旋挖鉆機主卷揚勢能回收系統仿真與研究

胡帆，康輝梅，戴鵬，李賽白，沈超

（1.湖南師范大學工程與設計學院，湖南長沙 410081；2.山河智能裝備股份有限公司，湖南長沙 410100）

0 前言

日益嚴重的環境問題促使能源向著清潔、高效和循環利用的方向發展，提高能源的利用效率可有效抑制環境污染問題［1-3］。尤其是在“十四五” 規劃中，我國明確提出要推進能源革命，在2030 年前達到碳達峰，2060 年前實現碳中和。由于工程機械污染排放高，并造成巨大的能源浪費，成為嚴重的空氣污染源，因此提高工程機械的能源利用率刻不容緩［4-6］。

旋挖鉆機主卷揚系統具有可回收能量大、工作周期長等特點，具備勢能回收的理想條件，能量回收潛力大［7］。鉆機搭載的是多節伸縮型鉆桿，鉆桿與鉆具在作業時需要反復地提升和下放，從而導致大量的重力勢能以熱能的形式消耗在液壓系統中，造成了能量的浪費［8］。

基于能量回收與再利用理論，按照儲能元件的不同可將勢能回收系統分為油電混合與油液混合兩種。其中油電混合勢能回收系統由發電機和儲能裝置（蓄電池、超級電容等）組成，將重力勢能轉化為電能，并在合適的工況將儲存的電能釋放，為整機供能［9］。方曉瑜等［10］設計了采用液壓馬達的勢能回收系統，并提出了調節主卷揚馬達排量、發電機控制扭矩及節流閥開口度的三變量聯合控制策略。肖清等人［11］設計了以超級電容為儲能元件的并聯式液壓混合動力系統，提出了發動機多工作點動態控制策略。油電混合勢能回收系統中能量儲存單元功率密度較低，且充放電次數有限，難以滿足旋挖鉆機主卷揚頻繁帶動鉆具進行上提與下放工作，同時高昂的成本使其規模化應用推廣受到制約。油液混合勢能回收系統以蓄能器為儲能元件，具有功率密度高、成本可控性穩定、負載適應性強等特點，尤其適用于大型工程機械勢能回收。杜希亮等［12］提出了一種新型液壓挖掘機動臂勢能回收系統，提高了液壓挖掘機的能量利用效率。李建松等［13］提出流量再生與蓄能器相結合的混合式動臂勢能回收系統，使用蓄能器和平衡缸相結合的方式回收勢能，提高系統的能量利用效率。上述研究主要是將勢能回收技術應用在挖掘機動臂上。為此，根據旋挖鉆機循環往復的作業特點，本文作者以現有的某中型旋挖鉆機為研究對象，設計一種全新的主卷揚下放勢能回收與利用系統方案，并針對蓄能器的多個參數對系統能量回收效率的影響進行仿真研究，以優化系統配置，提升系統能量回收效率。

1 旋挖主卷揚系統工作機制

1.1 傳統主卷揚液壓系統

圖1 所示為傳統主卷揚液壓系統結構原理。該系統通過手柄切換主閥工作位來控制卷揚提升與下放，系統結構簡單、易于實現且操作便利，但該系統在運行過程中，大量的重力勢能以熱能形式消耗在液壓系統中，造成了能量的浪費，同時也對系統正常工作造成不良影響。

圖1 傳統主卷揚液壓系統Fig.1 Traditional main winch hydraulic system

1.2 主卷揚下放勢能回收與利用系統

針對傳統主卷揚液壓系統下放過程中勢能損失問題，在現有勢能回收技術基礎上，提出如圖2 所示的全新主卷下放勢能回收與利用系統。該系統主要由滾筒、減速機、馬達、先導式平衡閥、電磁換向閥、多路閥、主泵以及液壓蓄能器等零部件組成。系統在保證旋挖鉆機主卷揚操作性能的前提下，不僅能利用蓄能器回收鉆桿下放過程中釋放的勢能，還能通過電磁換向閥來切換不同工作模式，更大程度節約系統能耗，提高工作效率。

圖2 主卷揚下放勢能回收與利用系統Fig.2 Potential energy recycling and utilization system of the main winch：（a）lower to collect energy；（b）lift to release energy

該系統具有普通和節能兩種工作模式，通過電磁換向閥1、2 進行切換，當卷揚微動或鉆桿進行短距離下放時，切換普通模式，與常規卷揚系統工作原理相同。當鉆桿深距離下放時，切換節能模式，電磁換向閥1 得電右位工作，平衡閥開口壓力油流回油箱，關閉閥口。主閥左工作位工作，壓力油經過馬達時，鉆桿對馬達做功，將重物下放過程中釋放的重力勢能轉換為壓力能，壓力油通過電磁換向閥2 進入蓄能器進行儲存能量。

主卷上提，電磁換向閥1 斷電左位工作，壓力油進入先導式平衡閥控制口打開閥口。手柄控制主閥右工作位工作，從主泵出來的壓力油通過平衡閥與蓄能器中儲存的壓力油共同驅動主卷馬達，使得卷揚帶動滾筒，利用鋼絲繩提升鉆桿。

綜上所述，在節能模式時，蓄能器能最大化地將卷揚下放過程中所浪費的勢能能量進行回收儲存，并在主卷提升時，將儲存的能量和主泵輸出的能量一起驅動液壓馬達，提高主卷揚下放過程中的勢能利用效率，有效降低整機工作的綜合油耗。

1.3 蓄能器能量回收效率的理論分析

文中所研究的主卷揚下放勢能回收與利用系統，使用活塞式蓄能器進行能量回收。蓄能器內部的氣體為惰性氣體（氮氣），根據波義耳定律［14］，滿足下式：

式中：p0、V0分別為蓄能器的預充氣壓力與體積；p1、V1分別為蓄能器充液后氣體的初始工作壓力與體積；p2、V2分別為蓄能器在充液后氣體最大工作壓力與體積；n為由蓄能器工作狀態所確定的多變指數，n＝1 時，氣體工作在等溫條件下，n＝1.4 時，氣體工作在絕熱條件下。文中蓄能器充放液時間較短，蓄能器充液過程可看成絕熱過程，所以取n＝1.4，則式（1）變為

他高度重視人才建設和科研興所，在所內形成了藥學和天然藥物兩個“省級領軍人才梯隊”。他帶領團隊開展的“中藥提取物標準研究平臺建設”“包含鹿骨瓜提取物和甜瓜籽提取物的藥物組合物”等項目分獲多項科技進步獎。他主持編寫的《黑龍江省藥品微生物檢驗方法匯編》《黑龍江省中藥飲片炮制規范及標準》不僅可以為生產企業提供技術指導，也為各級藥品檢驗所的檢驗提供了重要的參考依據。

蓄能器回收的能量E1為

根據鉆桿下放可回收勢能計算，文中所提出的主卷下放勢能回收效率為

式中：E2為鉆桿下放過程中所產生的重力勢能；m為鉆桿質量；g為重力加速度；h為鉆桿下放深度；η為能量回收效率。

分析公式（3），蓄能器回收能量受蓄能器有效容積、初始工作壓力、預充氣壓力的影響。

2 仿真研究

2.1 搭建系統模型與參數設置

為驗證所提出旋挖鉆機主卷揚勢能回收與利用系統方案的可行性，分析系統的節能效率，根據圖2所示原理，利用AMESim 中液壓元件設計庫搭建主卷揚下放勢能回收與利用系統仿真模型，如圖3 所示。仿真模型主要由4 個部分組成，分別是泵控模塊、平衡閥模塊、負載模塊以及基于液壓蓄能器的儲能系統。

圖3 主卷揚下放勢能回收與利用系統仿真模型Fig.3 The simulation model of the main winch potential energy recycling and using system

根據山河智能量產的中型旋挖鉆機整機測量數據進行模型參數賦值，具體設置情況如表1 所示。

表1 主卷揚下放勢能回收與利用系統仿真參數Tab.1 The simulation parameters of the main winch potential energy recycling and using system

仿真模型主泵采用總功率控制，其中總功率控制曲線如圖4 所示。

圖4 不同功率下主泵壓力-流量輸出關系Fig.4 Main pump pressure-flow output relationship under different power

2.2 主卷揚下放勢能回收與利用系統仿真

為了提高模型的準確性，基于AMESim 搭建的仿真模型選取鉆機的主卷上提與下放作為一個仿真周期，仿真數據采樣步長為0.01 s。圖5 為主卷上提與下放過程的仿真結果。

圖5 手柄控制電流信號與蓄能器壓力曲線Fig.5 The handle control current signal and the accumulator pressure curves

在仿真模型中主卷揚是通過電流信號控制主閥左、右工作位切換，從而實現鉆桿上提與下放。電流為0～40 mA 時，主閥切換左工作位，電流為-40～0 mA 時，主閥切換右工作位。

由圖5 可以看出，電流信號為0 時，主閥處于中位（0～2 s），蓄能器的初始壓力不變，電流信號逐漸增大（2～15 s），主閥左工作位工作，卷揚帶動鉆桿下放，系統進行勢能回收，將回收的能量儲存在蓄能器中，隨著主卷下放時間延長，蓄能器的壓力不斷增高，所回收的能量逐漸增多。當壓力達到蓄能器最大工作壓力p2＝23 MPa 時（12.8～15 s），回收的能量不再增加。電流為-40～0 mA 時（15～26 s），主閥右工作位工作，鉆桿提升。上提過程中隨著蓄能器的壓力減小，所儲存的能量逐漸釋放，直到電流信號再次為0 時鉆桿上提到初始位置（26～30 s），主閥回到中位，由此可以看出主卷揚下放時勢能以壓力能的形式儲存在蓄能器中。

2.3 蓄能器性能仿真

基于圖3 所建立的AMESim 仿真模型，進行蓄能器性能仿真分析。蓄能器為標準件，其外形尺寸不能隨意調整，分析公式（3）可知蓄能器的初始工作壓力p1、預充氣壓力p0、有效容積V大小的選取對主卷揚下放勢能回收與利用系統能量回收效率有直接影響。

（1）蓄能器初始工作壓力的影響

選取蓄能器預充壓力p0＝12 MPa，根據GB／T 2352—2003 規定［15］，p1×0.9≥p0。初始工作壓力p1分別取18、17、16 MPa，仿真得到蓄能器P 口（即蓄能器出口）壓力曲線如圖6 所示。蓄能器充能時間分別為9.81、11.82、13.84 s。當壓力達到蓄能器最大工作壓力p2＝23 MPa 時，系統不繼續儲能，即此后壓力油通過溢流閥流回儲油箱。系統中卷揚下放時長為15 s，3 種不同初始工作壓力的蓄能器的充能時間隨著工作壓力的增大而減少。初始工作壓力為18 MPa 時，在主卷下放過程中（2～9.81 s）蓄能器充能達到飽和，相較于初始工作壓力為16 MPa 時，充能時長減少。又由公式（5）計算出3 種情況的能量回收效率分別為36.27%、37.74%、45.53%，由此得出：在合理范圍內，當蓄能器的預充氣壓力、有效容積一定時，隨著蓄能器預初始工作壓力減小，回收的能量增加。在主卷上提過程中（15～30 s）3 種工作壓力曲線共線，說明蓄能器不同的初始工作壓力并不影響蓄能器釋放能量時的壓力，故而蓄能器初始工作壓力越大，蓄能器充能時間越短，系統回收的勢能越少。

圖6 不同初始工作壓力下蓄能器壓力變化曲線Fig.6 Accumulator pressure change curves under different initial work pressure

（2）蓄能器預充氣壓力的影響

選取蓄能器初始工作壓力p1＝16 MPa，根據GB／T 2352—2003 規定［15］，當蓄能器充當輔助動力源時，預充氣壓力為蓄能器最高工作壓力p2＝23 MPa的40%～70%之間。預充氣壓力p0分別取10、11、12 MPa，仿真結果如圖7 所示。主卷下放過程中（2～15 s）蓄能器達到最大工作壓力的時間分別為12.55、13.41、14.23 s，p0越大，蓄能器吸收能量時間越長，回收的能量越多。由公式（5）計算出3 種情況的能量回收效率分別為35.35%、41.24%、45.53%。由此可以得出：在主卷下放過程中，當蓄能器的初始工作壓力、有效容積一定時，蓄能器預充氣壓力越大，回收能量的效率越高。

圖7 不同預充氣壓力下蓄能器壓力變化曲線Fig.7 Accumulator pressure change curves under different pre-exhaust pressure

（3）蓄能器有效容積的影響

當蓄能器初始工作壓力p1和預充氣壓力p0一定時，選取有效容積V分別為190、210、230 L 共3 種不同情況進行仿真，得到仿真結果如圖8 所示。3 種不同容積的蓄能器在系統蓄能過程中達到最大工作壓力的時間分別約為11.42、12.49、13.63 s，由公式（5）計算出3 種情況的回收效率分別為41.52%、43.46%、45.53%。由此得出，蓄能器有效容積越大，回收的能量越多，回收時間越長，主卷下放勢能能量回收效率越高。蓄能器有效容積越小，蓄能器氣體壓力越先達到最大工作壓力，此后，蓄能器不會繼續回收能量，從而導致蓄能器的能量回收效率降低。

圖8 不同有效容積下蓄能器壓力變化曲線Fig.8 Accumulator pressure change curves under different effective volume

3 試驗驗證及分析

為了驗證理論計算與仿真研究的正確性，根據本文作者所提出的主卷揚下放勢能回收與利用系統方案，搭建了試驗樣機平臺。如圖9 所示，試驗對象采用山河智能某量產的中型旋挖鉆機，根據第1.3 節與第2.3 節理論計算和仿真研究，綜合能量回收效率、實用成本、安裝便利性等因素，選擇蓄能器的預充氣壓力p0＝12 MPa，有效容積為V＝230 L，初始工作壓力為p1＝16 MPa。根據試驗要求，采用德國Multisystom5060 測試系統，采集數據主要包括主泵的出口壓力、卷揚馬達進／出油口壓力以及蓄能器出口壓力數據。

圖9 節能系統試驗樣機平臺Fig.9 Energy-saving system test prototype platform

在節能工作模式下，將旋挖鉆機的發動機轉速調至1 900 r／min，將鉆桿下放與上提作為試驗周期。操作手柄，將鉆桿下放至指定位置，停留2 s 后，再反向操作手柄，使主卷揚反轉帶動鉆桿上提至初始下放位置。每次動作前停頓2 s，重復上述動作。將實機試驗中蓄能器的氣體工作壓力曲線與AMESim 仿真所得到的壓力曲線進行對比分析，如圖10 所示。

圖10 仿真實驗與實機測試壓力對比驗證Fig.10 Comparison verification between simulation and test pressure

可知：仿真中與實機測試中蓄能器氣體的工作壓力，受旋挖鉆機主卷揚勢能回收與利用系統應對不同工作模式而變化的，下放鉆桿過程中（2～15 s），系統蓄能，蓄能器的工作壓力呈上升趨勢，達到蓄能器的最大工作壓力時，蓄能器不再繼續蓄能，壓力曲線由上升到逐漸平移；提升鉆桿時，蓄能器釋放能量（15～26 s），蓄能器工作壓力呈下降趨勢。當手柄控制主閥處在中位（0～2 s）時，蓄能器實機測試壓力與仿真壓力曲線重合，當開啟壓力控制的一瞬間（2～3 s），實機測試中，蓄能器的壓力曲線相較于仿真時會有一定的波動，關閉時（26～28 s）也是如此。而蓄能器壓力達到最大工作壓力時，仿真壓力曲線近似直線，但在實機測試中會因系統壓力沖擊導致曲線略有波動。

綜上，試驗與仿真結果基本趨勢相符，表明仿真結果具有合理性。

4 結論

（1）設計一種以液壓蓄能器為輔助能量回收裝置并加裝直動式電磁換向閥作為普通／節能模式實時切換的主卷揚下放勢能回收與利用系統。

（2）利用AMESim 搭建了旋挖鉆機主卷揚下放勢能回收與利用系統仿真模型，并針對蓄能器的主要參數進行了仿真研究。結果表明：蓄能器的有效體積和充氣壓力的大小是影響蓄能器能量回收效率的關鍵因素，同時也為工程應用提供了參數選擇依據。

（3）利用山河智能某量產的中型旋挖鉆機為樣機搭建了主卷揚下放勢能回收與利用系統試驗樣機平臺，試驗結果表明主卷揚下放勢能回收與利用系統仿真模型具有一定的合理性，達到了一定的節能效果。