董永平

摘要：目前液壓挖掘機(jī)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工程和礦產(chǎn)領(lǐng)域，其作為施工現(xiàn)場(chǎng)的主要設(shè)備，性能直接影響機(jī)械工程的效率和成本。本文主要研究液壓挖掘機(jī)工作過(guò)程中動(dòng)臂下降和整車(chē)回轉(zhuǎn)的能量回收問(wèn)題，希望能夠降低液壓挖掘機(jī)的使用功率，科學(xué)高效的節(jié)省能量消耗。

關(guān)鍵詞：液壓挖掘機(jī);能量回收;動(dòng)力匹配;動(dòng)臂

前言：近年來(lái)，混合動(dòng)力技術(shù)的迅速發(fā)展令傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)朝著新的方向開(kāi)始發(fā)展，目前在液壓挖掘機(jī)的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)以及控制策略等方面都取得了較大的進(jìn)步，能夠顯著降低液壓挖掘機(jī)的能耗，提高作業(yè)效率。

一、液壓挖掘機(jī)可回收能量分析

（一）動(dòng)臂能量回收技術(shù)的工作原理

并聯(lián)式混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)主要采用發(fā)動(dòng)機(jī)以及發(fā)電機(jī)并聯(lián)的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)液壓泵，其中發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)能直接傳輸給液壓泵和馬達(dá)。而液壓挖掘機(jī)工作裝置主要由三部分構(gòu)成，即動(dòng)臂、斗桿以及鏟斗，由于其具有頻繁往返運(yùn)動(dòng)以及慣性較大等特點(diǎn)，經(jīng)常導(dǎo)致液壓挖掘機(jī)在下放的過(guò)程中，勢(shì)能與動(dòng)能完全轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，同時(shí)液壓系統(tǒng)迅速升溫，令系統(tǒng)內(nèi)密封元件受損，影響其使用壽命，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)發(fā)生頻繁故障，降低系統(tǒng)工作效率。如果對(duì)液壓系統(tǒng)采取冷卻處理，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部能耗增加，因此在液壓機(jī)下降工作時(shí)，如果在其前端安置能量回收裝置，能夠有效地降低整個(gè)系統(tǒng)的溫度，避免設(shè)備發(fā)生故障，同時(shí)還可以回收利用系統(tǒng)產(chǎn)生的能量，降低內(nèi)燃機(jī)的輸出功率，減少液壓系統(tǒng)的能源消耗。動(dòng)臂系統(tǒng)的主要工作原理，首先是令其動(dòng)臂下降，進(jìn)行挖掘工作，在鏟斗負(fù)載之后提升動(dòng)臂，然后鏟斗卸載負(fù)荷，動(dòng)臂下降，最后動(dòng)臂回復(fù)原位，對(duì)于液壓挖掘機(jī)而言，主要以控制動(dòng)臂達(dá)到控制系統(tǒng)的目的，利用傳感器監(jiān)測(cè)動(dòng)臂實(shí)際位移與理論位移之間的差值，將兩者之間的差值作為控制路閥的開(kāi)口，令實(shí)際位移與理論位移保持一致，因此動(dòng)臂能夠回收較多能量，回收價(jià)值較高，約占全部能量的二分之一。另外，混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)安裝了能夠進(jìn)行能量回收的再生動(dòng)臂，與傳統(tǒng)的動(dòng)臂系統(tǒng)相比較，能量回收更高效。由于動(dòng)臂系統(tǒng)工作中會(huì)產(chǎn)生能量浪費(fèi)，因此必須加強(qiáng)提高挖掘機(jī)的效率，將動(dòng)臂下降工作過(guò)程中產(chǎn)生的勢(shì)能，進(jìn)行回收再次利用[2]。例如，當(dāng)挖掘機(jī)中液壓缸的運(yùn)行方向與其承載的重力方向一致時(shí)，油液將從高壓腔傳送至低壓腔，令主泵輸出流量幾乎為零，同時(shí)，由于負(fù)載較低，導(dǎo)致出口的高壓油液其液壓被浪費(fèi)，因此液壓挖掘機(jī)能將能量回收后再利用。目前動(dòng)臂系統(tǒng)再生功能已經(jīng)是我國(guó)混合動(dòng)力挖掘機(jī)中應(yīng)用最廣泛的。

（二）回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收技術(shù)的應(yīng)用研究

由于液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作效率低、工作時(shí)間較長(zhǎng)等缺陷，因此為了提高回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的效率，必須縮短制動(dòng)間距，液壓挖掘機(jī)其設(shè)備安裝中存在補(bǔ)油的單向閥門(mén)，因此無(wú)需動(dòng)臂進(jìn)行能量再生，其自身就可以回收油液。同時(shí)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的蓄能器具有能量大、密度高、能量回收轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)少、效率高等特點(diǎn)，因此其較適合回收回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的能量，其與動(dòng)臂回收系統(tǒng)的原理類(lèi)似，但最主要的區(qū)別在于儲(chǔ)存能量的元件不同，混合動(dòng)能通常采取超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件，而普通的油液混合則使用蓄電器作為儲(chǔ)能元件，利用馬達(dá)作為系統(tǒng)內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換元件，因此有效的避免了機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換，提高了挖掘機(jī)的效率，減少了能量的損失，而回轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作時(shí)，其蓄電池和液壓泵驅(qū)使馬達(dá)運(yùn)行，通過(guò)變速箱帶動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部的轉(zhuǎn)臺(tái)，使其正常轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)角位移傳器檢測(cè)工作裝置的回轉(zhuǎn)位移，通過(guò)控制器運(yùn)算出的數(shù)據(jù)，控制蓄電器以及馬達(dá)輸出的能力，確保能量數(shù)值一致，避免造成能量浪費(fèi)。除此之外，液壓馬達(dá)在不同的載荷方式下，其回收能量的能力不同，但是在同一個(gè)模式下，制造的能量基本是一個(gè)固定值，例如，回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部所有能量沖擊馬達(dá)，使馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，而當(dāng)液壓馬達(dá)與液壓泵相連時(shí)，在忽略效率的背景下進(jìn)行計(jì)算，可以看出兩者之間的速度和扭矩是一致的，因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)馬達(dá)的排量改變液壓泵輸出的壓力，在壓力不超過(guò)安全閥設(shè)定的壓力時(shí)，馬達(dá)排量越小，其輸出的壓力越大，從而有助于蓄能器回收系統(tǒng)內(nèi)部的能量。

二、液壓挖掘機(jī)動(dòng)力匹配技術(shù)

（一）單泵恒功率控制技術(shù)的應(yīng)用研究

液壓挖掘機(jī)動(dòng)力匹配技術(shù)本質(zhì)上屬于機(jī)電一體化，能連接液壓系統(tǒng)、PLC以及發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)將三者組成一個(gè)完整的系統(tǒng)，有助于機(jī)械作業(yè)環(huán)節(jié)中系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)前工程施工中，大型機(jī)械設(shè)備往往單日作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，因此這種動(dòng)力匹配技術(shù)，能最大限度的減少技術(shù)人員的工作量，提高其工作效率，同時(shí)避免人為失誤的可能，基于上述優(yōu)勢(shì)，目前動(dòng)力匹配技術(shù)在液壓挖掘機(jī)設(shè)備中廣泛應(yīng)用。其工作原理主要是通過(guò)單泵恒功率控制技術(shù)，即通過(guò)變量系統(tǒng)中的PLC系統(tǒng)，控制變量泵的排量，當(dāng)挖掘機(jī)進(jìn)行挖掘作業(yè)時(shí)，改變系統(tǒng)內(nèi)部彈簧的彈力進(jìn)而調(diào)節(jié)變量的數(shù)值，這種方式能夠有效的控制變量泵輸出的流量，產(chǎn)生不同的流量，一旦系統(tǒng)中的壓力數(shù)值達(dá)到彈簧壓力設(shè)定值時(shí)，變量泵數(shù)值相應(yīng)的進(jìn)行調(diào)整，開(kāi)始變小，當(dāng)系統(tǒng)的壓力值與第二根彈簧的壓力值相同時(shí)，排量變化的函數(shù)圖像呈現(xiàn)曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)，由此可以觀察出，當(dāng)曲線(xiàn)值最大時(shí)，常數(shù)與系統(tǒng)內(nèi)部的離散值保持一致，不僅有效的避免了液壓挖掘機(jī)超載導(dǎo)致的熄火問(wèn)題，同時(shí)能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，有效的減少能量的損失，有利于能量的回收再利用。

（二）定量泵控制技術(shù)的應(yīng)用研究

在傳統(tǒng)的液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)中，尤其是小型挖掘機(jī)，通常采用定量泵的設(shè)計(jì)方式，定量泵主要的工作原理是通過(guò)推拉膜片，進(jìn)行控制定量泵中液體的排出，如如果向后拉膜片時(shí)，出口閥就會(huì)下降，則其與球座之間可以連接的更加緊密，而當(dāng)隔膜被拉回時(shí)，隔膜與泵頭之間處于真空狀態(tài)，進(jìn)口球閥上升，液體則被吸走，如果向前推動(dòng)膜片時(shí)，由于入口閥門(mén)與球座之間密封良好，液體無(wú)法通過(guò)，而當(dāng)向前推出口隔膜時(shí)，液體則會(huì)被排出。而對(duì)于大型挖掘機(jī)在液壓系統(tǒng)中安裝定量泵，容易導(dǎo)致系統(tǒng)中的機(jī)械泵性能受損，降低挖掘機(jī)的功率，導(dǎo)致整個(gè)挖掘機(jī)的性能受損，因此定量泵控制技術(shù)不適用于大型的液壓挖掘機(jī)。液壓挖掘機(jī)動(dòng)力匹配技術(shù)應(yīng)用愈加廣泛，但是該技術(shù)當(dāng)前仍舊存在較多的技術(shù)問(wèn)題，即當(dāng)前機(jī)械一體化技術(shù)在液壓技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)的配置、控制系統(tǒng)等技術(shù)應(yīng)用上發(fā)展不夠成熟，需要企業(yè)加強(qiáng)資金投入，促進(jìn)技術(shù)人員不斷進(jìn)行科技創(chuàng)新，還有液壓挖掘機(jī)動(dòng)力匹配技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中缺乏條件，因此工程領(lǐng)域的技術(shù)人員，應(yīng)主動(dòng)借助國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的技術(shù)，攻克液壓挖掘機(jī)的技術(shù)難題，液壓挖掘機(jī)的能量回收及其動(dòng)力匹配控制技術(shù)，是我國(guó)當(dāng)前工程領(lǐng)域的核心技術(shù)，能提高機(jī)械設(shè)備的工作效率。

結(jié)束語(yǔ)：總而言之，由于工程機(jī)械設(shè)備中往往采用內(nèi)燃機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能的能量輸送方式，容易導(dǎo)致其對(duì)自然環(huán)境污染較重，因此節(jié)能減排技術(shù)的研究和應(yīng)用勢(shì)在必行，本文研究并聯(lián)式混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)的工作原理以及其能量回收特點(diǎn)，希望對(duì)液壓挖掘機(jī)的研究人員具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]龐琳娜.液壓挖掘機(jī)的節(jié)能技術(shù)分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（05）：215-216.

[2]閆磊，聶陽(yáng)文，胡星.基于液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收的動(dòng)臂降速控制仿真研究[J].工程機(jī)械，2020，51（03）：29-33+6-7.