新型液压挖掘机动臂势能回收再利用系统研究

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Research on potential energy recycling system ofa new hydraulic excavator boomCHEN Qian-gen ， ，LI Bai-131 ，SONG Chang-chun ，ZHANG Da-qing(1.State Key Laboratory of High-performance Complex Manufacturing，Central South University，Changsha 410083，China；2.Hunan Sunward Inteligent Machinery Co.，Ltd.，Changsha 410100，China)Abstract：This paper proposed a new potential energy recycling system based on the boom cylinder-accumulator balance to improve energy saving of a hydraulic excavator.The working principle of thesystem with a medium-sized excavator was analyzed and the system simulation model was establishedin AMEsim and Adams environment。Simulation analysis shows that this system can recycle the hy-draulic excavator boom potential energy by 1 8.5% .while the efect of system maneuverability is un-der contro1.Furthermore，the paper analyzes the effects of main parameters on the system energysaving and maneuverability.and the energy-saving rate increases to 27.2% via matching preliminaryparameters.Our work provides a new method to choose optional parameters。

Key words：hydraulic excavator；accumulator；boom potential energy recycling；energy saving；pa-rameter matching液压挖掘机是-种用量大、能耗高、排放差的强周期性作业工程机械，在其工作过程中，动臂需要频收稿日期：2012-08-08；修订 日期：2012-09-28基金项目：国家 863项目(2010AA044401)通讯联系人：陈欠根(1958-)，男，江西新干人，中南大学教授；E-mail：chenqg###sunward.con.en。

第 2期 陈欠根等：新型液压挖掘机动臂势能回收再利用系统研究 293繁的举升和下落，这会释放出大量的势能，其中大部分能量都以热能的形式耗散在控制动臂下降速度的多路阀阀口上，从而造成能量损耗和环境污染 。因此 ，对这部分能量进行回收再利用，可实现挖掘机的节能减排，是提升挖掘机性能和改善环境的有效途径 。

目前，在挖掘机上应用比较多的能量回收元件有蓄电池和蓄能器 J。采用蓄电池作为储能元件的能量回收系统在国内外不少挖掘机上得到了应用，但由于这种系统存在能量转换多、功率密度低、电池寿命短及成本高等问题，制约了其在挖掘机上的进-步发展和应用 。蓄能器具有功率密度大、吸收系统压力脉动、寿命长及成本低等特点，更加适应挖掘机动臂下降时间短、作业条件恶劣的实际工况，使得采用蓄能器作为储能元件的能量回收技术逐渐成为挖掘节能的-个热点 ” 。

本文以某中型液压挖掘机为研究对象，设计了-种基于液压缸-蓄能器平衡的新型动臂势能回收再利用系统，可在操作性影响允许范围内提高系统的能量回收利用率，即节能率。

1 动臂势能回收再利用系统工作原理蓄能器能适应挖掘机动臂频繁举升下落时能量快充快放的需求。通常采用蓄能器作为储能元件的能量回收系统是将回收到的能量释放到液压泵的人 口处进行能量再利用的，而本文设计的能量回收系统是将回收到的能量在需要时直接充入液压缸进行能量再利用的，是-种新颖的能量回收再利用方案。本系统的核心思想是基于液压缸-蓄能器平衡来达到节能的 目阀4的，系统工作原理示意图如图 1所示。 图1 动臂势能回收再利用系统原理示意图当动臂下降时，由液压泵提供压力油经主回路后 Fi 1 The schematic principle of boom分两路，此时换向阀3、4处于左位工作 ，液压油-路直 potential energy recycling system接进入主液压缸 5的有杆腔，另-路经换向阀 3进入辅助液压缸 6、7的有杆腔，主液压缸 5无杆腔的液压油经换向阀4后回油箱，辅助液压缸 6、7无杆腔中的液压油储存到蓄能器中。当动臂上升时，由液压泵提供压力油经主回路进入主液压缸 5的无杆腔，此时换向阀 3、4处于右位工作，蓄能器8储存的压力油直接进人辅助液压缸 6、7的无杆腔，主液压缸 5有杆腔的液压油经换向阀4直接回油箱，辅助液压缸6、7有杆腔的液压油经换向阀3直接回油箱。该系统中的两个辅助液压缸无杆腔与蓄能器直接相连，动臂下降时在负载自重的作用下，两个辅助液压缸活塞下行，将势能转化为液压能储存到蓄能器中；在动臂上升时，蓄能器放液给辅助液压缸 ，辅助液压泵供油，共同作用提升动臂，实现能量的回收再利用，达到挖掘机系统节能的目的。

此液压缸-蓄能器平衡系统的发热主要来 自于蓄能器气体压缩工程中产生的热量，散热主要通过蓄能器和液压缸的表面进行，达到热平衡后系统的温升为 29.8℃，没有超出允许范围，不需设置冷却器 。两辅助液压缸6、7的安装位置与普通液压挖掘机的动臂液压缸安装位置相同，为均衡负载，主液压缸 5与辅助液压缸6、7同轴安装在动臂下中央位置，新增元件蓄能器布置在配重箱内，不影响原机布局，可移植性很强，易于在中型液压挖掘机中推广。

2 系统数学模型2.1 负载模型在动臂举升下放过程中，液压挖掘机工作装置的重心是不断变化的，即动臂液压缸的负载压力也在实时变化，因此需要计算出工作装置作业过程中的变负载。本文采用的计算方法为：首先，在 Pro/E环境中，建立液压挖掘机的整机三维装配模型；然后，把三维模型导人 Adams环境中，对各主要部件施加约束关系如表 1，得到挖掘机动力学仿真模型如图2。

表 1 各主要部件之间的约束副Tab.1 Joint of main motional parts294 广西大学学报：自然科学版 第 38卷Boom踯 图2 负载仿真模型Fig.2 Load simulation model负流量压力JP/MPa2.2 液压泵数学模型本 系 统 试 验 用 挖 掘 机 SWE330LC 采 用K3V140DT.1C7R-9NF9-V型主泵，其为负流量恒功 善率控制方式1 。本文是在泵 H模式 11档的作业工况下进行研究的，图3为该模式下泵的压力流量特性曲线。 《在图3所示的泵压力流量特性曲线中，P -Q 器曲线反应了泵的负流量控制压力与输出流量的关系，H模式恒功率曲线是采用两根不同刚度的弹簧 负载压力 /MPa近似实现的，因此本系统中泵的数学模型可由以下 图3 泵压力流量特性曲线公式表示： Fig.3 PumpPi-Q curver265(L) P ≤1.18(MPa)Q Pi-132.77P 421.67(L) 1.18

2.95(MPa)r-0.51Pd269.10(L) 0

多路阀阀口的流量方程为：Q ：c (PI'-P1)-， (5)P式中：Q 为阀口流量；Cd为阀口流量系数；W 为阀口开口面积梯度；P 、P。分别为阀口进、出El压力。

2.4 液压缸数学模型液压缸力平衡方程为：F(p1A1-P2A2)'7 -m -6贾， (6)第 2期 陈欠根等：新型液压挖掘机动臂势能回收再利用系统研究 295式中：F为液压缸所受的负载；p 和P：分别为动臂缸无杆腔和有杆腔的压力；A 和A 分别为动臂缸无杆腔和有杆腔的活塞作用面积；m为运动部件质量和； 为活塞位移；b为活塞及负载的粘性阻尼。

动臂液压缸负载回馈给液压系统的能量为：E ㈩ 式中：t 和t2分别为动臂下降开始和结束的时间。

2.5 蓄能器数学模型本研究采用液压系统中常用的皮囊式液压蓄能器进行能量回收。皮囊式液压蓄能器的工作过程遵循波义耳定律，其气体状态方程为：PV"P0WoPl VlP2 const， (8)式中：P和 分别为蓄能器在任意状态下压力及气体体积；P。和 分别为蓄能器的充气压力和初始容积；P 和 分别为蓄能器最高工作压力及对应的气体体积；P 和 分别为蓄能器最低工作压力及对应的气体体积； 为由气体工作条件决定的指数，本文中蓄能器是在动臂下降和上升的过程中进行充放液的，可认为气体是在绝热条件下工作的，可取 n：1.4，则式(8)可写为：Po Pl vl-P2 。。。 (9)蓄能器可存储和释放的能量E 为：V v Po，Vlo.4 ] 铂- ]。

3 系统仿真试验及结果分析3.1 系统联合仿真模型根据上述元件的数学模型，在 AMEsim环境中搭建动臂势能回收再利用系统仿真模型。设置好Adams和AMESim联合仿真的软件接口，以AMEsim作为主控软件，可以直接与 Adams实时进行数据交换 ，液压挖掘机动臂势能回收再利用系统机-液联合仿真模型如图4所示。

④◎图4 势能回收再利用系统联合仿真模型Fig.4 Boom potential energy recycling system co-simulation model296 广西大学学报：自然科学版 第 38卷3.2 系统仿真条件本文以液压挖掘机动臂上升下降动作作为输入工况，进行大量的仿真试验，系统主要参数匹配如下：发动机额定转速为2 000 r/min；主泵排量为2×268 cc/rev；主动臂液压缸缸径、活塞杆直径、行程为150 mm X 100 mm X 1530 mm，辅助动臂液压缸缸径、活塞杆直径、行程为150 mm×80 mm×1530 mm；蓄能器初始压力为 12 MPa，通过计算初步选取蓄能器的容积为4×40 L；为研究系统的评价指标，定义动臂下降和上升-次为-个工作循环周期，对改进型 SWE330LC挖掘机动臂上升下降过程参数进行试验测定，确定动臂上升时间为4 S，下降时间为5 S。

3.3 仿真模型的实验验证为证 明仿真模型的正确性 ，对新型能量 回收再利用系统进行试验验证，试验机采用改进型SWE330LC液压挖掘机，在挖掘机斗杆液压缸全缩、铲斗液压缸全伸的情况下进行不带载的举升下降试验，实验测试时泵工况为 H模式 11档，动臂先导手柄全开。分别测试蓄能器出口、动臂主液压缸大腔、动臂辅助液压缸小腔压力，得到实验测试压力曲线如图5，与仿真得到的曲线如图6进行对比，可知两者吻合很好，模型精确可靠，可进行仿真分析。

至嚣墨船 蜮30201O030 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50t/S图5 实验测试压力曲线Fig.5 Pressure curve based Oil testt，S图6 仿真生成压力曲线Fig.6 Pressure curve based on simulation3.4 仿真结果分析3.4.1 系统能量回收再利用分析基于以上选取的仿真参数进行-个周期的仿真，在 AMEsim软件中对仿真结果进行运算，可得到-个周期内改进型液压挖掘机的液压泵输出能量曲线，并与同型普通液压挖掘机的液压泵输出能量曲线进行对比，如图7所示。由图7可知，在 0～5 S的下降时间内，改进型液压挖掘机液压泵输出能量比普通液压挖掘机的多达80 ，分析可知改进型液压挖掘机采用的能量回收再利用系统中动臂辅助液压缸大腔与蓄能器直接相连，蓄能器在回收势能的同时，辅助液压缸的背压增大，而普通液压挖掘机中动臂大腔经主回路接通油箱，这就造成了下降时改进型挖掘机能耗比普通的大；在 5～9 S的上升时间内，蓄能器向辅助液压缸供油，辅助液压泵驱动负载，从而减小液压泵的输出能耗，在 6.5 S处，两液压泵的输出能耗相等，说明此刻新型能量回收再利用系统中蓄能器释放的能量已弥补了动臂下降时因蓄能器而使泵产生的额外能耗，在 6.5～9 s，反映了新系统的净节能。通过计算可得-个工作周期中新型液压挖掘机的泵输出能量比普通液压挖掘机的减少大约 100 kJ，有效地降低了动臂对液压泵供油的需求，提高动臂的能量利用率(即节能率 叼)达 18.5% ，实现了节能的目的。

第 2期 陈欠根等 ：新型液压挖掘机动臂势能回收再利用系统研究 297 咖涩丑出t/S图7 液压泵输出能量对比图Fig.7 Contrast of pump output energy3.4.2 系统操纵性分析图8为普通液压挖掘机与改进型液压挖掘机动臂液压缸活塞位移曲线对比图。从图8中可以看出，两者变化情况在允许的范围内有-定的偏差，这是由于本势能回收再利用系统中蓄能器的加入，会对动臂活塞运动速度产生影响，即采用本势能回收再利用系统会对液压挖掘机的操作性能产生-定的影响，动臂下降速度较普通的慢，而动臂上升速度较普通的快。通过本仿真系统的参数匹配，可以将这种影响降到最低，蓄能器参数是其中的关键因素。

彗藿图 8 动臂液压缸活塞位移对比图Fig.8 Contrast of boom cylinder piston displacement3.4.3 蓄能器参数对系统节能性和操作性的影响仿真模型中可进行设置的蓄能器主要参数有初始容积 、充气压力 P。和最低工作压力 P：。各参数的选取依据为：考虑到系统的节能效果，要使蓄能器最低工作压力P 与动臂下降时的负载背压相近，以减少因两者压差产生的节流损失；蓄能器充气压力P∩按照 0.9P：>P。>0.25P 的经验关系确定其参数的选取范围 7l；蓄能器容积可根据公式Vo ( ) -(击) ]来确定其取值范围。为研究三个主要参数 、Po、P 对系统节能性和操作性的影响，仿真中采取先以其他两个参数作为定量，以-个参数作为变量，分析此参数变化对系统性能的影响，再以同样的方法研究另外两个参数的变化对系统的影响。

表 2为在 P。9 MPa，P 12 MPa的情况下， 分别取 160，200，240，280 L时系统节能率的变化情况。从表2中可以看出，随着蓄能器容积的增大，系统的节能率会提高，但在储能要求能满足的情况下，蓄能器容积的增大对节能率提高的作用甚微，况且在实际工作条件下受安装空间和成本的制约；另外，蓄能器容积变化对系统操作性影响不大，因此在能满足储能要求时认小的蓄能器容积为宜，初选Vo240 L。

表 2 蓄能器容积对系统节能率的影响Tab.2 Accumulator volume impacting on the energy -saving rate of the system298 广西大学学报：自然科学版 第 38卷表3为在 Vo240 L，P ：12 MPa的情况下，P。分别取 8，9，10，11 MPa时系统节能率的变化情况。

从表 3中可以看出，随着蓄能器充气压力的增大，系统的节能率会提高；但会降低动臂的下降速度，影响液压挖掘机的操作性和作业效率，因此参考-个工作循环周期中活塞位移曲线，初选 P。：9 MPa。

表 3 蓄能器充气压力对节能率的影响Tab.3 Accumulator gas precharge pressure impacting on the energy-saving rate of the system表4为在 Vo240 L，P。：9 MPa的情况下，P2分别取 10，11，12，13 MPa时系统节能率的变化情况。

从表4中可以看出，太低或太高的最低工作压力都无助于提高系统的节能率，因此在其他条件确定的情况下，存在最优的最低工作压力使系统的节能率达到最大；随着蓄能器最低工作压力的增大，动臂下降速度会受到影响，因此考虑在将操作性的影响降到最低时，初选 P：12 MPa为最优值。

表 4 蓄能器最低工作压力对节能率的影响Tab.4 Accumulator minimum work pressure impacting on the energy-saving rate of the system从以上的分析可知，在本仿真工况下，综合考虑蓄能器参数对系统节能率及操纵性的影响，初选vo240 L，Po9 MPa，P：12 MPa，可取得较好的效果。对于实际工况下参数的选取，可采用仿真与实验结合的方法来实现。

4 结 语通过仿真试验及结果分析，表明该新型动臂势能回收再利用系统能够在操纵性影响允许范围内，对动臂势能进行有效的回收和再利用，论证了系统方案的正确性和可行性，可在中型液压挖掘机中推广应用 。

动臂势能回收再利用系统中蓄能器的主要参数初始容积、充气压力及最低工作压力对系统的节能性及操纵性具有重要影响，初步进行参数选型使系统节能率有了明显的提升，并对系统参数匹配具有指导意义 。

为提高实际工作中液压挖掘机的节能性及操纵性，可采用仿真试验与现场试验结合的方法对该方案在复杂工况下的应用进行深入的研究。