基于機械設計節能基本原理的平衡液壓挖掘機仿真與分析

張偉博

（陜西國防工業職業技術學院,西安 710300）

基于機械設計節能基本原理的平衡液壓挖掘機仿真與分析

張偉博

（陜西國防工業職業技術學院,西安 710300）

為了解決傳統挖掘機動臂下降的勢能未被利用，易引起液壓系統發熱，上升時又需要消耗額外的動能問題，本文應用機械設計節能基本原理，將傳統液壓挖掘機的固定配重改為滑動配重和油缸，使滑動配重油缸與動臂油缸連接，構成平衡液壓挖掘機，有效地節約了系統能量，提高了整機的可靠性和使用壽命。

機械設計；節能；平衡液壓挖掘機；AMESim仿真

1 引言

近年來，液壓挖掘機的應用非常普遍，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，被廣泛用在交通運輸、農田改造、工業建設、礦山開采和民用建筑等諸多領域[1]。在目前節能減排的國情下，液壓挖掘機實現低能耗一直是業界的追求目標，液壓挖掘機從最初由操作手柄的先導壓力控制液壓泵的排量，發展為負流量控制、正流量控制和負載敏感控制，以及目前基于混合動力和二次調節技術的新型液壓挖掘機，經歷了數次節能化進程。

目前挖掘機的節能研究主要是混合動力系統、電液比例控制和泵-發動機功率匹配，對如何改進液壓挖掘機的機械結構實現節能的研究較少，本文通過對液壓挖掘機的功率損失分析，提出能量損失的幾個方面，根據機械設計節能基本原理改進傳統液壓挖掘機的機械結構，以實現節能的目的，同時降低企業的生產成本，并對平衡液壓挖掘機應用軟件AMESim仿真。結果表明平衡液壓挖掘機具有良好的節能效果，可有效緩沖液壓沖擊，提高整機使用壽命。

2 液壓挖掘機能量損失分析

液壓挖掘機在一個工作循環過程中，從挖掘到卸料，動臂上升和下降各一次。挖掘機動臂在工作中頻繁升降，浪費了大量的能量，同時也使油溫上升，導致油液粘度降低，使液壓系統穩定性變差。

為了降低液壓挖掘機能耗，目前液壓挖掘機多采用變量系統。一般來說，定量泵的閥控液壓系統效率較低，最高效率僅38.5％[2]。由于工況復雜和載荷變化較大，引起液壓挖掘機各種形式的功率損失和勢能損失，主要表現在：節流損失、溢流損失、沿程損失、機械損失、動能勢能損失和匹配損失[3]，液壓挖掘機主要能量損失如圖1所示。

圖1 液壓挖掘機主要能量損失

3 平衡液壓挖掘機的節能原理

傳統液壓挖掘機在工作過程中，動臂需要頻繁升降，而動臂下降的這部分勢能并沒有被利用和儲存，造成的能量的浪費，同時也使油液溫度上升，造成整機工作的不穩定性，威脅駕駛員和施工人員的安全。平衡液壓挖掘機的設計基于“機械設計節能基本原理”，充分利用動臂下降的勢能，降低了系統的發熱。

“機械設計節能基本原理”主要闡述：引起有勢力所消耗的功率過高的原因是系統勢能短時間內在較大范圍內變化，在制動過程中也未將能量進行回收或轉換，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，系統勢能應為常量或在最小范圍內變化[4]。對機械設計節能基本原理分析可知，引起液壓挖掘機能量損失的原因是：挖掘機的系統勢能變化較大，即動臂下降的系統勢能未被儲存和利用，導致系統發熱，造成功率損失。

應用機械設計節能基本原理，將傳統液壓挖掘機的固定配重設計為組合配重（即滑動配重和固定配重），并在滑動配重下安裝一組液壓缸，通過換向閥使動臂油壓缸與滑動配重液壓缸連接，構成一組平衡系統—平衡液壓挖掘機。當液壓挖掘機開始挖掘時，動臂下降時所具有的勢能推動滑動配重體上升到一定高度，下一個工作過程中滑動配重下降的的勢能又轉化為動臂上升的動能，這樣實現一個能量轉化和轉移的工作循環，提高了能量利用率，使挖掘機系統的勢能變化量為常數或在最小范圍內變化，平衡液壓挖掘機基本結構如圖2所示。

圖2 平衡液壓挖掘機基本結構

4 平衡液壓挖掘機的節能仿真分析

平衡液壓挖掘機的主要特點是充分利用動臂下降的勢能，并將這部分勢能轉化為滑動配重體上升的動能，實現節能的目的。應用液壓仿真軟件AMEsim，建立平衡液壓挖掘機的動臂—滑動配重平衡液壓系統，設定各液壓元件的參數，仿真平衡液壓挖掘機動臂液壓缸的壓力曲線，圖3所示為傳統液壓挖掘機的動臂油缸壓力曲線，圖4所示為動臂—滑動配重油缸壓力曲線。

圖3 傳統液壓挖掘機的動臂油缸壓力曲線

圖4 平衡液壓挖掘機動臂油缸壓力曲線

從圖3可看出，在傳統液壓挖掘機中，當動臂下降時，動臂油壓缸的壓力變化較大，這是因為受動臂、斗桿和鏟斗的重力影響，當油液進入動臂液壓油缸的有桿腔時，動臂受力較大，有向下運動的趨勢，短時間內液壓油缸壓力急劇上升，此時容易出現吸空的現象。圖4表明，在動臂-滑動配重平衡系統中，由于滑動配重的平衡調節作用，液壓挖掘機的系統壓力變化較小，系統勢能在較小范圍內變化，使發動機的驅動功率降低，實現了節能的目的，同時減少了液壓沖擊，延長了液壓挖掘機的使用壽命。

對比圖3和圖4曲線可知，平衡液壓挖掘機的動臂油缸壓力曲線特性明顯優于傳統液壓挖掘機，平衡液壓挖掘機的壓力變化小，壓力曲線平穩，使系統勢能變化小，可以避免液壓沖擊，有效保護液壓系統，節約系統能量。

5 總結

（1）平衡液壓挖掘機具有結構獨特、操作可靠、原理正確、節能高效等特點，且結構易于實現，只需將傳統液壓挖掘機的固定配重改為組合配重，并在滑動配重下布置一油缸與動臂油缸連接，大大節約能量，提高生產效率，改善系統的穩定性，實現了節能減排的目的。

（2）平衡液壓挖掘機可降低油缸發熱、減少液壓沖擊、保護液壓元件，提高系統的可靠性和使用壽命。

（3）滑動配重的結構參數需要進一步優化匹配，以實現最優的節能效果。

（4）斗桿和鏟斗下降的勢能同理可應用機械設計節能基本原理，這也是研究液壓挖掘機節能的另一個方向。

[1]董芃羽.挖掘機工作裝置的動力仿真及有限元分析[D].河北：河北工業大學，2011.

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

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

[4]車勝創.機械設計節能基本原理的分析與應用[J].長安大學學報：自然科學版，2011（03）.

張偉博（1985-），男，陜西武功人，助教，碩士研究生。