混合動力液壓挖掘機動臂能量回收方案設計與仿真研究

趙士明,趙靜一,李喜林 ,李文留

(1.燕山大學河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室，河北秦皇島，066004； 2.唐山工業職業技術學院，

混合動力液壓挖掘機動臂能量回收方案設計與仿真研究

趙士明1,2,3,趙靜一1,2,李喜林2,李文留1，3

(1.燕山大學河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室，河北秦皇島，066004； 2.唐山工業職業技術學院，

河北唐山，063299； 3燕山大學先進鍛壓成型技術與科學教育部重點實驗室，河北秦皇島，066004)

節能技術在我國日益受到重視,工程機械的節能技術也得到了快速的發展,進行能量回收再利用提高工作效率是液壓挖掘機節能技術的發展方向.針對混合動力液壓挖掘機動臂勢能回收中存在的匹配問題,提出了一種基于平衡控制原理的能量回收控制方法,并對新方案,進行了理論分析與模擬仿真.根據理論分析和仿真研究,改進后的挖掘機動臂勢能回收系統回收效率明顯提高.

液壓挖掘機; 能量回收; 容積調節; 仿真

液壓挖掘機是工程機械中的主要品種,也是土石方工程中的主要施工機械之一,廣泛用于道路、建筑、礦山、水利、國防等各項工程.據有關資料報道,2014年我國液壓挖掘機的銷售量達到 92,583臺.據統計,工程機械施工中,約60%的土石方量是靠挖掘機完成的[1-2].液壓挖掘機工作過程中,各個執行機構和上車平臺結構都是周期性往復的運動,而且中小型的液壓挖掘機各機構工作速度很高.各機構頻繁的啟動停止,產生的慣性較大,以前的解決方法是應用節流調速,能量消耗在閥口,造成了液壓系統中大量液壓能轉換為熱能,發熱問題不僅是能源的浪費,而且造成了挖掘機液壓元件壽命短的問題[3-5].

挖掘機動臂在上車平臺中自重較大,動臂在挖掘過程中不斷的往復運動,需要頻繁的啟動與制動,耗能較大.目前液壓挖掘機節能方面主要在挖掘機回轉的能量回收方面做得研究和成果較多,液壓挖掘機動臂回收研究較少.挖掘機動臂下降制動時,釋放的大量的勢能,轉化為熱能,使多路閥發熱嚴重,造成了元件加速老化.據相關資料顯示,在一個標準挖掘周期中,動臂屬于臂架結構中最重的部分,動臂下降過程可以回收的能量可占總下降勢能的50%,可見把這些能量回收再利用,節約了能源,減少了系統發熱,延長了液壓元件壽命,提高了液壓元件的可靠性,具有較大的實際意義和社會價值[6-8].

1 液壓挖掘機傳統動臂的能量回收方法

在液壓挖掘機傳統動臂能量回收方法中存在加裝能量回收系統以后,具有一定的回收能力.本文基于某國外公司的混合動力液壓挖掘機系統,分析液壓挖掘機傳統動臂能量回收方法.此挖掘機傳統動臂能量回收系統在原來系統基礎上增加了液壓馬達、小型發電機、電池和控制部分,如圖1所示.

圖1 傳統液壓挖掘機動臂能量回收系統方案原理圖Fig.1 Schematic diagram of traditional hrdraulic excavator on boom potential energy-recovery

液壓馬達與動臂液壓缸無桿腔相連,發電機與馬達同軸連接.傳統動臂能量回收系統工作原理:比例閥右位工作時,動臂油缸無桿腔的壓力油進入液壓馬達,馬達旋轉帶動小型發電機產生電能,經過控制器2后存儲在蓄電池中.隨后,經過控制器1,釋放出電能給發動機從而驅動液壓系統,形成一個循環,回收了部分能量,具有一定節能效果.但這種傳統能量回收方法,在動臂在下降過程中,動臂液壓缸存在回油流量與進油流量不相匹配問題,如動臂能量回收系統回收時馬達轉動速度過快,則負載處于失速狀態,進油路產生局部真空,嚴重時產生氣蝕;如果,動臂液壓缸進油流量大于匹配的回油流量,系統壓力會迅速增加,而達到系統壓力峰值,溢流閥閥口全部開啟.

2 液壓挖掘機新型能量回收系統控制策略

由于上述問題,本文提出一種基于平衡控制原理的容積調節穩壓控制的新型能量回收控制策略.控制原理如圖2所示.

圖2 動臂能量回收控制策略原理方框圖Fig.2 Control strategy block diagram of boom potential energy-recovery

動臂下降時有桿腔的壓力設置為P1,通過先導控制手柄調節換向閥閥口開度,調節進油路流量Q1.有桿腔的實測壓力與目標壓力產生偏差時,通過壓力檢測反饋裝置,反饋到控制器,控制器發出控制信號,通過控制裝置產生調節信號改變液壓馬達排量和發電機轉速,從而改變回油流量Q2,使其與進油流量相匹配.也就是,進油流量的波動相當于干擾信號,對檢測反饋裝置把干擾信號造成的偏差反饋給控制裝置,控制裝置調節后改變馬達排量,控制回油流量相應改變,最終消除偏差.通過這種隨動控制方法實現液壓馬達排量的變化與液壓閥的動作相匹配,解決了傳統方法能量回收中存在的負載失速和壓力升高等問題,減少了系統發熱造成的各種故障.

如圖3為新型動臂能量回收系統原理,在動臂油缸有桿腔連接了壓力傳感器,壓力傳感器采集到的壓力信號反饋給控制器,構成了檢測反饋系統.動臂上升時,液壓泵向動臂液壓缸無桿腔供油,單向閥保護液壓馬達不會受到高壓油沖擊,動臂被舉升,液壓缸無桿腔油液流回油箱,壓力傳感器檢測回油壓力并傳給控制器,控制器設定一個遠高于回油壓力的值,使馬達排量控制為零.當多路閥切換到動臂下降工位時,油液進入液壓缸有桿腔,負載即產生下降趨勢,由于單向閥阻止油液流過,油液進入變量機構,驅動馬達旋轉,能力回收系統啟動,液壓馬達旋轉產生的機械能存入蓄電池.當控制器的檢測壓力大于設定值時,馬達排量會逐步增大,并帶動發電機加速旋轉,馬達回油經過的單向閥流回油箱.回油流量逐步增大,負載開始下降,檢測壓力點處壓力也逐步降低.

圖3 新型動臂能量回收系統原理圖Fig.3 Schematic diagram of new hrdraulic excavator on boom potential energy-recovery

當檢測壓力減小到設定壓力時,馬達排量將停止調節.多路閥開口大小發生變化時,系統流量發生變化,能量回收機構將會重復上述調節,實現隨動控制.

當多路閥切回到中位,閥口關閉,液壓缸有桿腔停止供油,測壓點處壓力迅速降低,當檢測值小于設定值時,馬達排量降為零,發電機轉速迅速降為零,且回油流量為零,負載即停止下降.動臂下降的勢能,轉化為電能存儲在蓄電池中.

3 液壓挖掘機能量回收系統建模

根據流量連續性方程,忽略液壓缸泄漏和液壓缸的變形,得到液壓缸流量連續性方程液壓缸進油腔的流量Q1為

(1)

流入液壓缸回油腔Q2的流量為

(2)

式中:A1,A2為動臂液壓缸有桿腔和無桿腔的有效作用面積;xs為液壓缸活塞位移;V為液壓缸無桿腔與馬達容腔之間的總容積;p1為有桿腔壓力;p2為無桿腔壓力.

液壓缸與負載的力平衡方程為

(3)

式中m為活塞及負載折算到活塞上的總質量;Bp為活塞及負載的黏性阻尼系數液壓馬達的流量Qm為

(4)

式中：Dm為馬達排量;ω為馬達角速度液壓馬達的力矩平衡方程為

(5)

式中：Tf為作用在馬達軸上的發電機負載力矩;Bm為液壓馬達和負載的黏性阻尼系數.控制器信號處理過程數學建模根據實際工況分析,控制器選取的是PID控制器,控制模型如下:

PID的偏差信號ep為

(6)

式中：pa為設定的壓力值.

經過PID控制器處理的信號為

u=KPep+KI∫epdt+KD(dep/dt)

(7)

式中：KP為比例增益;KI為積分增益；KD為微分增益,3個參數均為無量綱.

控制器中的限制器的控制信號模型為

(8)

式中:ik變量馬達的實際控制信號is為變量馬達的控制起點;ie為變量馬達的控制終點(A)

4 液壓挖機新型能量回收效率研究

根據物理公式,能量回收效率計算公式為

(9)

式中:η為能量回收效率;ηs為能量轉化總效率；ps為回油管路壓力損失.

本文提出的能量回收系統工作時,理論分析動臂進油腔壓力與不加裝能量回收系統時相當,因此不會使系統多輸出能量.初步計算能量回收效率,假設動臂勻速下降,各元件能量轉化效率不變,液壓馬達、發電機和蓄電池的能量轉化效率分別取 0.75,0.85 和 0.82,無桿腔壓力為 21 MPa,回油管路壓力降為2 MPa.將以上參數代入式(9),得到的能量回收系效率為

η=21-2/21×0.75×0.85×0.82=0.47

基于容積平衡原理設計的新型能量回收裝置不會使系統多耗能,回收效率約47%,高于傳統方法,因此設計此回收系統具有實際意義.

5 液壓挖掘機能量回收系統的仿真分析

根據混合動力液壓挖掘機動臂液壓缸在下降過程中能量回收系統的工作機理及液壓控制系統的數學模型,建立了負載的動臂能量回收的仿真模型.使用AMESim仿真軟件,對液壓挖掘機新型能量回收方法進行了仿真分析.

5.1 新型能量回收的仿真模型建立

圖4 新型動臂能量回收原理仿真Fig.4 Simulation model of new hydraulic excavator on boom potential energy-recovery

5.2 仿真結果分析

根據實際使用,設置流量90 L·min-1給動臂液壓缸階躍信號,出現了壓力脈動較大及系統不穩定問題,如圖5a,通過調節參數和液壓阻尼解決此問題,如圖5b.

圖5 調整前后壓力曲線圖Fig.5 Pressure curve before and after the adjustment

6 結論

本文根據理論分析,提出了一種基于平衡原理的容積調節穩壓控制策略,并基于此控制策略設計了新型液壓動臂勢能回收系統的總體結構,進行了能量回收效率分析,能量回收效率高于傳統回收方法.建立了仿真模型,解決了壓力脈動過大的問題,系統工作穩定.但是仿真研究畢竟存在一定局限,以后應繼續在條件允許時候進行試驗研究.

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Design and simulation on boom energy recovery for hybrid hydraulic excavators

ZHAO Shi-ming1,2,ZHAO Jing-yi1,LI Xi-lin2，LI Wen-liu1,3

(1.Hebei Provincial Key Laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China；2.Tangshan Polytechnics College,Tangshan 063200,China；3 Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science,Ministry of Education of China, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)

Owing that China pays more attentions to the energy-saving technologies, especially for rapidly-developed construction machinery industry, the energy recovery and reuse can improve the energy efficiency for hydraulic excavators. To resolve the matching problem of potential recovery on hybrid hydraulic excavator boom, a new approach is proposed based on theenergy balance control, recovery control via theoretical analysis and simulation. According to the theoretical analysis and simulation, thepotential recovery efficiency of excavator boom is significantlyenhanced.

hydraulic excavator; energy recovery; volume regulation; simulation

國家自然科學基金資助項目(51405424,51675461,11673040)

趙士明(1981-),男,博士,講師.E-mail:zhaoshiming2004032@163.com

RH 137

A

1672-5581(2016)05-0445-04