吳 辰，李 嵐，李林升

（南華大學(xué) 機械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

0 引言

液壓挖掘機作為一種重要的通用型工程機械被廣泛應(yīng)用于建設(shè)施工中，然而挖掘機同時也存在著高能耗和能量利用率低的缺點。隨著能源危機的加劇，節(jié)能研究成為當(dāng)前工程機械發(fā)展最迫切的需求。據(jù)統(tǒng)計，挖掘機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)時間約占整個工作循環(huán)的50%～70%，能量消耗約占25%～40%，液壓油路的發(fā)熱量約占整個液壓系統(tǒng)總發(fā)熱量的30%～40%。因此，挖掘機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的能量回收對降低挖掘機能耗有著重要的意義。

飛輪儲能、電儲能及液壓儲能是目前主要的能量再生系統(tǒng)儲能方案。液壓混合動力技術(shù)利用了液壓蓄能器功率密度大和雙向馬達工況互逆的優(yōu)點，是儲能方式的首選［1］。皮囊式蓄能器具有皮囊慣性小、反應(yīng)靈敏、結(jié)構(gòu)尺寸小等特點，目前應(yīng)用最為廣泛。本文在建立能量回收過程中蓄能器工作壓力和皮囊體積動態(tài)方程的基礎(chǔ)上，以某型號挖掘機為研究實例，利用MATLAB軟件進行計算，從而確定蓄能器的型號［2］。

1 回轉(zhuǎn)裝置制動時能量存儲過程的分析

挖掘機回轉(zhuǎn)裝置能量再生系統(tǒng)液壓回路簡圖如圖1所示?；剞D(zhuǎn)機構(gòu)制動時，制動能量通過回轉(zhuǎn)軸帶動液壓泵工作，將低壓油轉(zhuǎn)換成高壓油儲存在液壓蓄能器中，實現(xiàn)能量的回收?；剞D(zhuǎn)起始時，蓄能器釋放出高壓油驅(qū)動馬達轉(zhuǎn)動。

挖掘機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)能量回收時的能量平衡方程為：

其中：A 為挖掘機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)回收能量，J；J 為挖掘機上部工作裝置轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；ω0為挖掘機上部工作裝置制動開始時的角速度，rad／s；ω 為挖掘機上部工作裝置制動開始后t 時刻的角速度，rad／s；E1為回收的能量，J；E2為挖掘機回轉(zhuǎn)摩擦所消耗的能量，J；E3為挖掘機回轉(zhuǎn)裝置風(fēng)阻所消耗的能量，J；E4為挖掘機坡度阻力所消耗的能量，J。

圖1 回轉(zhuǎn)裝置能量再生系統(tǒng)液壓回路簡圖

制動過程中液壓系統(tǒng)最高壓力如果大于蓄能器最高工作壓力，制動器則會啟動與能量回收系統(tǒng)聯(lián)合制動，勢必會造成一部分制動能量轉(zhuǎn)化成熱能損耗掉［3］，因此蓄能器的最高工作壓力應(yīng)與相應(yīng)工況下液壓系統(tǒng)的最高壓力匹配，假設(shè)工況為平坦路面及無風(fēng)阻。

制動過程中機械能通過回轉(zhuǎn)裝置、主減速器傳遞給液壓泵，再由液壓泵以液壓能的形式存儲在液壓蓄能器中，因此回收的能量可用驅(qū)動液壓泵工作的能量來表示：

其中：T 為驅(qū)動液壓泵所需的扭矩，N·m；i為減速器傳動比，取為18.8；ηT 為系統(tǒng)的傳遞效率，取為0.85；ε為制動角減速度，rad／s2；φ 為回轉(zhuǎn)裝置制動過程轉(zhuǎn)過的角度，rad。

回轉(zhuǎn)裝置克服摩擦所消耗的能量E2為：

將式（2）和式（3）代入式（1）中，得到：

制動時，蓄能器容積的變化為：

其中：n為制動過程液壓泵軸的轉(zhuǎn)速，r／s；q 為液壓泵的排量，q＝2πT／p，L／r，p 為液壓泵出口壓力。

氣體狀態(tài)方程為：

其中：p0為蓄能器初始壓力；V0為蓄能器初始容積；k為狀態(tài)變化過程指數(shù)，儲能狀態(tài)可認(rèn)為氣體在絕熱條件下工作，k＝1.4［4］。

儲能過程中液壓蓄能器氣囊體積V 為：

其中：ΔV 為蓄能器的容積變化。

聯(lián)立式（4）、式（5）、式（6），可得：

2 利用MATLAB 對液壓蓄能器的容積及壓力變化進行計算

用傳統(tǒng)的解方程方法解公式（7）比較困難，用MATLAB可直接進行計算并作圖。

這里以CLG200－3 液壓挖掘機為例，J ＝18 548.9kg·m2，ω0＝1.3rad／s，ε＝0.62rad／s2。根據(jù)經(jīng)驗公式，μα＝0.015，∑NGM＝344 943.4kN，D0＝0.625m，∑NH＝0［5］。蓄能器對應(yīng)于初始容積時的壓力p0＝12MPa。由于液壓蓄能器為標(biāo)準(zhǔn)件，這里選取30L、40L、50L 三種容量的蓄能器作為對比。圖2、圖3、圖4分別為30L、40L、50L 液壓蓄能器能量回收過程的仿真圖。

圖2中，回轉(zhuǎn)機構(gòu)制動終了時，液壓蓄能器工作在最高壓力，為39 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液壓蓄能器允許的最高工作壓力32 MPa。雖然此時液壓再生系統(tǒng)會啟動制動器與液壓泵聯(lián)合制動，但制動器把部分能量以熱量形式消耗掉，液壓蓄能器不能吸收全部制動能，再生系統(tǒng)效率較低。

圖3中，液壓蓄能器最高工作壓力為31.9 MPa，最接近液壓蓄能器允許的最高工作壓力，此時制動能會被能量再生系統(tǒng)全部吸收，系統(tǒng)達到的效率最高。

圖2 30L液壓蓄能器能量回收仿真圖

圖3 40L液壓蓄能器能量回收仿真圖

圖4中，液壓蓄能器最高工作壓力為28.8 MPa，低于液壓蓄能器允許的最高工作壓力32 MPa。雖然此時制動能被全部吸收，但是蓄能器未發(fā)揮其最大效率，造成設(shè)備的浪費。

圖4 50L液壓蓄能器能量回收仿真圖

綜上所述，40L液壓蓄能器的容積及最高工作壓力最符合該能量再生系統(tǒng)對能量回收的要求。

3 結(jié)論

將液壓蓄能器加入到挖掘機回轉(zhuǎn)裝置，使其成為一個能量再生系統(tǒng)；建立挖掘機回轉(zhuǎn)裝置制動時的能量平衡方程，再利用MATLAB 仿真軟件對液壓蓄能器的容積及工作壓力進行仿真計算。通過比較不同容積液壓蓄能器的最高工作壓力，最后選擇液壓蓄能器的容積為40L。該研究對挖掘機實現(xiàn)液壓混合動力及參數(shù)匹配有一定的意義。

［1］ 何仁，王憲英，王若平.混合動力傳動系統(tǒng)匹配評價指標(biāo)的探討［J］.汽車技術(shù)，2005，36（1）：22－24.

［2］ 肖青，王慶豐.液壓挖掘機混合動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配方法［J］.中國公路學(xué)報，2008，21（1）：121－126.

［3］ 張圣麟.公共汽車制動能量再生系統(tǒng)中的皮囊式液壓蓄能器計算與選擇［J］.輕型汽車技術(shù)，2005（s2）：25－27.

［4］ 劉延俊，關(guān)浩，周德繁.液壓與氣壓傳動［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［5］ 同濟大學(xué).單斗液壓挖掘機［M］.第2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1986.