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液压挖掘机动臂与转台联合节能系统设计研究

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  • 发布时间:2014-10-09
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随着社会经济发展的不断进步,液压挖掘机被广泛运用到生产建设领域,但是液压挖掘机技术的完善没有跟上它普及的速度。目前,液压挖掘机存在着耗油高、排放差的问题,在当今能源 日益短缺、生态环境日益恶化的社会,这两大问题亟待解决。目前解决此问题的途径有三种 :-是提高液压元件性能,但是对硬件性能上的改善节能空间有限;二是改进液压系统的效率,把提高液压系统的效率作为主要研究对象;三是改善液压系统的能量利用率,使液压系统能充分利用发动机输出的能量。

周期性做工机械的做工单元必然存在着势能的损失或动能的损失,而液压挖掘机兼有这两类能量损失,它的势能损失主要为动臂下降势能的损失,动能的损失主要为回转平台制动所产生的能量损失。这两种能量损失不仅降低了燃油的经济性而且转化成的热能还会降低液压系统的可靠性和缩短寿命。目前,针对这两种能量损失回收方案的研究比较多,但是对回收能量的去向问题却没有-个系统的解决方案,回收来的能量无法合理地匹配于全局,整体节能效率却未随局部回收效率的增高有-个确定的增高关系。因此研究动臂下降的势能回收和再利用问题对于延长挖掘机的寿命、提高挖掘机整体节能效率和运行可靠性具有重大意义。

针对挖掘机工作中动臂势能损失较大这-特征,本文提出了液压挖掘机动臂与转台联合节能的系统设计方案,并进行了相关的理论分析及研究。

1 动臂.转台能量损失分析传统液压挖掘机动臂在下降过程中,无杆腔液压油经过多路阀口,液压油直接流回油箱,下降的速度靠多路阀阀口大胸制,这样,动臂下降的势能除-部分转换成下降的动能以外,其余部分都不可避免地在阀口转换成热能耗散掉,这样不仅产生了能量损失,而且转换成的热能会增加系统温度,缩短系统的寿命和可收稿 日期 :2012-11·12基金项 目:道路施工技术与装备教育部重点实验室(长安大学)开放基金资助项 目(201203)作者简介:闫磊(1986-),男,陕西西安人,硕士研究生,主要从事液压技术方面的科研工作。

液压挖掘机的回转部分是-个大质量往复做工部件,所以必然会产生能量的损失。液压挖掘机回转系统采用溢流节流调速,在回转过程中的能量损失主要由以下原因造成 :(1)启动过程中回转马达所需流量小于液压泵所提供的流量,从而产生溢流损失;(2)回转制动过程中转台的动能经过液压系统在阀口产生热能损失;(3)反顶车”制动时,液压泵输出的能量全部转化为热能损失。

液压挖掘机单独回转工况时的能量损失示意图如图 1 7t三7图 1 液压挖掘机单独回转工况时的能量损失示意图阴影面积 1为回转部分启动过程中的功率损失,阴影面积2为制动时转台的动能所转化的热能损失。

实际过程中司机为了加快制动速度往往采用反顶车制动,这时就会增加额外的能量损失,液压泵输出的能量完全地转化为热能消耗掉,由此构成了图中的阴影面积 3。

2 动臂-转台联合节能系统针对液压挖掘机所存在的上述能量损失问题,本文提出了-种液压挖掘机动臂-转台联合节能的液压能量回收和再利用系统,其系统原理如图2所示。

该系统的工作原理为:动臂下降过程中,若超级电容电量充足不需充电时,二位三通阀处于上路接通状态,无杆腔液压油直接流回油箱,能量 回收系统不启动;若超级电容电量不足需要充电时,中央控制器接收超级电容的电压信号控制二位二通阀下路接通,无杆腔液压油经液压回收马达带动回收电机给超级电容充电。当回转系统工作时,中央控制器接受超级电容的电压信号,若超级电容电量无法满足电机 自身启动加速,则离合器 15断开、离合器 16和三位四通换向阀2接通,转台进人纯液压驱动工况;若超级电容电量充足,则控制离合器 15、l6闭合,三位四通换向阀2处于侧位,回转溢流阀根据超级电容电压调定所需压力,转台进入液压驱动电机辅助驱动工况。

1.动臂液压缸 2.二位三通电磁阀 3.调速 闵 4.回转液乐马达5.三位四通电磁阀 6.流量传感器 7、13.发动机 8.液压泵9.安全阀 10.回收马达 11.三位四通电磁阀12.比例溢流阀 14.回转电机 15、16.离合器图2 动臂转台联合节能系统原理图3 动臂速度反镭制为了实现动臂下降速度的可控性,进-步防止动臂势能向动能的转化和动臂下降失控所带来的刚性冲击,对动臂下降速度采用了动臂速度反镭制,根据超级电容电压信号 控制回收马达排量D ,以达到对动臂速度的控制。

液压 回收马达 输人 转矩 和输 出转 矩 的平衡方程 :ToTi-Tf (1)Q D to (2)TK1, (3),: (4)dq U (5)to K3U (6)得 :(.,警) 嘶 (7)式中, i为液压马达输入转矩;To为液压马达输出转矩;Tf为系统摩擦转矩;/x为粘性摩擦系数;Q为动臂液压缸回油流量;D 为液压回收马达排量 ;to为液压回收马达的转速;pi为液压回收马达人口压力; 为回收电机转矩系数;,为回收电机输出电流;q为超级电容荷电状态SOC; 为超级电容电容常数C; 为反电势常数;U为超级电容电压;J为回收马达和回收电机转动惯量之和。

得出动臂恒速下降过程中,液压马达排量 D 和超级电容电压 U的静态调定关系为:2013年第5期 液压与气动 85图 3 系统 的仿真模 型㈦ 真分析4 回转部分 的分工况控制回转部分由回转电机和液压马达共同驱动,以超级电容电压信号为控制信号,控制回转电机与液压回转马达之问的转矩分配,以超级电容电量是否能使回转电机 自身达到启动角加速度为分界点,制定出转台在两种工况下的转换的分界电压 。

回转电机启动时的力矩平衡方程:1 bwTf (9)U 式中: 、为电机输出转矩;i为回转系统传动比;J为电机转子转动惯量;o9为转台回转转速;b为粘性摩擦系数;Tf为静摩擦转矩。

表 1 回转机构的主要参数工况 启动角加速度/(rad×s ) 最佳转速/(r×min )满斗 0.54 7.90空斗 0.96 9.53回转电机的起动转矩方程:壶· (10)式中, 为电机的电磁转矩; 为旋转磁场同步转速;, : 为定子和转子绕组电阻; , 为定子漏抗和转子漏抗;c为常数。

由式(9)、(10)和表 1可得出两种工况下的转换5.1 simulationX软件所建立的 系统仿真模型用 simulationX软件所建立的系统仿真模型如图3所示。

表 2 仿真参数设定参数 数值 单位发动机额定功率 108 kW发动机额定转速 2400 I mln回转电机额定功率 44 kW回转电机额定转速 1435 ,m1n超级电容容量 20 F超级电容额定电压 400 V回转转台转动惯量 38000 kg·Ill回转平台摩擦力矩 1286 NM回转减速比 162回转马达排量 67 cc/r液压泵最大排量 120 cc/r回转马达溢流压力 21 MPa活塞无杆腔面积 0.02262 2 m油液体积弹性模量 7.45e8 Pa负载工作部件质量 3922外负载力 3.39e5 N系统最高工作压力 31 MPa液压缸总行程 1187 mm86 液压与气动 2013年第5期5.3 仿真结果及分析仿真结果如图4-9所示。

由图4中可以看出,动臂在 0 s到 3 S为上升阶段,从 3.4 s开始下降,在下降初始时速度有微小波动,随后立即稳定在0.15 m/s左右,到5.8 S时动臂下降结束。通过对回收马达排量的反镭制,避免了动时间/s图4 动臂液压缸活塞速度3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9时间/s图5 超级电容电压30星20R出1O109.8-c 9.6l 3:!8.48.28图7 转台回转加速曲线图8 回转马达入口压力O.78O.76辩 0.7耀 0.680 66O.64图 9 发动机油门开腰曲线臂在下降过程中因失速对系统带来的冲击,同时又解决了传统节流调速产生的能量损失问题。从图5可以看出,经过-个周期的回收,超级电容电压从 0 V上升到260 V,根据超级电容电压计算,-个周期内可回收总能量约为0.019 kwh,采用动臂速度反镭制后,回收效率可达70.3%。

回转部分的动力由液压马达和回转电机共同提供,以保证回转部分最佳转速和角加速度为目的,采用电容电压控制回转比例溢流阀调定压力的控制策略,当电容电压高时,调低回转溢流阀的溢流压力,动力源偏向电机;当电容电压低时,调高回转溢流阀工作压力,动力源偏向液压马达。仿真设定了五种电压情况,分别为 380 V(曲线 5),280 V(曲线 4),180 V(曲线3),80 V(曲线2)和0 V(曲线 1)。并由此得到回转溢流阀调定压力与超级电容电压的调定曲线(如图6所示)。

在液压马达单独驱动工况下,转台在启动时,回转马达转速很低,吸收的流量很少,大部分流量都是通过溢流阀产生溢流,因此,回转马达的冲击很大,从而造成了回转马达人口处的压力波动,波动幅值为 3.86MPa(如图8曲线 1所示),不但对液压元件造成很大的冲击 ,而

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