挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)能量分析

費(fèi)樹輝 王振興 賀艷飛

摘 要：對(duì)挖掘機(jī)一個(gè)工作循環(huán)中各液壓執(zhí)行元件的能量利用狀況進(jìn)行了定量計(jì)算，結(jié)果顯示執(zhí)行元件利用能量約占主泵輸出能量的80.6%。對(duì)可回收能量的分析結(jié)果表明，動(dòng)臂油缸位移約占總行程的50%時(shí)，動(dòng)臂可回收能量約占主泵輸出能量的17.7%，回轉(zhuǎn)可回收能量約占主泵輸出能量的9.2%。通過(guò)以上的分析，提出挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的節(jié)能可以從提高液壓系統(tǒng)的效率和對(duì)能量進(jìn)行回收利用兩方面進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：挖掘機(jī)；能量分析；可回收能量；節(jié)能

前言

挖掘機(jī)產(chǎn)銷量大，具有作業(yè)效率高、工況適應(yīng)性好的特點(diǎn)，但其油耗高，能量利用率低的問(wèn)題始終沒(méi)有得到有效的改善。零部件廠家和主機(jī)廠家對(duì)挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)的研究始終在進(jìn)行。但是許多的研究只是基于系統(tǒng)原理分析，缺乏具體數(shù)據(jù)的支撐，為便于對(duì)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)進(jìn)行定量研究，對(duì)節(jié)能技術(shù)的性價(jià)比進(jìn)行綜合考量，需要對(duì)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的能量利用狀況進(jìn)行分析。

1 能量利用分析

挖掘機(jī)工作過(guò)程中，主要液壓執(zhí)行元件為動(dòng)臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸和回轉(zhuǎn)馬達(dá)，對(duì)應(yīng)的子系統(tǒng)分別為動(dòng)臂液壓控制系統(tǒng)、斗桿液壓控制系統(tǒng)、鏟斗液壓控制系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)液壓控制系統(tǒng)。各子系統(tǒng)利用的能量為執(zhí)行元件在做功過(guò)程消耗的能量，整個(gè)液壓系統(tǒng)利用的能量為泵輸出的能量。忽略執(zhí)行元件本身的效率，對(duì)執(zhí)行元件入口壓力與入口流量的乘積進(jìn)行積分，作為執(zhí)行元件利用的能量；忽略泵本身的效率，對(duì)泵出口壓力和流量的乘積進(jìn)行積分，作為泵輸出至液壓系統(tǒng)的總能量。所用能量計(jì)算公式為：

式中：E-液壓系統(tǒng)能量，J；P-油液壓力，Pa；Q-油液流量，m3/s；t1-開始工作時(shí)間，s；t2-結(jié)束工作時(shí)間，s。

表1 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)能量利用情況

據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果，在一個(gè)裝載工作循環(huán)中，執(zhí)行元件利用的總能量為756kJ，執(zhí)行元件利用能量約占主泵輸出能量的80.6%，未利用能量約29.4%。未利用能量主要是溢流損失、節(jié)流損失、泄露等。

2 可回收能量分析

因?yàn)殓P斗和斗桿均連接于動(dòng)臂，動(dòng)臂液壓缸中由勢(shì)能轉(zhuǎn)化而來(lái)的液壓能也包含部分鏟斗和斗桿的勢(shì)能，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于斗桿和鏟斗中的液壓能[1]，因此，對(duì)挖掘機(jī)勢(shì)能的回收都是對(duì)動(dòng)臂勢(shì)能回收進(jìn)行研究。在回轉(zhuǎn)動(dòng)能方面，在一個(gè)裝載工作循環(huán)中，回轉(zhuǎn)啟動(dòng)和制動(dòng)各一次，而每次回轉(zhuǎn)制動(dòng)均會(huì)產(chǎn)生高壓溢流，這些溢流的能量都轉(zhuǎn)化為了熱能，據(jù)統(tǒng)計(jì)，回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量約占液壓系統(tǒng)總發(fā)熱量的30%～40%[2]。實(shí)際馬達(dá)在卸載后回轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)也產(chǎn)生溢流，因此一個(gè)工作循環(huán)中，回轉(zhuǎn)馬達(dá)溢流三次，因?yàn)橐缌鲏毫^高，因此也具有回收利用的價(jià)值。

動(dòng)臂勢(shì)能可回收能量，與計(jì)算動(dòng)臂油缸利用能量的方法相同，可以通過(guò)動(dòng)臂下降時(shí)油缸無(wú)桿腔的壓力和流量乘積的積分求出，結(jié)果為166kJ，占主泵輸出能量的17.7%。回轉(zhuǎn)溢流能量可以通過(guò)溢流壓力與溢流流量乘積的積分求出，計(jì)算三次馬達(dá)溢流能量為86kJ，占主泵輸出能量的9.2%。液壓系統(tǒng)可回收能量占主泵輸出能量的26.9%。對(duì)于動(dòng)臂可回收能量，如果挖掘深度加深，動(dòng)臂油缸位移增大，則可回收能量響應(yīng)增加，本計(jì)算中動(dòng)臂油缸位移約占總行程的50%。

3 液壓系統(tǒng)節(jié)能措施

根據(jù)以上分析，挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)節(jié)能的措施有兩方面，一是提高液壓系統(tǒng)的效率，減少溢流、節(jié)流和泄露損失等；二是對(duì)能量進(jìn)行回收利用。

提高液壓系統(tǒng)的效率方面，許多挖掘機(jī)動(dòng)臂或斗桿回路采用了再生回路，如川崎公司KMX多路閥的斗桿回路中，有桿腔的液壓油通過(guò)一個(gè)內(nèi)置的單向閥進(jìn)入無(wú)桿腔，從而實(shí)現(xiàn)回油再利用。對(duì)于挖掘機(jī)正流量控制系統(tǒng)，可以采取圖1所示的方法，在回轉(zhuǎn)啟動(dòng)階段t2時(shí)間內(nèi)，合理控制主泵流量與回轉(zhuǎn)馬達(dá)需求流量相匹配，減少溢流量。

圖1 回轉(zhuǎn)啟動(dòng)階段主泵流量和馬達(dá)流量

對(duì)能量的回收利用方面，目前廣泛研究的基于能量回收的混合動(dòng)力系統(tǒng)可以將動(dòng)臂能量和回轉(zhuǎn)能量進(jìn)行回收利用。但是目前混合動(dòng)力系統(tǒng)的成本較高，性價(jià)比還有待優(yōu)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）在一個(gè)裝載工作循環(huán)中，液壓系統(tǒng)輸出能量被執(zhí)行元件利用約80.6%，損失19.4%。

（2）在動(dòng)臂油缸位移為其行程的50%左右時(shí)，挖掘機(jī)可回收能量約占液壓系統(tǒng)輸出能量的26.9%。

（3）挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的節(jié)能可以從提高液壓系統(tǒng)的效率和對(duì)能量進(jìn)行回收利用兩方面進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]裴磊.混合動(dòng)力挖掘機(jī)勢(shì)能回收系統(tǒng)的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2008.

[2]孔德文，趙克利，徐寧生，等.液壓挖掘機(jī)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.