金月峰，費(fèi)樹輝，王振興，夏 炎，宋 萌

（徐州徐工挖掘機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221004）

液壓混合動力挖掘機(jī)靠蓄能器回收動臂下降勢能或回轉(zhuǎn)動能，再釋放到液壓系統(tǒng)中，如果將蓄能器、控制閥等能量回收相關(guān)元件直接加裝到非混合動力挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中，會對原系統(tǒng)壓力、流量產(chǎn)生干擾，造成挖掘機(jī)在動作協(xié)調(diào)性、穩(wěn)定性、功能性等方面性能改變，無法滿足使用要求。另外，由于蓄能器屬于壓力容器，還需要保證操作和維護(hù)人員的安全。本文針對上述問題，提出油液混合動力挖掘機(jī)設(shè)計(jì)過程中的相關(guān)要求，以保證在挖掘機(jī)滿足用戶需求的前提下達(dá)到節(jié)能的效果。

1 液壓混合動力挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

1.1 滿足動臂下降時(shí)速度穩(wěn)定要求

非混合動力挖掘機(jī)動臂下降時(shí)如圖1所示，速度由主控制閥內(nèi)節(jié)流孔調(diào)節(jié)，因工作裝置重量不變，液壓系統(tǒng)負(fù)載不變，所以動臂下降速度基本不變。而油液混合動力挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)如圖2所示，用蓄能器回收動臂下降時(shí)動臂油缸大腔的液壓油，供給輔助馬達(dá)，用蓄能器的壓力來平衡動臂下降時(shí)的負(fù)載，隨著蓄能器內(nèi)油液的逐漸增加，蓄能器內(nèi)壓力隨之逐漸增大，由于蓄能器壓力的變化會影響主泵壓力，進(jìn)而使主泵的排量發(fā)生變化，導(dǎo)致進(jìn)入動臂油缸小腔液壓油的流量會發(fā)生變化，引起動臂下降速度的變化，因此需增加速度控制裝置。

圖1 非混合動力動臂油路原理圖

1.2 滿足復(fù)合動作要求

挖掘機(jī)對復(fù)合動作的協(xié)調(diào)性要求非常高，因液壓混合動力挖掘機(jī)回收動臂下降的能量，所以涉及與動臂下降相關(guān)的動作都會受到影響，例如：動臂下降與斗桿外擺復(fù)合，如圖3所示，在非混合動力挖掘機(jī)中，動臂和斗桿的復(fù)合動作，依靠動臂油缸大腔回油節(jié)流閥，保證動臂下降負(fù)載穩(wěn)定，從而穩(wěn)定動臂下降速度，保證復(fù)合動作協(xié)調(diào)性。而液壓混合動力挖掘機(jī)動臂與斗桿的復(fù)合動作，如圖4所示，動臂大腔回油接蓄能器，由于蓄能器壓力波動造成動臂大腔回油壓力波動，引起動臂下降速度變化，動臂與斗桿復(fù)合動作操控性能變差，要滿足操控性能需求，就要增加合理控制閥，保證動臂下降速度的穩(wěn)定。

圖2 混合動力動臂油路原理圖

圖3 非混合動力復(fù)合動作原理圖

圖4 混合動力復(fù)合動作原理圖

1.3 滿足動臂鎖緊要求

原系統(tǒng)主控閥帶有負(fù)載保持閥，如圖2所示，泄漏量非常低，當(dāng)動臂聯(lián)操作手柄回中位時(shí)，動臂保持閥能鎖緊動臂油缸，避免因內(nèi)泄漏等問題而引起動臂油缸慢速下降。所以油液混合動力系統(tǒng)需要具備動臂鎖緊功能，因油液混合動力系統(tǒng)由于動臂下降油缸大腔除了連接主控閥外，而要并聯(lián)一路連接蓄能器，因此需要在能量回收油路上增加液壓鎖，防止動臂油缸慢速下降。

1.4 滿足停機(jī)泄壓要求

油液混合動力挖掘機(jī)蓄能器內(nèi)存儲大量高壓油液，屬于危險(xiǎn)容器，為保證操作和服務(wù)人員安全，混合動力系統(tǒng)必須在挖掘機(jī)熄火停機(jī)后自動泄除蓄能器內(nèi)高壓油液，以免造成人身傷害，因此必須安裝自動泄壓油路，如圖5所示，蓄能器并聯(lián)電磁開關(guān)閥油路，熄火后電磁閥動作，將蓄能器內(nèi)壓力油與油箱接通，可自動將蓄能器內(nèi)高壓油卸掉。

圖5 混合動力蓄能器自動泄壓原理圖

1.5 滿足雙系統(tǒng)切換要求

在挖掘機(jī)工作過程中，因工地變更需要轉(zhuǎn)運(yùn)，挖掘機(jī)不方便直接行駛到現(xiàn)場，需要由卡車托運(yùn)到工作現(xiàn)場，挖掘機(jī)上下卡車的時(shí)候需要鏟斗著地，動臂油缸有桿腔進(jìn)油，抬起挖掘機(jī)履帶，這個(gè)動作即是撐車，如圖6所示。

撐車過程中，由于鏟斗著地，當(dāng)動臂油缸有桿腔進(jìn)油時(shí)，動臂油缸會壓縮，動臂將會下降，但由于鏟斗著地，無法下降，隨著動臂油缸有桿腔進(jìn)油壓力增大，在地面給鏟斗的反作用力的作用下，挖掘機(jī)履帶輪將會抬起，以使動臂油缸壓縮，此時(shí)動臂油缸無桿腔跟油箱相連，隨著開始撐車時(shí)動臂油缸的不運(yùn)動，致使動臂大腔吸空，壓力為0。

圖6 挖掘機(jī)撐車圖

圖5是常規(guī)挖掘機(jī)撐車時(shí)系統(tǒng)的壓力曲線，從中可以看出，隨著撐車的進(jìn)行，履帶抬起越高，所需的動臂油缸有桿腔壓力也越大，最大時(shí)可到25MPa。但混合動力系統(tǒng)由于蓄能器有較大的背壓，一般在10MPa以上，而動臂油缸的無桿腔與有桿腔的面積比約為2∶1，即混合動力系統(tǒng)撐車時(shí)，有桿腔的壓力需比原系統(tǒng)撐車壓力高20MPa才能達(dá)到原系統(tǒng)撐車效果，此時(shí)主泵已溢流，即混合動力系統(tǒng)不能完成撐起車。須識別挖掘機(jī)撐車狀態(tài)，在撐車時(shí)將挖掘機(jī)切換到非混合動力模式，以保證順利撐車。

圖7 挖掘機(jī)撐車過程壓力曲線圖

2 結(jié)束語

本文以油液混合動力挖掘機(jī)為例，介紹了在回收動臂勢能的過程中，液壓系統(tǒng)存在的系列問題，針對動臂下降速度問題，通過速度控制閥調(diào)速降低負(fù)載壓力變化引起的速度波動及協(xié)調(diào)性問題，通過并聯(lián)負(fù)載保持閥解決動臂掉缸同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙系統(tǒng)切換，通過蓄能器并聯(lián)泄壓閥實(shí)現(xiàn)停機(jī)自動泄壓功能。本文僅從原理上介紹油液混合動力挖掘機(jī)設(shè)計(jì)過程中需滿足的要求，并提出了相關(guān)解決辦法，但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中還要充分考慮系統(tǒng)可靠性、經(jīng)濟(jì)性、維護(hù)方便性等一系列問題，讓混合動力挖掘機(jī)既達(dá)到常規(guī)挖掘機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，還實(shí)現(xiàn)節(jié)油的效果。