液压挖掘机动臂节能系统分析

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Analysis about Boom Energy Saving System of Hydraulic ExcavatorWU Wenhai，KE Jian，LI Pei，LIU Huanlong，YU Lanying(Colege of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)Abstract：Aiming at the situation of a lot of potential energy changing into heat during the hydraulic excavator's boom goingdown，the common boom hydraulic loop，boom flow-regeneration loop and boom potential energy recovery system were compared andanalyzed. According to the energy changing in the process of boom going down，the flow-regeneration loop with energy recovery systemwas designed with improvement.By the study object of 23 ton hydraulic excavator，the power distribution and energy loss of the fourloops were calculated analyticaly. The simulation model by AMEsim software was established，the running parameters and energy lossof the four loops were compared，and key parameters about the flow-regeneration loop with energy recovery device were analyzed. Sim-ulation resuhs show that the flow-regeneration loop with energy recovery device can greatly reduce the energy loss on the throtle valveby choosing suitable parameters，and has high energy using efficiency。

Keywords：Hydraulic excavator；Boom；Energy saving system；Flow regeneration；Potential energy recovery液压挖掘机是工程机械主要机种，广泛地应用于各个领域，能量消耗大，由于全球能源危机及环保要求的提高，液压挖掘机的节能研究已成为-个非常迫切的课题。

挖掘机工作时，动臂进行着频繁的升降运动，其中下降过程中大部分势能以热能的形式消耗在多路阀口，不仅浪费能量，而且易引起液压系统的温升，降低易损件的寿命，动臂下降过程中可回收能量约占系统可回收能量 的70%左右，故对其节能研究是挖掘机节能研究的-个重要突破口 。

目前国内外对挖掘机动臂的节能技术做了大量研究，取得了-些成果，总的来说可以归结为流量再生和势能回收两种方案。当前多数液压挖掘机上动臂采用了流量再生回路，以提高工作装置的作业速度，改善复合操纵性能，降低了液压系统的能耗，但是这种回路在节流阀口损耗能量大，能量利用率低 。随着混合动力挖掘机的发展，动臂的势能回收技术逐渐成熟 ，势能回收已经成为挖掘机节能发展的-个重要方向。

根据动臂下降过程中能量变化，设计了-种带势能回收的动臂流量再生系统，并进行建模仿真，与普通动臂的液压回路、动臂流量再生回路和动臂势能回收系统的相关性能参数进行了对 比分析。

1 能量回收系统的理论分析以23 t液压挖掘机为研究对象 ，从系统的原理和能量损失的角度分析了普通动臂液压回路 、动臂流量再生回路、动臂势能回收回路和带势能回收的流量再生回路。

1.1 普通动臂液压回路1.1.1 原理分析普通动臂的液压回路在动臂下降时，依靠节流阀进行调速，液压泵给液压缸上腔供油，动臂下腔液压油全部流回油箱。其液压回路原理如图1所示。在动臂下降过程中，通过调节节流阀的开口来控制动臂下收稿日期：2011-12-23基金项目：青年教师百人计划资助项 目 (SWJTU09BR107)作者简介：吴文海 (1979-)，男，博士研究生，讲师，研究方向为驱动技术与智能系统。E-mail：wwh###swjtu.ca。

· 46· 机床与液压 第4l卷降的速度，节流阀开口和液压泵排量的控制信号由控制器输入。

1、 动臂液压缸2-控制器3-溢 流 阀24-单 向阀8 5-液压泵6油箱7发动机8-节流阀图 1 普通动臂下降液压原理图1.1.2 能量损失液压缸下降过程中的势能和液压泵供给液压缸上腔的能量，在调速过程中，全部消耗在节流阀口上，消耗在节流阀口的功率为：P 。FhQ P (1)式中：P为消耗在节流阀口的功率；F为液压缸负载力 ；h为动臂下降的高度；Q. 为液压泵提供给液压缸上腔的流量；P 为液压缸上腔油液的压力。

1.2 动臂流量再生回路1.2.1 原理分析动臂流量再生回路在动臂下降时，负载产生的压力将油液从液压缸高压腔输送至低压腔内，使系统所需主泵流量最序为零 。动臂流量再生回路原理如图 2所示。

1、l1-动臂液压缸2-控制器3-溢流阀14-节流阀2l0 5-单向阀16液压泵7-油箱s发动机9单向阀2l0-节流阀1图 2 动臂流量再生回路原理图动臂下降时，从动臂油缸下腔排出的油需经节流孔回油箱，通过提高回油压力，可使得液压油供给动臂缸上腔。这样当发动机在低转速和泵低流量时，可防止动臂因重力作用下迅速下降而使动臂缸上腔产生吸空∩通过节流阀4和节流阀 10的共同作用来控制液压缸下行速度。

1.2.2 能量损失从图 2可知，动臂下降过程 中的势能分为两部分，-部分反馈给液压缸上腔，以保证动臂正常下放，-部分在调速过程中，消耗在节流阀口上，所以液压缸下降过程中浪费在节流阀的功率为：P Q P -(O -Q：)p -Q p (2)从式 (2)中可以看 出，p 和P 的关系可以通过调整节流阀 10和节流阀4的开 口面积来改变，进而调整液压缸下降的速度和功率分配。

1.3 动臂势能回收系统1.3.1 原理分析动臂势能回收系统在动臂下降时，换向阀 12移至左位，此时液压泵供油给液压缸上腔，动臂下腔液压油经过节流阀冲击液压马达，马达带动发电机进行发电。动臂势能回收系统原理如图3所示。

缸图3 动臂势能回收系统原理图在动臂下降时，可通过调节节流阀的开口面积来控制液压马达的入口压力，从而控制发电效率，而动臂的下降速度可以通过节流阀的开口面积和发电机的输入扭矩来总体控制，目前这种回路在混合动力挖掘机中普遍采用 。

1.3.2 能量损失动臂在下降过程中，能量-部分消耗在节流阀口，-部分通过液压马达回收。

P Qd(pd-P ) (3)P D j3 (4)式中：P 为消耗在节流阀口的功率 ；P 为液压马达回收的功率。

1.4 带势能回收的流量再生回路1.4.1 原理分析随着挖掘机混合动力技术的发展，势能回收技术已经逐渐成为动臂节能新的研究热点Is-lo 3，作者结合流量再生回路与势能回收回路的技术特点，设计了- 种带势能回收的动臂流量再生回路 ，具体原理如图4所示。

第 1期 吴文海 等：液压挖掘机动臂节能系统分析 ·47·缸 不同方案回路的相关性能参数。

图4 带势能回收的流量再生回路原理图在动臂下降时，下腔高压液压通过节流阀 13冲击液压马达 ，液压马达通过发电机将液压能转化为电能，并存储到蓄电池中，马达排出的液压油部分通过节流阀4流回油箱，部分回到液压缸上腔。这样不仅可以保证液压缸的正常下行，而且能够回收动臂下降过程中多余的势能。

1.4.2 能量损失此回路中，动臂下降的势能分为三部分，-部分消耗在节流阀口；-部分回馈给液压缸上腔 ，保证动臂正常下降；还有-部分通过液压马达回收。消耗在节流阀口的功率和通过液压马达回收的功率分别为：P Q p -(Q。-Q：)p -Q p (5)P D (P -p )卢 (6)式中：P 为液压马达回收的功率。

从式 (5)、(6)中可以看出，P 和 P 的关系可以通过调整节流阀 13、节流阀 4的开口面积和发电机的输入扭矩来改变，为降低在节流阀上损耗的功率，可以保证动臂在正常下降的情况下，使节流阀的开口尽量大，通过调整发电机的输入扭矩来调整液压缸下行的速度和整个 回路的功率分配。

对于4种回路系统来说，其控制技术都很成熟，关键在于选择合适的控制点，在保证挖掘机工作效率的前提下回收更多的能量。

2 仿真模型的建立在对 以上 4种 方案进行 了对 比分析后 ，采用AMESim建立了4种回路的仿真模型。

仿真模型主体由AMESim中的液压元件库和机械元件库中拈构成，而各元件的控制信号部分由信号库中元件组成 J。

根据上述仿真模型的进行仿真计算，可得到4种图5 普通动臂液压回路仿真模型图6 普通流量再生回路仿真模型3 仿真结果分析基于23 t挖掘机的模型，在仿真过程中结构参数设置如下：动臂下降时间为 10 s，液压缸活塞质量为100 kg，负载力 F109.6 kN，泵和马达的机械效率为0.89，容积效率为0.95。普通动臂液压回路，通过控制泵的排量和背压节流阀的开口来控制动臂下降速度；动臂流量再生回路，通过调节两个节流阀来控制动臂下降速度和下降高度；动臂势能回收系统依靠控制节流阀和发电机输入扭矩，控制动臂下降速度；对于带势能回收的流量再生回路，通过节流阀和发电机输入扭矩，来控制动臂下降速度和下降高度。

通过仿真计算，得到了4种系统的相关性能参数。4种回路的动臂下降速度曲线如图9所示。

· 48- 机床与液压 第 41卷图7 动臂势能回收系统仿真模型图8 带势能回收的流量再生回路仿真模型从图9中的速度曲线可以看出：通过合适的参数 能量曲线如图10所示。

设置，4种回路的动臂下降曲线基本-致，说明加入 从图10中的曲线可以看出：在动臂下降过程中，势能回收部分后，没有对动臂下降的性能造成较大的 普通动臂液压回路消耗在节流阀口的能量最多，动臂影响。 流量再生回路其次 动臂势能回收系统在节流阀口消对于回路中的能量消耗，将前面的计算模型加到 耗能量相比前两个回路相对较少，带势能回收的动臂仿真模型上计算可得 ：4种回路中在节流阀上消耗的 流量再生回路在节流阀口消耗能量最少。

第 1期 吴文海 等 ：液压挖掘机动臂节能系统分析 49·0.15O.1O- 0.05县 0.00铡煅- 0.05.O.1O.0.15250200-so糕l00媾牡删g螺垛l瞬H孽篷2 4 6 8 l0时间，s图9 动臂下降速度曲线0 2 4 6 8时 间，s图 10 节流阀消耗的能量曲线液压泵给系统提供的能量如图 11所示。

O-20U 2 4 O lU时间Is图1 1 液压泵提供给系统的能量曲线从图 ll中的曲线可 以看出：动臂势能回收系统需要液压泵提供的能量最多，其次是普通动臂液压回路，动臂流量再生回路和带势能回收的动臂流量再生回路，不需要液压泵提供能量。

节流阀上消耗的能量占总能量 (动臂下降的势能泵提供给系统的能量)的比例曲线如图 12所示 。

从图 l2中曲线可以看出：在动臂下降过程中，普通动臂液压回路全部能量都以热能形式消耗在了阀口，而带势能回收的动臂流量再生回路相比其他 3种回路，只有较少部分消耗在了节流阀口。

1.21.O嚣：丑血 0.8霆o·匿 0.4堪0.2l-普通动臂液压回路2-动臂流量再生回路J J- ， 目b I丌- 刀 矾 4带势能回收的动臂流量再生回路-、.～ ～、-、 、。 、。

3、. / -' ～ - - - - - - - 量和节流阀消耗能量占总能量比例统计见表 1。

表 1 动臂回路能量分配与消耗从以上仿真曲线和表1中的数据可以看出：在动臂下降过程中，普通动臂液压 回路需要液压泵提供-部分能量 ，而且系统全部能量都消耗在节流阀口；动臂流量再生回路中，不需要泵给系统提供能量，动臂下降产生的势能，-部分能量供给了动臂上腔，以保证动臂正常下降，还有较大的部分都消耗在节流阀口上；动臂势能回收系统需要液压泵提供部分能量，但能通过液压马达回收系统中大部分能量；而对于带势能回收的动臂流量再生回路，不仅不需要液压泵输入能量，而且能回收动臂下降时的大部分势能，只有小部分消耗在了节流阀口上，有效提高了能量利用率。

4 结构参数的影响对带势能回收的流量再生回路进行参数分析可知，节流阀4的开 口 (通流能力)和发电机的输入扭矩对能量回收的效率影响很大。经过计算在动臂下降的速度基本-致的情况，分别设定几组节流阀4的开口和发电机输入扭矩数据进行仿真。

图13为不同参数下发电机回收的能量占总的势能的比例，随着发电机输入扭矩的增加，发电机回收的能量占总势能的比例在逐渐提升，说明能量回收效率随着发电机的输入扭矩增加而增加。

图 14为 4种情况下浪费在节流阀口的能量 占总势能比例，随着节流阀开口的增加，系统浪费在节流阀口的能量占动臂下降总势能比例逐渐减校加 ∞ 鲫 鲫· 50· 机床与液压 第41卷0.800.700.500.400.300.200.10《 三要三至三 曼 曼三l-节流阀通流能力20 L/min，发电机输入扭矩160 N·m2-节流阀通流能力25 L/min，发电机输入扭矩180 N·m3-节流阀通流能力30 L/rain，发电机输入扭矩190 N·m4-节流阀通流能力35 L/min，发电机输入扭矩196 N·m时间，s图 13 回收能量占总势能的比例l-节流阀通流能力20 L/min，发电机输入扭矩160 N·m2-节流阀通流能力25 L/mia，发电机输入扭矩180N·m3-节流阀通流能力30 L/rain。发电机输入扭矩190 N·m4-节流阀通流能力35 L/min，发电机输入扭矩196 N·m耍 三多 磊銎§兰 ：0.OO-t------T---r---r------广--- --1---1--。10 2 4 6 8 10时间/s图 14 节流阀消耗能量占总势能的比例根据图 l3和 l4，对4组参数下回收的能量和消耗能量占动臂下降过程中总势能的比例进行比较，其数据见表 2。

表 2 在4组参数下能量回收和消耗比例节流阀通流能 发电机输入 总势 消耗能量 回收能量力(L·min-1)扭矩/(N·m) 能/J 的比例/% 的比例/%从以上数据可以看出，随着节流阀的开口的增大和发电机输入扭矩的增加，系统能量回收的效率在不断提高，浪费的能量逐渐减少。但是具体的节流阀的开口和电机的输入扭矩需要根据实际工况中液压缸下降时上腔所需压力来决定，根据实际情况选定合理的节流阀开口和发电机输入扭矩，才能使得系统效率最高。

5 结论(1)通过对普通动臂 的回路、动臂流量再生回路和动臂势能回收系统的分析，根据动臂下降过程中能量的变化，设计了带势能回收的流量再生回路。

(2)对 4种 回路进行仿真分析 ，在保证动臂下降的速度基本-致的情况下 ，与没能量回收 回路相比，动臂势能回收系统和带势能回收的流量再生回路都能减少阀口的能量损耗，多余能量经过液压马达回收系统回收，提高能量利用率。

(3)进行综合比较后 ，可知带势能回收的动臂能量再生系统通过合理的能量分配，消耗在节流阀口的能量最低 ，能量利用率最高。

(4)对带势能回收的流量再生回路进行参数分析，随着节流阀的开口的增大和发电机输入扭矩的增加，系统能量回收的效率在不断提高，达到了节能的目的。