4．蓄能器气体体积曲线图8 辅助动力式势能回收系统仿真曲线3 结论图1和图2直接动力式能量回收系统都有节能增效效果，图1系统控制简单，维护性好；图2控制灵活，但对能量的回收利用率不高。共同缺点：一是蓄能器压力过高，动臂下降时提高了油缸有杆腔的压力，即提高了动臂下降时的功率消耗；二是只关注了动臂的性能，忽视了复合动作的协调性，加入这种直接动力式系统后，需要对挖掘机液压系统和动力系统的参数进行重新匹配，涉及到系统和元件，复杂程度相当于对挖掘机动力系统重新设计。而辅助动力式能量回收系统，蓄能器回收的能量用来驱动辅助马达，直接减少发动机的输出功率，不需要对原液压系统做复杂的改造。

缺点是系统流程变长，经过辅助马达后能量利用的效率有所降低。

考虑到复合动作的要求及后续调试改进工作的复杂性，对油液混合动力挖掘机动臂势能回收系统，采用∞∞∞∞0∞∞∞∞0∞∞∞∞∞∞ ∞ 如 4 3 l 4 2 4 2O 86 4 qf 舞pld J枷湖瑚 。枷姗枷 。 瑚 啪 ∞ ， 崔q{ 奄qj ，
2013年第1O期 液压与气动 73DOI：10．11832／j．issn．1000—4858．2013．10．020新型六缸滚珠丝杠往复泵相位误差流量波动分析何 畏 ，周晓敏 ，郭源君 ，汤海平 ，李 波Phase Error Flow Fluctuating Analysis on Modem Six—cylinderBall Screw Reciprocal PumpHE Wei ，ZHOU Xiao．min ，GUO Yuan-jun ，TANG Hai-ping ，LI Bo(1．西南石油大学 机电院，四川 成都 610500；2．湖南科技大学 机电院，湖南 湘潭 411100)摘 要：介绍一种以滚珠丝杠为动力端的六缸往复泵，阐述其机理，并建立其动力学方程，完成了相位误差下流量不均匀度的公式推导和数值计算，再通过 AMESim液压仿真软件对往复泵系统进行仿真，得到几种相位组合误差下流量不均匀度值，最大不超过 3．98％，与数值计算基本吻合，为将来往复泵的设计和研究提供了重要参考。

关键词：滚珠丝杠；往复泵；相位误差；流量不均匀度；AMESim中图分类号-TH137 文献标志码：B 文章编号：1000-4858(2013)10-0073-05引言往复泵在石油钻井、化工领域不可或缺。随着 目前国内外往复泵的动力端已经发展了多种传动结构，如：曲柄连杆机构往复泵 、直线电机往复泵和液压驱动往复泵等，但随着石油钻井对往复泵要求的提高，往复泵也逐渐迈向高压、大流量、流量波动小和安装维修方面发展_1 J。曲柄连杆往复泵是技术成熟、使用普遍的往复泵，常见的曲柄连杆机构往复泵主要是三缸泵居多，尤其是三缸单作用泵 ，但三缸单作用泵也有其无法克服的缺点，在一些对流量脉动敏感的应用领域仍就无法满足要求 J。与曲柄连杆机构往复泵相比，液压往复泵具有长冲程，低冲次，活塞(或柱塞)的运动规律易于控制，无极调速等优点。液压驱动往复泵已经成为国内外往复泵研究和发展的重要方向之一，其中美国和罗威的技术最为先进。主要以美国研制的卧式三缸钻井泵和罗威研制的 MUD MASTER立式多缸液压泵为代表 j。目前 国内的液压驱动往复泵也主要出于研发阶段，只有一些小功率的产品在应用，而在功率和性能要求较高的领域仍处于研究阶段。直线电机驱动技术在数控机床已经得到应用，其进给速度可以达到240—300 in／min以上、加速度达到 8—10 g以上 ～一，相对于普通电机(或者伺服电机)具有一定的优势；但是，直线电机高昂的价格、复杂的控制系统、以及通电时产生的强磁效应对操作员的健康会有严重的影响，使得其在目前应用条件下很难普及。目前直线电机往复泵也只停留在模拟试验和理论研究阶段，距收稿 日期 ：2013-04-08基金项 目：“石油天然气装备”省部共建教育部重点实验室开放基金(2006STS01)作者简介：何畏(196l一)，男，四川成都人，副教授，学士，主要研究方向为石油钻采设备的设计与研究工作。

蓄能器加辅助马达的辅助动力式能量回收系统的实际应用前景更好一些。

参考文献：[1] 张彦廷．基于混合动力与能量回收的液压挖掘机节能研究[D]．杭州：浙江大学，2006.

[2] 杨华勇，欧阳小平，徐兵．液压变压器的发展现状[J]．机械工程学报 ，2003，39(5)：1—5.

[3] 李建启．液压挖掘机动臂 回路的节能探讨 [J]．矿 山机械，1991，(9)：25—27.

[4] 管成 ，林名润，吴超 ，等．油液混合动力挖掘机动臂势能回收系统[J]．计算机集成制造系统，2012，18(3)：583—589.