王鑫，賀利樂，姚鑫

（西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安710055）

挖掘機(jī)動(dòng)臂勢能回收系統(tǒng)的分析與研究

王鑫，賀利樂，姚鑫

（西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安710055）

針對(duì)液壓挖掘機(jī)工作裝置在下放過程中存在大量重力勢能轉(zhuǎn)化為熱能的問題，提出了一種以蓄電池為儲(chǔ)能元件的能量回收系統(tǒng)，利用已有的動(dòng)臂勢能回收實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行研究，分析了能量回收系統(tǒng)的構(gòu)成和運(yùn)行機(jī)理，建立了回收系統(tǒng)的SimulationX仿真模型并進(jìn)行仿真計(jì)算，同時(shí)進(jìn)行了典型挖掘循環(huán)工況的能量回收試驗(yàn)。對(duì)照仿真與試驗(yàn)結(jié)果可知，該勢能回收系統(tǒng)方案可行，能夠起到很好的節(jié)能效果。

液壓挖掘機(jī)；能量回收；仿真模型；節(jié)能

隨著資源與環(huán)境問題的日益突出，節(jié)能與環(huán)保成為了提高產(chǎn)品競爭力的重要因素。而液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂下降過程中，大量的能量以熱能的形式消耗在液壓閥上，使得液壓元件和液壓油溫度升高，造成了元件的損傷并縮短了液壓油的使用壽命［1-2］。如果能把這部分能量回收利用，從而改善液壓挖掘機(jī)的耗油與排放特性，將對(duì)研究挖掘機(jī)節(jié)能具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義［3-5］。

目前，混合動(dòng)力技術(shù)已成趨勢，這為動(dòng)臂能量的回收與利用提供了一個(gè)很好的發(fā)展基礎(chǔ)［6］。因此，在現(xiàn)有的混合動(dòng)力技術(shù)基礎(chǔ)上的動(dòng)臂能量回收研究是十分必要的。但如若單純采用仿真計(jì)算來進(jìn)行研究，由于現(xiàn)實(shí)中有很多不可預(yù)料的問題，將會(huì)造成研究過于理性，與現(xiàn)實(shí)偏差過大等問題；若單純采用試驗(yàn)來研究挖掘機(jī)的節(jié)能技術(shù)，將會(huì)出現(xiàn)研究經(jīng)費(fèi)高、周期長等問題。鑒于此，本文將采用仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方式來對(duì)動(dòng)臂勢能回收的效率進(jìn)行研究，為混合動(dòng)力挖掘機(jī)的能量系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1　勢能回收系統(tǒng)的組成及工作原理

實(shí)驗(yàn)室搭建的動(dòng)臂勢能回收系統(tǒng)的原理圖如圖1所示，該系統(tǒng)主要由動(dòng)臂液壓缸、電磁換向閥、液壓回收馬達(dá)、發(fā)電機(jī)和蓄電池等組成，而能量回收的路線則為動(dòng)臂（勢能）→動(dòng)臂液壓缸（液壓能）→液壓馬達(dá)（機(jī)械能）→發(fā)電機(jī)（電能）→蓄電池，能量經(jīng)過多重轉(zhuǎn)換，最終實(shí)現(xiàn)回收并進(jìn)行再利用。

圖1　勢能回收系統(tǒng)原理圖

在動(dòng)臂勢能回收系統(tǒng)中，通過調(diào)控?fù)Q向閥9，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在普通挖掘模式和節(jié)能挖掘模式之間的轉(zhuǎn)換。

當(dāng)兩位三通閥9處于下位時(shí)，系統(tǒng)為無能量回收的普通挖掘機(jī)工作模式。其原理為：當(dāng)動(dòng)臂下降時(shí)，在工作裝置重力的作用下，動(dòng)臂液壓缸1無桿腔中的液壓油通過三位四通換向閥13右位，然后流經(jīng)兩位三通閥9，直接流回油箱。該系統(tǒng)在普通挖掘模式下與普通液壓挖掘機(jī)液壓油回路相近，挖掘機(jī)系統(tǒng)工作特性基本不受影響。

當(dāng)兩位三通閥9處于上位時(shí)，系統(tǒng)為動(dòng)臂能量回收的節(jié)能模式。其原理為：當(dāng)液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂下降時(shí)，將三位四通電磁換向閥13切換到右位，兩位三通閥9切換至上位，動(dòng)臂由于自身的重力下降，液壓缸無桿腔的壓力油經(jīng)過三位四通換向閥13進(jìn)入勢能回收系統(tǒng)。當(dāng)液壓油流經(jīng)該系統(tǒng)時(shí)，油液驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)7旋轉(zhuǎn)，與此同時(shí)，馬達(dá)帶動(dòng)與之相聯(lián)接的發(fā)電機(jī)5進(jìn)行發(fā)電，產(chǎn)生的交流電經(jīng)整流器后變成直流電儲(chǔ)存到蓄電池3中，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)臂能量的回收［7］。

2　工作裝置的勢能計(jì)算

為準(zhǔn)確計(jì)算挖掘機(jī)工作裝置的勢能，首先對(duì)工作裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。因?yàn)楣ぷ鳈C(jī)構(gòu)是由多連桿組成的復(fù)雜機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)分析比較復(fù)雜，目前比較常用的方法是利用D-H齊次坐標(biāo)變換法對(duì)挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行研究，如圖2所示。

圖2　挖掘機(jī)工作裝置坐標(biāo)系

對(duì)圖2進(jìn)行簡化，設(shè)l1，l2，l3分別為動(dòng)臂連桿AB、斗桿連桿BC、鏟斗連桿CD的長度，AB與坐標(biāo)軸x0的夾角為θ1、BC與x1的夾角為θ2、CD與x3的夾角為θ3，動(dòng)臂質(zhì)量為m1，重心到鉸點(diǎn)B距離為d1，斗桿質(zhì)量為m2，重心到鉸點(diǎn)C距離為d2，鏟斗質(zhì)量為m3，重心到鏟斗齒尖的距離為d3，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，可求出動(dòng)臂、斗桿和鏟斗的勢能。

動(dòng)臂勢能為

斗桿勢能為

鏟斗勢能為

則挖掘機(jī)工作裝置的總勢能可表示為

式中，△m為鏟斗負(fù)載的重量。

3　動(dòng)臂勢能回收系統(tǒng)的仿真與分析

3.1勢能回收系統(tǒng)的仿真模型

利用SimulationX仿真軟件對(duì)圖1所示的勢能回收系統(tǒng)建立如圖3所示的仿真模型。該仿真模型由動(dòng)力源、勢能回收和蓄電池蓄能控制三大模塊組成。通過該模型，可以得到動(dòng)臂液壓缸下放時(shí)的速度和位移、蓄電池的充電電流和電壓等特性曲線，用于研究能量回收的效果，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

圖3　挖掘機(jī)勢能回收系統(tǒng)仿真模型

3.2仿真結(jié)果與分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)挖掘機(jī)的實(shí)際工況，在仿真模型中設(shè)定動(dòng)臂下放時(shí)間為9 s.

3.2.1工作裝置運(yùn)動(dòng)特性分析

如圖4所示的仿真結(jié)果為動(dòng)臂液壓缸下放速度和位移的仿真曲線，在初始階段存在微小的波動(dòng)，在0.3 s后趨于穩(wěn)態(tài)值，動(dòng)臂下降平穩(wěn)，同時(shí)動(dòng)臂下降時(shí)間延長，這是因?yàn)樵诮尤雱菽芑厥障到y(tǒng)后，相當(dāng)于增加了液壓回路的背壓，有效地提高了動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，但也對(duì)挖掘機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性產(chǎn)生了一定的影響。

圖4　動(dòng)臂液壓缸下放速度和位移

3.2.2蓄電池儲(chǔ)能分析

勢能回收系統(tǒng)在一個(gè)工作循環(huán)中蓄電池充電電流和電壓關(guān)系如圖5所示。

圖5　蓄電池充電電流與電壓

由圖5計(jì)算可得一個(gè)循環(huán)中蓄電池回收的總能量P1m約為1.4×10-4kW·h（504.0 J），如圖6所示。

圖6　一個(gè)循環(huán)蓄電池回收的能量

3.3.3能量回收利用率

因挖掘機(jī)動(dòng)臂裝置質(zhì)量m1=99.6 kg，斗桿裝置質(zhì)量m2=62.8 kg，鏟斗質(zhì)量m3=59.1 kg.當(dāng)挖掘機(jī)工作裝置舉升到最高位置時(shí)，由式（4）可得工作裝置的總勢能P為3 737.8 J.故動(dòng)臂勢能回收系統(tǒng)的效率ηrm為：

由仿真可知，較普通液壓挖掘機(jī)，增加了勢能回收系統(tǒng)的挖掘機(jī)節(jié)能效率為13.5%，具有節(jié)能效果。

4　實(shí)驗(yàn)研究

利用計(jì)算機(jī)仿真分析進(jìn)行模擬仿真是研究動(dòng)臂勢能回收系統(tǒng)的一種重要手段，但是因?yàn)槟Ｐ秃喕?、參?shù)選擇等都與挖掘機(jī)實(shí)際工況存在誤差，為了驗(yàn)證能量回收系統(tǒng)和數(shù)值仿真的合理性與實(shí)際節(jié)能效果，進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究是很有必要的。

圖7為以DL15-8液壓挖掘機(jī)（1.5 T）為基礎(chǔ)搭建的動(dòng)臂勢能回收實(shí)驗(yàn)臺(tái)，因場地原因，未進(jìn)行實(shí)際挖掘、卸載作業(yè)，為了最大化接近實(shí)際工況，根據(jù)該型號(hào)挖掘機(jī)的實(shí)際斗容量選用60 kg質(zhì)量塊作為鏟斗的負(fù)載進(jìn)行動(dòng)臂下降實(shí)驗(yàn)研究。為與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，選擇了蓄電池充電電流和電壓進(jìn)行研究。

圖7　勢能回收實(shí)驗(yàn)臺(tái)

由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場所的限制，未安裝特定的傳感器設(shè)備，只對(duì)相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行簡單測量和計(jì)算，經(jīng)測量，動(dòng)臂下降時(shí)間約為9 s多，與仿真所選接近。

通過實(shí)驗(yàn)可以得到勢能回收系統(tǒng)在一個(gè)工作循環(huán)中蓄電池充電電流和電壓如圖8所示。

圖8　蓄電池充電電流與電壓

由圖8計(jì)算可得一個(gè)循環(huán)中蓄電池回收的總能量P1t約為9.86×10-5kW·h（348.5 J），如圖9所示。故動(dòng)臂勢能回收系統(tǒng)的實(shí)際回收效率ηrt為：

圖9　一個(gè)循環(huán)蓄電池回收的能量

由系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該系統(tǒng)具有一定的節(jié)能效果，但回收的勢能占總勢能的比例較小。

5　結(jié)束語

利用動(dòng)臂勢能回收實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了動(dòng)臂下放工況下的仿真和實(shí)驗(yàn)研究。通過動(dòng)臂下放的速度和位移、蓄電池充電電壓和電流的仿真研究，得到了仿真系統(tǒng)回收的能量和回收效率。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明該能量回收系統(tǒng)具有一定的節(jié)能效果。這為該系統(tǒng)在其它噸位挖掘機(jī)上的使用提供了理論依據(jù)，也為后續(xù)混合動(dòng)力挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

［1］張彥廷.混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)液壓馬達(dá)能量回收的仿真及試驗(yàn)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，（8）：218-223.

［2］Liu S，Yao B.Energy-saving control of single-rod hydraulic cylinders with programmable valves and improved workingmode selection［C］//49th National Conference on Fluid Power，Las Vegas，Nevada，USA，2002：81-91.

［3］陳欠根.新型液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢能回收再利用系統(tǒng)研究［J］.廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，（2）：292-299.

［4］Tao Wang，Qingfeng Wang.Efficiency analysis and evaluation of energy-saving pressure-compensated circuit for hybrid hydraulicexcavator［J］.AutomationinConstruction：2014，（47）：62-68.

［5］趙丁選.油液混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢能回收系統(tǒng)［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2013，41（1）：150-154.

［6］柯堅(jiān).混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)臂節(jié)能系統(tǒng)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2011，21（6）：109-112.

［7］張路豪.挖掘機(jī)動(dòng)臂能量回收系統(tǒng)仿真分析與實(shí)驗(yàn)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2015，31（3）:169-173.

Analysis and Research on the Potential Energy Recovery System of Excavator Boom

WANG Xin，HE Li-le，YAO Xin
（School of Mechatronics Engineering，Xi'an University of Architecture and Technology，Xi'an 710055，China）

Hydraulic excavator working device in the downstream process exist a large number of gravitational potential energy，which converted to heat energy.To solve this problem，we propose a energy recovery systems，which use battery as the energy storage element.Meanwhile used the boom potential recovery experiment station，we analyzed the structure and operation mechanism of the energy recovery system and established the Simulation recovery system simulation model and simulation，at the same time，the energy recovery test was carried out under the typical mining cycle.Contrasting the simulation and experimental results，we draw the conclusion that the potential energy recovery system is feasible and it can play a very good energy saving effect.

hydraulic excavators；energy recovery；simulation model；energy saving

TH132

A

1672-545X（2016）08-0041-03

2016-05-06

西安建筑科技大學(xué)2014年國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201410703028）

王鑫（1993-），男，陜西咸陽人，本科，研究方向：建筑機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方向。