一種用于挖掘機(jī)的液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

秦 沖

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000)

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一種用于挖掘機(jī)的液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

秦 沖

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000)

挖掘機(jī)在工作過程中制動(dòng)頻繁，能量損耗大，為了回收制動(dòng)回轉(zhuǎn)過程中的能量，設(shè)計(jì)了液壓混合動(dòng)力挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，利用蓄能器回收制動(dòng)能量，同時(shí)闡述了液壓混合動(dòng)力的工作原理，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究和分析.結(jié)果表明：液壓混合動(dòng)力降低了液壓泵的功率損耗和液壓馬達(dá)的壓力波動(dòng).在節(jié)能方面蓄能器的能量回收效率達(dá)到74.75%，達(dá)到了節(jié)能的目的.

液壓混合動(dòng)力；挖掘機(jī)；能量回收；試驗(yàn)研究

0 引言

液壓混合動(dòng)力主要的元件為儲(chǔ)能器，作為新興的動(dòng)力技術(shù)而適用于控制系統(tǒng)中，主要是靠液壓泵及馬達(dá)實(shí)現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)化.與傳統(tǒng)的混合動(dòng)力相比，該技術(shù)能夠提高功率、縮短能量轉(zhuǎn)換時(shí)間且具有很強(qiáng)的能量?jī)?chǔ)存功能.更重要的是若遇到多變載荷及復(fù)雜工況的時(shí)候能起到節(jié)能且減排的作用[1]51，所以，液壓混合動(dòng)力已作為國(guó)家所提倡的一門技術(shù)來使用，主要用于普通車輛及工程機(jī)械的控制系統(tǒng)上.經(jīng)統(tǒng)計(jì)，使用該項(xiàng)技術(shù)后，車輛及工程機(jī)械在工作過程中能源可節(jié)省28%～60%[2]101,[3]112.文章首先設(shè)計(jì)了一種挖掘機(jī)的液壓混合動(dòng)力控制方案，在此基礎(chǔ)上對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，為挖掘機(jī)行業(yè)的節(jié)能技術(shù)的進(jìn)一步提高提供了一定的理論依據(jù).

1 液壓混合動(dòng)力的原理

液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)主要由能量轉(zhuǎn)換元件(液壓泵/馬達(dá))和儲(chǔ)能元件(液壓儲(chǔ)能器)組成.在停車制動(dòng)的過程中，泵起到動(dòng)力源作用，把動(dòng)能轉(zhuǎn)化成液壓能，實(shí)現(xiàn)液壓油壓入蓄能器；在系統(tǒng)啟動(dòng)或者速度增加時(shí)，在馬達(dá)的作用下，蓄能器中的液壓油將進(jìn)行釋放，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)工作，又實(shí)現(xiàn)了液壓能與機(jī)械動(dòng)能的轉(zhuǎn)變.通過分析，液壓混合動(dòng)力主要有串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)的驅(qū)動(dòng)方式.串聯(lián)的工作狀態(tài)主要表現(xiàn)在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中有兩種或兩種以上的動(dòng)力源可同時(shí)或單獨(dú)提供動(dòng)力，而只有一種執(zhí)行元件驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作，這種連接方式由發(fā)動(dòng)機(jī)、主減速、液壓蓄能器和兩個(gè)液壓泵、馬達(dá)組成.原理如圖1所示.

圖1 串聯(lián)混合動(dòng)力挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)

并聯(lián)系統(tǒng)中可以有兩種或兩種以上的動(dòng)力源可同時(shí)或單獨(dú)提供動(dòng)力，且在此系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上相應(yīng)的執(zhí)行元件來同時(shí)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，此動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的組成部分為發(fā)動(dòng)機(jī)、主減速、液壓蓄能器和液壓泵/馬達(dá).原理如圖2所示.

圖2 并聯(lián)混合動(dòng)力挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)

2 混合動(dòng)力挖掘機(jī)液壓控制方案的制定

在通過對(duì)以上串聯(lián)和并聯(lián)液壓系統(tǒng)分析的結(jié)果表明，并聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式存在技術(shù)難度低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低廉等優(yōu)勢(shì)，所以本文采用的是并聯(lián)的驅(qū)動(dòng)方式.并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力一般可以認(rèn)為是普通液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和液壓能量再生系統(tǒng)的并聯(lián).液壓能量再生系統(tǒng)由一雙向且可逆的液壓泵/馬達(dá)和一個(gè)高壓蓄能器組成，高壓蓄能器存儲(chǔ)和釋放回轉(zhuǎn)剎車動(dòng)能[4]122.并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力由一智能型中央電子控制器，它將負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)和蓄能器之間的動(dòng)力切換、信號(hào)輸出以及回收剎車能量.液壓混合動(dòng)力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)如圖3所示.

圖3 液壓混合動(dòng)力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理圖1-變量液壓泵；2-先導(dǎo)泵；3-電磁比例減壓閥；4、8、9、13-壓力傳感器；6-操作手柄；7、17-溢流閥；10-控制器；11、15、23、24、28、29-單向閥；12、20、21-電磁比例調(diào)速閥；14-多路閥；16-負(fù)流量控制節(jié)流閥；18、19-液壓鎖；25-蓄能器；30-回轉(zhuǎn)馬達(dá)/泵

3 試驗(yàn)研究及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

本文所設(shè)計(jì)的挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，主要是通過動(dòng)力模式開關(guān)來選擇動(dòng)力模式，控制器在經(jīng)過控制信號(hào)輸入后有相應(yīng)的控制電流輸出，且根據(jù)所選擇的動(dòng)力模式不同，其輸出的控制電流值也有所不同.因此，在經(jīng)過電液比例壓力閥轉(zhuǎn)變后，其控制壓力的值也會(huì)發(fā)生變化.本文所研究的挖掘機(jī)的工作模式有：H模式為重載模式，S模式為標(biāo)準(zhǔn)模式，F(xiàn)C模式為輕載模式，D為獨(dú)立行走模式.本文的實(shí)驗(yàn)研究是讓挖掘機(jī)處于重載模式下進(jìn)行，也就是本文所說的H模式，其載重選擇是2×104kg，根據(jù)其工況標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，挖掘機(jī)工作的參數(shù)主要表現(xiàn)為：讓挖掘機(jī)在2×104kg的重載下連續(xù)挖掘5 min左右，且循環(huán)18次，可以根據(jù)其挖掘周期中的各參數(shù)量值來顯示其對(duì)應(yīng)的關(guān)系，從而反映出挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的整體情況.所得到的曲線圖如圖4、5、6所示.

圖4 連續(xù)挖掘液壓泵功率曲線

圖5 n1周期液壓系統(tǒng)輸出功率曲線

圖6 n2周期液壓系統(tǒng)輸出功率曲線

圖4為挖掘機(jī)連續(xù)挖掘時(shí)的液壓泵工作過程中的功率曲線，從中可以得出挖掘機(jī)在挖掘的過程當(dāng)中兩泵輸出功率基本保持一致.還能得出其中的主單泵的輸出功率大致為42 KW，而從圖4中還能看出雙泵輸出總功率大致為84 KW左右.在每個(gè)挖掘周期中的挖掘功率基本相同，且呈現(xiàn)周期性變化.通過分析單周期各階段功率變化可判斷各階段功率損耗，雙泵功率輸出情況等.選取整個(gè)挖掘周期中第n1周期、第n2周期的功率曲線進(jìn)行分析.從圖5第n1周期與圖6第n2周期單周期液壓系統(tǒng)輸出功率曲線來看，挖掘機(jī)在初始工作階段，其泵的輸出功率出現(xiàn)嚴(yán)重的抖動(dòng)，但當(dāng)滿載的動(dòng)臂提升回轉(zhuǎn)90°時(shí)其雙泵輸出功率處于穩(wěn)定狀態(tài)，斗桿、鏟斗卸載工況下系統(tǒng)輸出功率變化劇烈，空斗回程液壓系統(tǒng)輸出功率急劇下降.

3.2 系統(tǒng)控制效果分析

通過以上分析結(jié)果，根據(jù)挖掘機(jī)的工作過程，則其在制動(dòng)時(shí)，設(shè)蓄能器的工作壓力從p1升到p2，體積從v1下降到v2，蓄能器進(jìn)行制動(dòng)能量的回收，其回收的能量E1為外界對(duì)蓄能器內(nèi)氣體所做的功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律有：

(1)

由測(cè)試結(jié)果可知，蓄能器在制動(dòng)過程中的壓力和體積的變化如下：

p1=24.53MP p2=27.58MP

V1=8.46L V2=7.62L

將p1p2V1V2代入式(1),得蓄能器回收的能量為E1=18.56KJ

挖掘機(jī)在制動(dòng)過程中，由于回轉(zhuǎn)裝置慣性而損失的能量計(jì)算公式為：

(2)

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)液壓混合動(dòng)力的鏈接方式及工作情況設(shè)計(jì)了挖掘機(jī)的工作系統(tǒng)方案，論述了該系統(tǒng)的工作原理及工作情況，且對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究及分析，通過實(shí)驗(yàn)可以得到其在重載情況下泵的輸出功率情況，通過試驗(yàn)研究結(jié)果并通過計(jì)算可以得出：該液壓混合動(dòng)力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)在一定程度上降低了液壓泵的功率損耗和液壓馬達(dá)的壓力波動(dòng)；油液混合動(dòng)力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，蓄能器的能量回收效率達(dá)74.75%，達(dá)到了節(jié)能的目的.

[1] 姜繼海,趙春濤，孟兆生.二次調(diào)節(jié)靜液壓傳動(dòng)在城市公交車輛驅(qū)動(dòng)中的節(jié)能技術(shù)研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2001,12(03).

[2] 姜繼海.二次調(diào)節(jié)靜液壓傳動(dòng)閉環(huán)位置系統(tǒng)和PID控制[J].工程機(jī)械，2000(05).

[3] 張銀彩，苑士華，胡紀(jì)濱.城市公交車輛液壓節(jié)能裝置的研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007,38(06).

[4] 王冬云,潘雙夏，林 瀟，等.基于混合動(dòng)力技術(shù)的液壓挖掘機(jī)節(jié)能方案研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2009(01).

[責(zé)任編輯 梧桐雨]

Design of Hydraulic Control System for Excavator

QIN Chong

(SanmenxiaPolytechnic,Sanmenxia472000,China)

In the work process, the excavator brakes frequently with a result of big loss energy.The rotating system of hydraulic hybrid excavator is designed in order to recover the energy during braking. It uses the accumulator to recover the braking energy. And the experiment research and the analysis are carried on. The results show that the hydraulic hybrid power reduces the power loss of the hydraulic pump and the pressure fluctuation of the hydraulic motor. In the aspect of energy saving, the energy recovery efficiency reaches 74.75%, which achieves the purpose of energy saving.

hydraulic hybrid power; excavator; energy recovery; experimental study

2016-03-28

秦 沖(1982- )，男, 河南三門峽人，三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，主要從事機(jī)電控制工程研究。

1671-8127(2016)05-0063-04

TU621

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