張偉博

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,西安 710300）

基于機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能基本原理的平衡液壓挖掘機(jī)仿真與分析

張偉博

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,西安 710300）

為了解決傳統(tǒng)挖掘機(jī)動(dòng)臂下降的勢能未被利用，易引起液壓系統(tǒng)發(fā)熱，上升時(shí)又需要消耗額外的動(dòng)能問題，本文應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能基本原理，將傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)的固定配重改為滑動(dòng)配重和油缸，使滑動(dòng)配重油缸與動(dòng)臂油缸連接，構(gòu)成平衡液壓挖掘機(jī)，有效地節(jié)約了系統(tǒng)能量，提高了整機(jī)的可靠性和使用壽命。

機(jī)械設(shè)計(jì)；節(jié)能；平衡液壓挖掘機(jī)；AMESim仿真

1 引言

近年來，液壓挖掘機(jī)的應(yīng)用非常普遍，特別是在各種建筑工程和土石方工程施工中起到十分重要的作用，被廣泛用在交通運(yùn)輸、農(nóng)田改造、工業(yè)建設(shè)、礦山開采和民用建筑等諸多領(lǐng)域[1]。在目前節(jié)能減排的國情下，液壓挖掘機(jī)實(shí)現(xiàn)低能耗一直是業(yè)界的追求目標(biāo)，液壓挖掘機(jī)從最初由操作手柄的先導(dǎo)壓力控制液壓泵的排量，發(fā)展為負(fù)流量控制、正流量控制和負(fù)載敏感控制，以及目前基于混合動(dòng)力和二次調(diào)節(jié)技術(shù)的新型液壓挖掘機(jī)，經(jīng)歷了數(shù)次節(jié)能化進(jìn)程。

目前挖掘機(jī)的節(jié)能研究主要是混合動(dòng)力系統(tǒng)、電液比例控制和泵-發(fā)動(dòng)機(jī)功率匹配，對(duì)如何改進(jìn)液壓挖掘機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的研究較少，本文通過對(duì)液壓挖掘機(jī)的功率損失分析，提出能量損失的幾個(gè)方面，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能基本原理改進(jìn)傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，同時(shí)降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，并對(duì)平衡液壓挖掘機(jī)應(yīng)用軟件AMESim仿真。結(jié)果表明平衡液壓挖掘機(jī)具有良好的節(jié)能效果，可有效緩沖液壓沖擊，提高整機(jī)使用壽命。

2 液壓挖掘機(jī)能量損失分析

液壓挖掘機(jī)在一個(gè)工作循環(huán)過程中，從挖掘到卸料，動(dòng)臂上升和下降各一次。挖掘機(jī)動(dòng)臂在工作中頻繁升降，浪費(fèi)了大量的能量，同時(shí)也使油溫上升，導(dǎo)致油液粘度降低，使液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。

為了降低液壓挖掘機(jī)能耗，目前液壓挖掘機(jī)多采用變量系統(tǒng)。一般來說，定量泵的閥控液壓系統(tǒng)效率較低，最高效率僅38.5％[2]。由于工況復(fù)雜和載荷變化較大，引起液壓挖掘機(jī)各種形式的功率損失和勢能損失，主要表現(xiàn)在：節(jié)流損失、溢流損失、沿程損失、機(jī)械損失、動(dòng)能勢能損失和匹配損失[3]，液壓挖掘機(jī)主要能量損失如圖1所示。

圖1 液壓挖掘機(jī)主要能量損失

3 平衡液壓挖掘機(jī)的節(jié)能原理

傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)在工作過程中，動(dòng)臂需要頻繁升降，而動(dòng)臂下降的這部分勢能并沒有被利用和儲(chǔ)存，造成的能量的浪費(fèi)，同時(shí)也使油液溫度上升，造成整機(jī)工作的不穩(wěn)定性，威脅駕駛員和施工人員的安全。平衡液壓挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)基于“機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能基本原理”，充分利用動(dòng)臂下降的勢能，降低了系統(tǒng)的發(fā)熱。

“機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能基本原理”主要闡述：引起有勢力所消耗的功率過高的原因是系統(tǒng)勢能短時(shí)間內(nèi)在較大范圍內(nèi)變化，在制動(dòng)過程中也未將能量進(jìn)行回收或轉(zhuǎn)換，這也是勢能沒有充分利用的主要原因，若要使有勢力消耗功率下降，系統(tǒng)勢能應(yīng)為常量或在最小范圍內(nèi)變化[4]。對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能基本原理分析可知，引起液壓挖掘機(jī)能量損失的原因是：挖掘機(jī)的系統(tǒng)勢能變化較大，即動(dòng)臂下降的系統(tǒng)勢能未被儲(chǔ)存和利用，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱，造成功率損失。

應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能基本原理，將傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)的固定配重設(shè)計(jì)為組合配重（即滑動(dòng)配重和固定配重），并在滑動(dòng)配重下安裝一組液壓缸，通過換向閥使動(dòng)臂油壓缸與滑動(dòng)配重液壓缸連接，構(gòu)成一組平衡系統(tǒng)—平衡液壓挖掘機(jī)。當(dāng)液壓挖掘機(jī)開始挖掘時(shí)，動(dòng)臂下降時(shí)所具有的勢能推動(dòng)滑動(dòng)配重體上升到一定高度，下一個(gè)工作過程中滑動(dòng)配重下降的的勢能又轉(zhuǎn)化為動(dòng)臂上升的動(dòng)能，這樣實(shí)現(xiàn)一個(gè)能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的工作循環(huán)，提高了能量利用率，使挖掘機(jī)系統(tǒng)的勢能變化量為常數(shù)或在最小范圍內(nèi)變化，平衡液壓挖掘機(jī)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 平衡液壓挖掘機(jī)基本結(jié)構(gòu)

4 平衡液壓挖掘機(jī)的節(jié)能仿真分析

平衡液壓挖掘機(jī)的主要特點(diǎn)是充分利用動(dòng)臂下降的勢能，并將這部分勢能轉(zhuǎn)化為滑動(dòng)配重體上升的動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。應(yīng)用液壓仿真軟件AMEsim，建立平衡液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂—滑動(dòng)配重平衡液壓系統(tǒng)，設(shè)定各液壓元件的參數(shù)，仿真平衡液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂液壓缸的壓力曲線，圖3所示為傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂油缸壓力曲線，圖4所示為動(dòng)臂—滑動(dòng)配重油缸壓力曲線。

圖3 傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂油缸壓力曲線

圖4 平衡液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂油缸壓力曲線

從圖3可看出，在傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)中，當(dāng)動(dòng)臂下降時(shí)，動(dòng)臂油壓缸的壓力變化較大，這是因?yàn)槭軇?dòng)臂、斗桿和鏟斗的重力影響，當(dāng)油液進(jìn)入動(dòng)臂液壓油缸的有桿腔時(shí)，動(dòng)臂受力較大，有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢，短時(shí)間內(nèi)液壓油缸壓力急劇上升，此時(shí)容易出現(xiàn)吸空的現(xiàn)象。圖4表明，在動(dòng)臂-滑動(dòng)配重平衡系統(tǒng)中，由于滑動(dòng)配重的平衡調(diào)節(jié)作用，液壓挖掘機(jī)的系統(tǒng)壓力變化較小，系統(tǒng)勢能在較小范圍內(nèi)變化，使發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率降低，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的，同時(shí)減少了液壓沖擊，延長了液壓挖掘機(jī)的使用壽命。

對(duì)比圖3和圖4曲線可知，平衡液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂油缸壓力曲線特性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)，平衡液壓挖掘機(jī)的壓力變化小，壓力曲線平穩(wěn)，使系統(tǒng)勢能變化小，可以避免液壓沖擊，有效保護(hù)液壓系統(tǒng)，節(jié)約系統(tǒng)能量。

5 總結(jié)

（1）平衡液壓挖掘機(jī)具有結(jié)構(gòu)獨(dú)特、操作可靠、原理正確、節(jié)能高效等特點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)，只需將傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)的固定配重改為組合配重，并在滑動(dòng)配重下布置一油缸與動(dòng)臂油缸連接，大大節(jié)約能量，提高生產(chǎn)效率，改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目的。

（2）平衡液壓挖掘機(jī)可降低油缸發(fā)熱、減少液壓沖擊、保護(hù)液壓元件，提高系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。

（3）滑動(dòng)配重的結(jié)構(gòu)參數(shù)需要進(jìn)一步優(yōu)化匹配，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的節(jié)能效果。

（4）斗桿和鏟斗下降的勢能同理可應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能基本原理，這也是研究液壓挖掘機(jī)節(jié)能的另一個(gè)方向。

[1]董芃羽.挖掘機(jī)工作裝置的動(dòng)力仿真及有限元分析[D].河北：河北工業(yè)大學(xué)，2011.

[2]趙旭東,韓玉生等.液壓挖掘機(jī)中各種液壓泵源的研究分析[J].液壓氣動(dòng)與密封，1998（02）：5-8.

[3]唐伯堯，李加文，李從心.挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)及功率損失分析[J].機(jī)床與液壓,2004（05）.

[4]車勝創(chuàng).機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能基本原理的分析與應(yīng)用[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011（03）.

張偉博（1985-），男，陜西武功人，助教，碩士研究生。