不同噸位液壓挖掘機回轉系統能量回收研究

顏韻琪，賀元成，孟志明，康帥帥

(1. 四川理工學院機械工程學院，四川自貢643000;2. 瀘州職業技術學院，四川瀘州646000)

大型挖掘機廣泛應用于礦山、煤炭、水利、露天采掘等領域，其功率較大，但能量利用率過低，僅為20%左右［1］。受世界能源危機和環境保護的影響，實現液壓挖掘機能源節約一直是業界努力追求的目標［2－4］。據統計，液壓挖掘機回轉系統的回轉運動占整個工作循環時間的50% ～70%，而其能量損耗約占總能量損耗的25% ～40%［5］，且在每次工作循環中都要進行兩次回轉。因此，大型液壓挖掘機回轉液壓系統能量回收研究具有十分重要的意義。查閱大量文獻，普遍采用蓄能器對中小型挖掘機進行能量回收。文中針對不同型號大噸位液壓挖掘機進行蓄能器能量回收模型仿真，證明蓄能器節能技術的適用范圍和效果。

1 蓄能器選型及參數匹配

1.1 蓄能器選型

根據加載方式的不同，蓄能器可分為重力加載式、彈簧加載式和氣體加載式3 種［6］。表1 為各類型蓄能器的特點［7］。

表1 各種類型蓄能器的特點

由表1 可知:皮囊式蓄能器具有噪聲小、響應快、密封性好、便于安裝、成本較低等特點，是目前使用最廣泛的一種蓄能器［8］。所以，對于挖掘機的能量回收系統來說，也是儲能元件最好的選擇。

1.2 蓄能器參數設置

文中研究的挖掘機是某廠生產的3 種機型，機器質量分別為7、100 和220 t。不同型號的挖掘機回轉系統需選取不同型號的蓄能器，并且需要滿足以下目標:

(1)在一個工作周期內，盡可能地全部回收溢流以及制動能量，同時，釋放所吸收的能量達到一個較高的能量再利用效率［6］;

(2)由于挖掘機布置空間的局限性，盡可能選擇體積、質量小的蓄能器。

某型號100 t 液壓挖掘機回轉節能系統中蓄能器的參數設置如下:

(1)p2由整個系統的最高壓力確定，p2=26.4 MPa;

(2)作為輔助動力源的蓄能器，一般p1=0.6 ～0.85p2，從延長皮囊式蓄能器的使用壽命考慮p2≤3p1，綜合以上條件，p1=20 ～95 MPa;

(3)液壓蓄能器儲存和釋放能量為:

當p1a=p0、p2a=p2時，液壓蓄能器吸收能量最大為Emax，得:p0=0.308p2=8 MPa。

(4)蓄能器的充氣容積為:

蓄能器工作在絕熱過程時，其充氣容積為:

用相同的方法可以得到，某型號7 t 以及某型號220 t 液壓挖掘機回轉節能系統蓄能器參數，見表2。

表2 7 t 和220 t 液壓挖掘機回轉節能系統蓄能器參數

2 挖掘機回轉節能模型仿真及分析

2.1 質量100 t 挖掘機回轉節能模型仿真及分析

(1)參數設置

滿斗回轉時平臺轉動慣量為2 068 257 kg·m2，空斗回轉時平臺轉動慣量為1 204 483 kg·m2;電機轉速1 900 r/min;變量泵使用力士樂A11V0，排量230 mL/r，轉速2 200 r/min;溢流閥溢流壓力35 MPa;三位六通閥使用力士樂M8 閥，最大閥開口流量400 L/min，其他參數保持默認值;減壓閥壓力13 MPa;馬達排量125 mL/r，轉速1 000 r/min;負載1 000 000 kg·m2。

回轉馬達所需流量:

回轉馬達過載閥調定壓力:

式中:η1、η2、分別為減速機、回轉支承、回轉馬達的機械效率，均取0.95。

(2)模型仿真及分析

根據公司提供的原理圖，在AMESim 中搭建模型，見圖1。

圖1 某型號100 t 挖掘機回轉節能系統模型

通過在AMESim 中仿真，得到馬達轉速和蓄能器壓力和體積比較圖，如圖2、3 所示。從圖2 中可以明顯看到:蓄能器收集到的溢流和制動能量用于下一次轉動時，馬達轉速有一個明顯的提升。從圖3 可以看出:蓄能器壓力和體積有明顯的變化。

圖2 馬達轉速圖

圖3 蓄能器壓力和體積比較圖

(3)能量回收分析

在15 ～25 s 制動時間段內，蓄能器回收的總能量:

計算轉臺從開始制動到制動結束時的能量損失為:

E = 0.5Jω22 = 0.5 ×1 ×106× (8/60 ×2π)2=350 kJ

在25 ～40 s，蓄能器有一段時間單獨驅動馬達，此時蓄能器釋放的能量:

E2= pB'VB'－ PA'VA'=20 ×18－38.4 ×11.3 =－73.92 kJ

蓄能器釋放的能量占蓄能器吸收能量的百分比為:

2.2 質量7 t 和220 t 挖掘機回轉節能模型仿真及分析

(1)主要液壓元件參數

質量7 t 挖掘機回轉節能系統主要元件參數:滿斗回轉時平臺轉動慣量為24 590 kg·m2，空斗回轉時平臺轉動慣量為15 112 kg·m2;電機轉速2 100 r/min;變量泵排量30 mL/r，轉速2 000 r/min;馬達排量44 mL/r，轉速1 700 r/min，負載:20 000 kg·m2。

質量220 t 挖掘機回轉節能系統主要元件參數:滿斗回轉時平臺轉動慣量為5 766 214 kg·m2，空斗回轉時平臺轉動慣量為3 543 819 kg·m2;電機轉速2 200 r/min;變量泵排量190 mL/r，轉速2 200 r/min;馬達排量125 mL/r，轉速1 000 r/min;負載3 000 000 kg·m2(雙回轉)。

(2)模型仿真及分析

依據某公司某型號7 t 挖掘機回轉原理圖，在AMESim 軟件中所搭建的節能模型與100 t 的節能模型一樣見圖1，220 t 的挖掘機回轉節能模型見圖4。

圖4 某型號200 t 挖掘機回轉節能系統模型

通過仿真所搭建的模型，可以得到7 t 和220 t 挖掘機回轉馬達轉速分別如圖5 和圖6 所示，蓄能器回收、釋放能量的情況如圖7 和圖8 所示。

圖5 7 t 挖掘機回轉馬達轉速圖

圖6 220 t 挖掘機回轉馬達轉速圖

圖7 7 t 挖掘機蓄能器壓力和體積曲線比較圖

圖8 220 t 挖掘機蓄能器壓力和體積曲線比較圖

(3)能量回收分析

7 t 和220 t 挖掘機回轉節能系統能量分析方法與100 t 分析方法相同，通過計算驗證得到表3。

表3 7 t、100 t 和220 t 挖掘機回轉節能系統能量分析

3 結論

以某公司3 種型號的挖掘機為研究對象，通過計算發現不同噸位挖掘機回轉系統蓄能器能量回收情況有所差別:

(1)蓄能器是一種液壓系統節能設計的常用元件，當其用于挖掘機回轉系統時，可以收集起動溢流和制動時浪費的液壓能;當蓄能器用于挖掘機動臂系統，可以回收重力勢能。

(2)噸位小的挖掘機回轉節能系統蓄能器回收能量小，回轉平臺及上車轉動慣量小。因此，回收的能量占理論能量較多，蓄能器釋放能量占吸收能量百分比較大，回收效果比較理想;噸位大的挖掘機回轉系統蓄能器回收能量較多，釋放能量占吸收能量百分比較大，但由于回轉平臺及上車轉動慣量大，回收能量占理論能量較小。

從表3 可以看出:噸位越大的挖掘機使用蓄能器吸收能量越多，釋放能量占吸收能量百分比越大，而蓄能器吸收能量占理論能量越小。

通過對不同噸位挖掘機的回轉節能系統進行仿真分析，分析模型中蓄能器對能量的吸收及再利用率，可以得出蓄能器用于噸位小的挖掘機回收效果更好的結論。

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