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        挖掘機液壓系統(tǒng)能量分析

        2015-05-30 10:48:04費樹輝王振興賀艷飛
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年16期
        關(guān)鍵詞:節(jié)能

        費樹輝 王振興 賀艷飛

        摘 要:對挖掘機一個工作循環(huán)中各液壓執(zhí)行元件的能量利用狀況進行了定量計算,結(jié)果顯示執(zhí)行元件利用能量約占主泵輸出能量的80.6%。對可回收能量的分析結(jié)果表明,動臂油缸位移約占總行程的50%時,動臂可回收能量約占主泵輸出能量的17.7%,回轉(zhuǎn)可回收能量約占主泵輸出能量的9.2%。通過以上的分析,提出挖掘機液壓系統(tǒng)的節(jié)能可以從提高液壓系統(tǒng)的效率和對能量進行回收利用兩方面進行。

        關(guān)鍵詞:挖掘機;能量分析;可回收能量;節(jié)能

        前言

        挖掘機產(chǎn)銷量大,具有作業(yè)效率高、工況適應(yīng)性好的特點,但其油耗高,能量利用率低的問題始終沒有得到有效的改善。零部件廠家和主機廠家對挖掘機節(jié)能技術(shù)的研究始終在進行。但是許多的研究只是基于系統(tǒng)原理分析,缺乏具體數(shù)據(jù)的支撐,為便于對挖掘機液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)進行定量研究,對節(jié)能技術(shù)的性價比進行綜合考量,需要對挖掘機液壓系統(tǒng)的能量利用狀況進行分析。

        1 能量利用分析

        挖掘機工作過程中,主要液壓執(zhí)行元件為動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸和回轉(zhuǎn)馬達,對應(yīng)的子系統(tǒng)分別為動臂液壓控制系統(tǒng)、斗桿液壓控制系統(tǒng)、鏟斗液壓控制系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)液壓控制系統(tǒng)。各子系統(tǒng)利用的能量為執(zhí)行元件在做功過程消耗的能量,整個液壓系統(tǒng)利用的能量為泵輸出的能量。忽略執(zhí)行元件本身的效率,對執(zhí)行元件入口壓力與入口流量的乘積進行積分,作為執(zhí)行元件利用的能量;忽略泵本身的效率,對泵出口壓力和流量的乘積進行積分,作為泵輸出至液壓系統(tǒng)的總能量。所用能量計算公式為:

        式中:E-液壓系統(tǒng)能量,J;P-油液壓力,Pa;Q-油液流量,m3/s;t1-開始工作時間,s;t2-結(jié)束工作時間,s。

        表1 挖掘機液壓系統(tǒng)能量利用情況

        據(jù)表1的計算結(jié)果,在一個裝載工作循環(huán)中,執(zhí)行元件利用的總能量為756kJ,執(zhí)行元件利用能量約占主泵輸出能量的80.6%,未利用能量約29.4%。未利用能量主要是溢流損失、節(jié)流損失、泄露等。

        2 可回收能量分析

        因為鏟斗和斗桿均連接于動臂,動臂液壓缸中由勢能轉(zhuǎn)化而來的液壓能也包含部分鏟斗和斗桿的勢能,并且遠遠大于斗桿和鏟斗中的液壓能[1],因此,對挖掘機勢能的回收都是對動臂勢能回收進行研究。在回轉(zhuǎn)動能方面,在一個裝載工作循環(huán)中,回轉(zhuǎn)啟動和制動各一次,而每次回轉(zhuǎn)制動均會產(chǎn)生高壓溢流,這些溢流的能量都轉(zhuǎn)化為了熱能,據(jù)統(tǒng)計,回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量約占液壓系統(tǒng)總發(fā)熱量的30%~40%[2]。實際馬達在卸載后回轉(zhuǎn)啟動時也產(chǎn)生溢流,因此一個工作循環(huán)中,回轉(zhuǎn)馬達溢流三次,因為溢流壓力較高,因此也具有回收利用的價值。

        動臂勢能可回收能量,與計算動臂油缸利用能量的方法相同,可以通過動臂下降時油缸無桿腔的壓力和流量乘積的積分求出,結(jié)果為166kJ,占主泵輸出能量的17.7%?;剞D(zhuǎn)溢流能量可以通過溢流壓力與溢流流量乘積的積分求出,計算三次馬達溢流能量為86kJ,占主泵輸出能量的9.2%。液壓系統(tǒng)可回收能量占主泵輸出能量的26.9%。對于動臂可回收能量,如果挖掘深度加深,動臂油缸位移增大,則可回收能量響應(yīng)增加,本計算中動臂油缸位移約占總行程的50%。

        3 液壓系統(tǒng)節(jié)能措施

        根據(jù)以上分析,挖掘機液壓系統(tǒng)節(jié)能的措施有兩方面,一是提高液壓系統(tǒng)的效率,減少溢流、節(jié)流和泄露損失等;二是對能量進行回收利用。

        提高液壓系統(tǒng)的效率方面,許多挖掘機動臂或斗桿回路采用了再生回路,如川崎公司KMX多路閥的斗桿回路中,有桿腔的液壓油通過一個內(nèi)置的單向閥進入無桿腔,從而實現(xiàn)回油再利用。對于挖掘機正流量控制系統(tǒng),可以采取圖1所示的方法,在回轉(zhuǎn)啟動階段t2時間內(nèi),合理控制主泵流量與回轉(zhuǎn)馬達需求流量相匹配,減少溢流量。

        圖1 回轉(zhuǎn)啟動階段主泵流量和馬達流量

        對能量的回收利用方面,目前廣泛研究的基于能量回收的混合動力系統(tǒng)可以將動臂能量和回轉(zhuǎn)能量進行回收利用。但是目前混合動力系統(tǒng)的成本較高,性價比還有待優(yōu)化。

        4 結(jié)束語

        (1)在一個裝載工作循環(huán)中,液壓系統(tǒng)輸出能量被執(zhí)行元件利用約80.6%,損失19.4%。

        (2)在動臂油缸位移為其行程的50%左右時,挖掘機可回收能量約占液壓系統(tǒng)輸出能量的26.9%。

        (3)挖掘機液壓系統(tǒng)的節(jié)能可以從提高液壓系統(tǒng)的效率和對能量進行回收利用兩方面進行。

        參考文獻

        [1]裴磊.混合動力挖掘機勢能回收系統(tǒng)的研究[D].杭州:浙江大學,2008.

        [2]孔德文,趙克利,徐寧生,等.液壓挖掘機[M].北京:化學工業(yè)出版社,2007.

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