不同噸位液壓挖掘機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)能量回收研究

顏韻琪，賀元成，孟志明，康帥帥

(1. 四川理工學(xué)院機械工程學(xué)院，四川自貢643000;2. 瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川瀘州646000)

大型挖掘機廣泛應(yīng)用于礦山、煤炭、水利、露天采掘等領(lǐng)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(huán)境保護(hù)的影響，實現(xiàn)液壓挖掘機能源節(jié)約一直是業(yè)界努力追求的目標(biāo)［2－4］。據(jù)統(tǒng)計，液壓挖掘機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)運動占整個工作循環(huán)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(huán)中都要進(jìn)行兩次回轉(zhuǎn)。因此，大型液壓挖掘機回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)能量回收研究具有十分重要的意義。查閱大量文獻(xiàn)，普遍采用蓄能器對中小型挖掘機進(jìn)行能量回收。文中針對不同型號大噸位液壓挖掘機進(jìn)行蓄能器能量回收模型仿真，證明蓄能器節(jié)能技術(shù)的適用范圍和效果。

1 蓄能器選型及參數(shù)匹配

1.1 蓄能器選型

根據(jù)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(yīng)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(tǒng)來說，也是儲能元件最好的選擇。

1.2 蓄能器參數(shù)設(shè)置

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

(1)在一個工作周期內(nèi)，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(dá)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(zhì)量小的蓄能器。

某型號100 t 液壓挖掘機回轉(zhuǎn)節(jié)能系統(tǒng)中蓄能器的參數(shù)設(shè)置如下:

(1)p2由整個系統(tǒng)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(dāng)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(zhuǎn)節(jié)能系統(tǒng)蓄能器參數(shù)，見表2。

表2 7 t 和220 t 液壓挖掘機回轉(zhuǎn)節(jié)能系統(tǒng)蓄能器參數(shù)

2 挖掘機回轉(zhuǎn)節(jié)能模型仿真及分析

2.1 質(zhì)量100 t 挖掘機回轉(zhuǎn)節(jié)能模型仿真及分析

(1)參數(shù)設(shè)置

滿斗回轉(zhuǎn)時平臺轉(zhuǎn)動慣量為2 068 257 kg·m2，空斗回轉(zhuǎn)時平臺轉(zhuǎn)動慣量為1 204 483 kg·m2;電機轉(zhuǎn)速1 900 r/min;變量泵使用力士樂A11V0，排量230 mL/r，轉(zhuǎn)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(shù)保持默認(rèn)值;減壓閥壓力13 MPa;馬達(dá)排量125 mL/r，轉(zhuǎn)速1 000 r/min;負(fù)載1 000 000 kg·m2。

回轉(zhuǎn)馬達(dá)所需流量:

回轉(zhuǎn)馬達(dá)過載閥調(diào)定壓力:

式中:η1、η2、分別為減速機、回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)馬達(dá)的機械效率，均取0.95。

(2)模型仿真及分析

根據(jù)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(zhuǎn)節(jié)能系統(tǒng)模型

通過在AMESim 中仿真，得到馬達(dá)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動時，馬達(dá)轉(zhuǎn)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(dá)轉(zhuǎn)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(nèi)，蓄能器回收的總能量:

計算轉(zhuǎn)臺從開始制動到制動結(jié)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(qū)動馬達(dá)，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(zhì)量7 t 和220 t 挖掘機回轉(zhuǎn)節(jié)能模型仿真及分析

(1)主要液壓元件參數(shù)

質(zhì)量7 t 挖掘機回轉(zhuǎn)節(jié)能系統(tǒng)主要元件參數(shù):滿斗回轉(zhuǎn)時平臺轉(zhuǎn)動慣量為24 590 kg·m2，空斗回轉(zhuǎn)時平臺轉(zhuǎn)動慣量為15 112 kg·m2;電機轉(zhuǎn)速2 100 r/min;變量泵排量30 mL/r，轉(zhuǎn)速2 000 r/min;馬達(dá)排量44 mL/r，轉(zhuǎn)速1 700 r/min，負(fù)載:20 000 kg·m2。

質(zhì)量220 t 挖掘機回轉(zhuǎn)節(jié)能系統(tǒng)主要元件參數(shù):滿斗回轉(zhuǎn)時平臺轉(zhuǎn)動慣量為5 766 214 kg·m2，空斗回轉(zhuǎn)時平臺轉(zhuǎn)動慣量為3 543 819 kg·m2;電機轉(zhuǎn)速2 200 r/min;變量泵排量190 mL/r，轉(zhuǎn)速2 200 r/min;馬達(dá)排量125 mL/r，轉(zhuǎn)速1 000 r/min;負(fù)載3 000 000 kg·m2(雙回轉(zhuǎn))。

(2)模型仿真及分析

依據(jù)某公司某型號7 t 挖掘機回轉(zhuǎn)原理圖，在AMESim 軟件中所搭建的節(jié)能模型與100 t 的節(jié)能模型一樣見圖1，220 t 的挖掘機回轉(zhuǎn)節(jié)能模型見圖4。

圖4 某型號200 t 挖掘機回轉(zhuǎn)節(jié)能系統(tǒng)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(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速圖

圖6 220 t 挖掘機回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)節(jié)能系統(tǒng)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(zhuǎn)節(jié)能系統(tǒng)能量分析

3 結(jié)論

以某公司3 種型號的挖掘機為研究對象，通過計算發(fā)現(xiàn)不同噸位挖掘機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)蓄能器能量回收情況有所差別:

(1)蓄能器是一種液壓系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計的常用元件，當(dāng)其用于挖掘機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)時，可以收集起動溢流和制動時浪費的液壓能;當(dāng)蓄能器用于挖掘機動臂系統(tǒng)，可以回收重力勢能。

(2)噸位小的挖掘機回轉(zhuǎn)節(jié)能系統(tǒng)蓄能器回收能量小，回轉(zhuǎn)平臺及上車轉(zhuǎn)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(zhuǎn)系統(tǒng)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(zhuǎn)平臺及上車轉(zhuǎn)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(zhuǎn)節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)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(jié)論。

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