挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)節(jié)能控制的分析研究

江蘇省交通工程集團(tuán)有限公司 渠國良

挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)節(jié)能控制的分析研究

江蘇省交通工程集團(tuán)有限公司 渠國良

本文研究的液壓挖掘機(jī)的能量損失分析，通過分析對比兩種基礎(chǔ)不同的節(jié)能控制方案從而可知節(jié)能的優(yōu)劣。挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用首先可以提高能源利用率，降低燃料費(fèi)用；另外也要求發(fā)動(dòng)機(jī)工作更高效，最大化發(fā)揮其性能。如此以來，開發(fā)出挖掘機(jī)液村系統(tǒng)的節(jié)能控制可更好地實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)液壓挖掘機(jī)的市場競爭力有十分重要的意義。

挖掘機(jī)；液壓系統(tǒng)；節(jié)能控制；動(dòng)力

引言

液壓挖掘機(jī)系統(tǒng)包括電源系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、行走系統(tǒng)，各系統(tǒng)采用不連續(xù)的戰(zhàn)略進(jìn)行組建，通過改變挖掘機(jī)的位置和狀態(tài)的調(diào)整實(shí)現(xiàn)諸如采礦作業(yè)、土方開挖等一系列的工程作業(yè)。然而該系統(tǒng)具有一些能源消耗和無功功率損失的存在，據(jù)此筆者試圖從其能源損耗要點(diǎn)分析，從而提出合理的節(jié)能方案，并透過與現(xiàn)有系統(tǒng)對比，進(jìn)一步提出節(jié)能液壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。以期減少液壓挖掘機(jī)的能源浪費(fèi)，為打造綠色、低碳建設(shè)出謀獻(xiàn)策。

1.挖掘機(jī)的能耗分析

由于大范圍使用挖掘機(jī)，據(jù)統(tǒng)計(jì)全球有65%到70%的土渣經(jīng)其處理的，這使得挖掘機(jī)用途廣泛在各種各樣的工程項(xiàng)目中應(yīng)用。但由于大挖掘機(jī)前期設(shè)備質(zhì)量可移動(dòng)的能量臂在工作時(shí)產(chǎn)生能量損失和損耗內(nèi)能致液壓機(jī)構(gòu)被轉(zhuǎn)換成油溫不斷升高，從而使挖掘機(jī)運(yùn)作的效率急劇下降，同時(shí)對挖掘機(jī)的使用期限產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致挖掘機(jī)的燃料消費(fèi)高，劣質(zhì)差排尾氣，這已經(jīng)導(dǎo)致了挖掘機(jī)產(chǎn)業(yè)的廣泛的重視。

某機(jī)械公司作出以下的統(tǒng)計(jì)數(shù)字對能源利用的液壓挖掘機(jī)能量利用公布(見圖1)：大型挖掘機(jī)只有20%利用的能源。說明能耗不完全被利用，大部分的能量損失在液壓系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)的能源利用率僅約30% 它也是一項(xiàng)重要導(dǎo)致挖掘機(jī)低效率的主要原因。

圖1 大型液壓挖掘機(jī)能量利用分布

對液壓機(jī)構(gòu)共同的現(xiàn)象的能源消耗分析，主要在以下幾點(diǎn)：

(1) 溢出損耗。挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的溢出現(xiàn)象通常是由過載條件引起的。當(dāng)泵的壓力超過設(shè)計(jì)壓力的安全閥時(shí)，溢出現(xiàn)象會(huì)引在液壓系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)滲漏，從而引發(fā)損耗。

(2) 沿程損失。即沿油路受阻力所產(chǎn)生的損耗。由于粘滯摩擦對壓力的損失，這是不可避免的，但可以減少，通過設(shè)計(jì)管道的壓力損失和優(yōu)化工作；

(3) 匹配的損失。由于負(fù)載損耗，在挖掘機(jī)的操作作業(yè)時(shí)迅速頻繁變壓，特別是小裝載，并且在高速下運(yùn)作的損害更大，通過設(shè)計(jì)可行的快速反應(yīng)模型來控制損害，如負(fù)載敏感系統(tǒng)；

(4) 動(dòng)能和潛在勢能損耗。在動(dòng)能和潛在的能源損失發(fā)生在操作挖掘機(jī)的臂操作和操作的鏟斗桿的反應(yīng)、特別是大型挖掘機(jī)，由于臂質(zhì)量過大和較笨重的情況下，并且它的動(dòng)能和慣性表現(xiàn)是在過大的情況時(shí)出現(xiàn)，如此針對這點(diǎn)作好節(jié)能的改造措施是十分有意義的。

2.節(jié)能方案的提出

多年以來，技術(shù)人員為溢出損失存在于液壓機(jī)構(gòu)而大動(dòng)腦筋，同時(shí)對配比的損失和摩擦控制電路和新的組分的損失等都設(shè)計(jì)很多新型減耗元件，明顯的節(jié)能作用得到推廣。分析動(dòng)態(tài)機(jī)臂勢能的新的節(jié)能計(jì)劃。

2.1 系統(tǒng)原理

圖2是一個(gè)新節(jié)能型液壓回路系統(tǒng)。計(jì)劃的能量恢復(fù)原理是：當(dāng)動(dòng)臂下降無桿腔由電機(jī)2，液壓變壓器驅(qū)動(dòng)變量泵3，液壓油流通過單向閥 9 到蓄能器20，液壓缸的液壓油流量20存儲(chǔ)動(dòng)臂下降勢能。動(dòng)臂下降速度反過來由液壓泵2，信號(hào)控制電機(jī)調(diào)速，通過控制系統(tǒng)的位移、 控制轉(zhuǎn)動(dòng)的速度的液壓泵2，從而達(dá)到調(diào)節(jié)液壓泵2位移的目的。然后控制臂下降的速度。此外，非有桿腔的液壓油流動(dòng)具有蓄熱式閥26，回有桿腔形成流率再生，達(dá)到節(jié)約能源的目的。

圖2 新節(jié)能方案原理圖

2.2 與現(xiàn)有系統(tǒng)比較

分別建立現(xiàn)有系統(tǒng)的AMESim模型，見下圖3所示：

圖3 現(xiàn)有的液壓系統(tǒng)原理圖

圖4 新舊系統(tǒng)方案節(jié)能對比

以上說到的新系統(tǒng)與舊系統(tǒng)的方案中，為作出有價(jià)值的對比，現(xiàn)設(shè)計(jì)基本要求如下：(1)設(shè)蓄能器初始?jí)簭?qiáng)和體積都設(shè)置為80Mpa和10L。(2)定位馬達(dá)和泵的效率設(shè)置為0.8，容積為0.85。(3)模擬10s時(shí)長，時(shí)間步長為0.1s，加載相同的條件后兩者分別對比如圖4所示。

通過模擬對比分析，我們可以看到圖4新舊系統(tǒng)的差異，新系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能可以滿足的液壓缸運(yùn)動(dòng)顯示兩個(gè)系統(tǒng)的能耗，同時(shí)要求，清楚地看到，新系統(tǒng)節(jié)能效果優(yōu)于現(xiàn)有的系統(tǒng)。雖然速度控制并無多大改進(jìn)，便節(jié)能效果是很明顯的。此外，新系統(tǒng)使用能量恢復(fù)環(huán)路控制速度的移動(dòng)的手臂，以避免油門閥可以調(diào)整移動(dòng)的手臂，可以導(dǎo)致油溫急劇升高，上漲的速度的現(xiàn)象。液壓元件的使用壽命，提升效率。

新的系統(tǒng)提出的基礎(chǔ)上使現(xiàn)有的流量再生循環(huán)，在原挖掘機(jī)上增加了能量回收電路板，通過對這種系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和模擬AMESim 的分析和仿真結(jié)果與原來電路對比，新的電路板能源的利用率增加了15% 比原來的系統(tǒng)有良好的節(jié)能效果。

3.液壓節(jié)能技術(shù)的發(fā)展趨勢

伴隨之機(jī)械業(yè)發(fā)展，大量數(shù)字技術(shù)集成到液壓系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)和軟件技術(shù)當(dāng)中，液壓系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)的方向發(fā)展，節(jié)能、高性能、高穩(wěn)定、高效率越加受到重視，發(fā)展形勢的液壓系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)在國內(nèi)和國外趨勢如下：

(1)開發(fā)新的混合動(dòng)力系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用挖掘機(jī)，如：電力驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力。

(2)高精度控制注入新的液壓系統(tǒng),減少液壓元件的液壓油泄漏,提高組件的使用壽命。

(3)改善傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)與電氣控制技術(shù)相結(jié)合，減少節(jié)流損失,避免溢流損失和損失范圍的壓力。

(4)采用更先進(jìn)的控制方法，提高控制精度。

(5)電源輸出功率控制更智能，和電源的輸出功率和工作條件是由電子控制系統(tǒng)控制的最佳匹配。

(6)提高液壓油的清潔能力和冷卻液壓油的溫度。

(7)采用新材料降低前端工作設(shè)備帶來的重力勢能，減少能源消耗程度。

4.結(jié)論

分析液壓機(jī)構(gòu)的可能的能源消耗，分別從液壓元件和國內(nèi)外先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)作研究，瞄準(zhǔn)能源消耗問題，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)關(guān)于節(jié)能技術(shù)開發(fā)方向，以很大數(shù)量的計(jì)算機(jī)元素的綜合化到挖掘機(jī)的節(jié)能技術(shù)里，使效率技術(shù)不僅現(xiàn)在達(dá)到了能量守恒的目的。更多關(guān)注給予改進(jìn)液壓機(jī)構(gòu)的整體表現(xiàn)。

[1]朱傳寶,涂曉丹,鄧園．液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)研究[J]．建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理,2011,05:109-112．

[2]車明哲,修餛,梁東偉．混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)節(jié)能液壓系統(tǒng)仿真分析[J]．冶金設(shè)備,2012,(1):1-5．

[3]郭再泉,黃麟,黃壁．基于專家系統(tǒng)模糊PID控制的液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制研究[J]．液壓與氣動(dòng),2012, (11):54-56．

[4]李培,杜永良,韓雪,等．液壓挖掘機(jī)液壓控制系統(tǒng)分析[J]．建筑機(jī)械,2011,(9):118-121, 23．

[5]吳文海,柯堅(jiān),李培,等．液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂節(jié)能系統(tǒng)分析[J]．機(jī)床與液壓,2013,(1):45-50．