裝載機(jī)節(jié)能液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏　偉， 李訓(xùn)明， 曲金玉

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院， 山東 淄博 255049)

裝載機(jī)節(jié)能液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏偉， 李訓(xùn)明， 曲金玉

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院， 山東 淄博 255049)

摘要：針對(duì)現(xiàn)有裝載機(jī)在循環(huán)作業(yè)工況下燃油消耗量大、能源利用率低以及無法回收動(dòng)臂下降時(shí)的勢(shì)能等問題，提出一種可回收動(dòng)臂勢(shì)能的裝載機(jī)液壓節(jié)能系統(tǒng).介紹了該系統(tǒng)的工作原理及不同工作模式下的運(yùn)行狀況，建立了動(dòng)臂下降時(shí)能量回收的數(shù)學(xué)模型，并用Simulink進(jìn)行了仿真.仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)能改善裝載機(jī)的工作效率，減少燃油消耗和排放.

關(guān)鍵詞：節(jié)能；液壓系統(tǒng)；工作模式；設(shè)計(jì)

輪式裝載機(jī)作為一種重要的工程機(jī)種，具有機(jī)動(dòng)靈活、操作簡(jiǎn)單、效率高等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域[1].國內(nèi)現(xiàn)有的裝載機(jī)無法回收動(dòng)臂下降時(shí)的重力勢(shì)能，且存在油耗高、裝載作業(yè)效率低等不足[2-3]，為了解決以上問題，本文提出一種新的裝載機(jī)節(jié)能液壓系統(tǒng).

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求

在確保系統(tǒng)工作安全的前提下，設(shè)計(jì)了一套能量回收再生裝置.該裝置需要滿足以下條件：

(1) 在裝載機(jī)動(dòng)臂下降的過程中，能夠?qū)⒃摬糠种亓?shì)能回收，通過液壓儲(chǔ)能的方式儲(chǔ)存在蓄能器中.液壓儲(chǔ)能方式具有功率密度大，能量保存時(shí)間較長(zhǎng)，工作性能可靠的優(yōu)點(diǎn)[4]，可以滿足裝載機(jī)作業(yè)過程中頻繁舉升下降的要求.

(2) 在裝載機(jī)動(dòng)臂上升的過程中，儲(chǔ)存在蓄能器中的能量釋放，與動(dòng)臂舉升主油路一起作用，減少此動(dòng)作過程中的發(fā)動(dòng)機(jī)功率消耗，提高作業(yè)效率.

(3) 不改變?cè)醒b載機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，便于裝載機(jī)的改裝.

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1節(jié)能液壓系統(tǒng)組成及原理圖

節(jié)能液壓系統(tǒng)主要由液壓泵、蓄能器、低壓閉式油箱、動(dòng)臂油缸及液壓控制單元組成，如圖1所示.其中，液壓泵用于將機(jī)械能裝換為液體的液壓能，蓄能器用于實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)，動(dòng)臂油缸是該系統(tǒng)的執(zhí)行器，用于執(zhí)行控制單元的各項(xiàng)功能[5].

液壓控制單元是該液壓系統(tǒng)的核心部分，用于實(shí)現(xiàn)能量回收、儲(chǔ)存和釋放的液壓控制.該單元集成有第一單向閥2、第二單向閥9、第三單向閥7、第一安全閥13、第二安全閥10、第三安全閥8、壓力傳感器16、第一電磁換向閥1、第二電磁換向閥3、第一電磁比例換向閥4、第二電磁比例換向閥5、第三電磁比例換向閥11、第四電磁比例換向閥12.

1.第一電磁換向閥;2.第一單向閥;3.第二電磁換向閥;4.第一電磁比例換向閥;5.第二電磁比例換向閥;6.液壓控制單元;7.第三單向閥;8.第三安全閥;9.第二單向閥;10.第二安全閥;11.第三電磁比例換向閥;12.第四電磁比例換向閥;13.第一安全閥;14.動(dòng)臂油缸;15.蓄能器;16.壓力傳感器;17.轉(zhuǎn)斗油缸;18.低壓閉式油箱;19.濾油器;20.液壓泵

圖1節(jié)能液壓系統(tǒng)原理圖

該裝載機(jī)液壓系統(tǒng)可用于液壓混合動(dòng)力輪式裝載機(jī).相對(duì)于電蓄能，液壓蓄能具有功率密度大、可靠性高、容易實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)等優(yōu)異的性能.該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)裝載機(jī)工作的多種模式[6-7].

2.2節(jié)能液壓系統(tǒng)的工作原理

本文中裝載機(jī)節(jié)能液壓系統(tǒng)可以分為動(dòng)臂下降時(shí)的勢(shì)能回收和動(dòng)臂舉升時(shí)的能量釋放兩種工作過程.在工作過程中，當(dāng)動(dòng)臂舉升時(shí)，液壓控制單元?jiǎng)幼?，液壓油?5流出，與此同時(shí)，來自18的液壓油與從15流出的液壓油合流，經(jīng)過4的P4、A4口進(jìn)入14的無桿腔，使動(dòng)臂舉升過程中在不增加發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的情況下，加速動(dòng)臂舉升速度，提高裝載效率，14的有桿腔內(nèi)油液在油缸活塞的作用下，經(jīng)過4的B4、T4口以及液壓控制單元回油口6b流回18；當(dāng)動(dòng)臂下降時(shí)，液壓控制單元?jiǎng)幼?，液壓油?8流出，經(jīng)過5的A5、P5口進(jìn)入14的有桿腔，而14的無桿腔內(nèi)液壓油在油缸活塞的作用下，經(jīng)過5的B5、T5口一部分流回18，另一部分流至15內(nèi)，使15內(nèi)氣體壓力升高，從而可以將動(dòng)臂下降過程中的重力勢(shì)能以氣體壓力勢(shì)能的方式儲(chǔ)存在15中.

電磁比例換向閥不僅可以改變閥的工作液流動(dòng)方向，而且可以控制閥口的大小實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，具有換向和節(jié)流的復(fù)合功能.在換向的同時(shí)，能夠調(diào)節(jié)動(dòng)臂舉升和下降的速度，確保裝載機(jī)可以按要求控制動(dòng)臂舉升和下降的速度[8].

3系統(tǒng)的工作過程分析

該液壓系統(tǒng)包括動(dòng)臂舉升、動(dòng)臂下降、液壓泵卸荷三種工作過程.

3.1動(dòng)臂舉升過程

控制第一電磁比例換向閥4的電磁線圈4a通電電流，第一電磁比例換向閥的電磁線圈4a通電后，若蓄能器15的壓力大于16MPa，液壓油從蓄能器15流出，經(jīng)過第一電磁比例換向閥4的P4、A4油口進(jìn)入動(dòng)臂油缸14無桿腔，動(dòng)臂舉升速度可通過改變第一電磁比例換向閥4的電磁線圈4a的通電電流進(jìn)行調(diào)節(jié)；與此同時(shí)，第二電磁換向閥3通電，第二電磁換向閥3通電后將來自液壓泵20的液壓油經(jīng)單向閥2、第二電磁換向閥3的P3、T3油口、第一電磁比例換向閥4的P4、A4油口后，與從蓄能器15流出的液壓油合流，進(jìn)入動(dòng)臂油缸14的無桿腔，使動(dòng)臂舉升過程中在不增加發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的情況下，加速動(dòng)臂舉升速度，提高裝載效率.而動(dòng)臂油缸14有桿腔的油液在油缸活塞的作用下，依次通過第一電磁比例換向閥4的B4油口、T4油口進(jìn)入低壓閉式油箱18.

3.2動(dòng)臂下降過程

控制第二電磁比例換向閥5的電磁線圈5a通電電流，第二電磁比例換向閥的電磁線圈5a通電后，來自液壓泵20的液壓油經(jīng)過第二電磁比例換向閥5的P5、A5油口進(jìn)入動(dòng)臂油缸14有桿腔，而動(dòng)臂油缸14無桿腔的油液在油缸活塞的作用下，通過第二電磁比例換向閥5的B5油口、T5油口一部分進(jìn)入低壓閉式油箱18，另一部分進(jìn)入蓄能器15，使蓄能器15內(nèi)氣體壓力升高，從而可以將動(dòng)臂下降過程中的重力勢(shì)能以氣體壓力勢(shì)能的方式儲(chǔ)存在蓄能器15中.動(dòng)臂下降速度可通過改變第二電磁比例換向閥的電磁線圈5a的通電電流進(jìn)行調(diào)節(jié).

3.3液壓泵卸荷過程

當(dāng)裝載機(jī)既不工作在動(dòng)臂舉升過程又不工作在動(dòng)臂下降過程時(shí)，為防止液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)頻繁啟閉，第一電磁換向閥1的電磁線圈1a通電，液壓泵20的出油口流出的液壓油直接流回低壓閉式油箱18.

4能量回收建模與仿真

動(dòng)臂下降時(shí)，將重力勢(shì)能以氣體壓力勢(shì)能的方式儲(chǔ)存在蓄能器15中.控制蓄能器回收時(shí)的最大流量為5L/s，則由蓄能器氣體狀態(tài)方程得

(1)

V2=V1-5t

(2)

式中：n為多變系數(shù)，取1.4；P1為蓄能器初始?jí)毫Γ籚1為蓄能器中氣體的初始體積；P2為蓄能器最高工作壓力；V2為蓄能器最高工作壓力下的氣體體積；t為蓄能器體積變化的時(shí)間.

根據(jù)蓄能器實(shí)際回收能量公式[9]

(3)

由公式(1)，(2)，(3)得動(dòng)臂下降時(shí)蓄能器能量回收的Simulink模型如圖2所示.

圖2　蓄能器能量回收Simulink模型

以臨工5t輪式裝載機(jī)為例，其各項(xiàng)基本參數(shù)及其他元件參數(shù)見表1.

表1　基本參數(shù)

運(yùn)行Simulink模型，得到該過程蓄能器氣囊壓力和體積的變化曲線以及蓄能器實(shí)際回收能量的變化曲線(如圖3～圖5所示).

從圖5可知，蓄能器回收能量約1.5kJ.裝載機(jī)在動(dòng)臂下降的過程中是空斗的，其勢(shì)能約為6.06kJ，能量回收率為24.8%.裝載機(jī)在實(shí)際作業(yè)過程中動(dòng)臂會(huì)經(jīng)常性的舉升和下降，因此回收裝載機(jī)的動(dòng)臂勢(shì)能具有一定實(shí)際意義.回收能量的目的就是進(jìn)行再利用，當(dāng)裝載機(jī)動(dòng)臂舉升時(shí)，蓄能器作為輔助動(dòng)力源提供動(dòng)力，在不增加發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的情況下，不僅能提高燃油經(jīng)濟(jì)性，而且提高了工作效率.

圖3　蓄能器壓力變化曲線

圖4　蓄能器體積變化曲線

圖5　蓄能器回收的能量變化曲線

參考文獻(xiàn):

[1]石榮玲,趙繼云,孫輝.液壓混合動(dòng)力輪式裝載機(jī)節(jié)能影響因素分析與優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011,42(3):31-35.

[2]李東榮.輪式裝載機(jī)液壓儲(chǔ)能節(jié)能技術(shù)研究[D].淄博：山東理工大學(xué),2013.

[3]徐曉美,唐倩倩,王哲.混合動(dòng)力裝載機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].工程機(jī)械,2012,43(2):53-56.

[4]韓應(yīng)飛,谷立臣,李天文,等.輪式裝載機(jī)剎車能回收系統(tǒng)研究[J].工程機(jī)械,2011,42(10):19-23.

[5]呂其惠.裝載機(jī)液壓節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2013(8):60-63.

[6]嚴(yán)桃平.輪式裝載機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng),2011(8):67-68.

[7]李天宇,趙丁選,康懷亮,等.并聯(lián)式混合動(dòng)力裝載機(jī)的參數(shù)匹配[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版, 2013,43(4):916-921.

[8]SunH,JingJQ.Researchonthesystemconfigurationandenergycontrolstrategyforparallelhydraulichybridloader[J].AutomationinConstruction, 2010,19(2):213-220.

[9]吳文海,鄭輝,鄧斌,等.液壓挖掘機(jī)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究, 2013,29(1):114-117.

(編輯：郝秀清)

收稿日期：2014-06-09

作者簡(jiǎn)介：魏偉，男，weiweiygdx@163.com; 通信作者：曲金玉，男，qujinyu@sina.com

文章編號(hào)：1672-6197(2015)02-0057-04

中圖分類號(hào)：U415.51

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Thedesignonenergysavinghydraulicsystemofwheelloader

WEIWei,LIXun-ming,QUJin-yu

(SchoolofTransportationandVehicleEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China)

Abstract:In order to solve the problems such as large amount of fuel consumption, low utilization of existing wheel loader under cycle operation,and unable to recycle potential energy of the boom, we proposed an energy saving hydraulic system to recycle the potential energy of the boom. The working principle of the system was introduced, the different running states under different operating modes were analyzed, the mathematic model of the recycled energy when the boom going down was built,and then the process was simulated with Simulink. This system can improve the working efficiency of the wheel loader, and reduce the fuel consumption and emission.

Key words:energy saving; hydraulic system; working operation; design