挖掘機(jī)勢(shì)能回收節(jié)能系統(tǒng)的研究綜述

彭婧 李勝利 李曉艷 李若冰 楊彩虹 師曉寧

摘 要： 針對(duì)挖掘機(jī)動(dòng)臂下放時(shí)，大量勢(shì)能轉(zhuǎn)化為熱能損耗的問題，通過分析機(jī)械能、液壓能和電能三種不同的能量回收方式，確定系統(tǒng)節(jié)能的方案。用液壓馬達(dá)對(duì)下降的勢(shì)能進(jìn)行了回收，同時(shí)通過串、并聯(lián)的混合動(dòng)力方式，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油利用率。

關(guān)鍵詞： 挖掘機(jī)；勢(shì)能回收；燃油利用率

挖掘機(jī)是工程機(jī)械的一種主要類型，廣泛應(yīng)用在工業(yè)與民用建筑、交通運(yùn)輸?shù)鹊臋C(jī)械化施工中。液壓挖掘機(jī)由于其用量大、能耗高、排放差，已成為人們普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。因此，液壓挖掘機(jī)的能量損失己成為函待解決的問題[1]-[2]。

普通挖掘機(jī)在正常的工況下，15S之內(nèi)完成一個(gè)工作循環(huán)，每個(gè)循環(huán)中動(dòng)臂、斗桿、鏟斗等都有一次下降，其速度通過調(diào)節(jié)多路閥回油口的開度來控制，因此對(duì)這部分勢(shì)能進(jìn)行回收可帶來非?？捎^的節(jié)能效果。若不加以回收，在下降過程中產(chǎn)生的勢(shì)能除了小部分以動(dòng)能的形式繼續(xù)存在外，其余大部分將以熱能的形式耗散。同時(shí)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)比較頻繁，而且各運(yùn)動(dòng)部件慣性都比較大，減速制動(dòng)時(shí)會(huì)釋放出大量的能量。這些熱量會(huì)帶來液壓系統(tǒng)的發(fā)熱問題，并對(duì)系統(tǒng)中的元器件形成一定程度的破壞[3]-[4]。因此研究挖掘機(jī)的能量回收問題對(duì)延長挖掘機(jī)的壽命、提高挖掘機(jī)能量的利用率具有重大意義。

1 能量回收的主要形式

在液壓系統(tǒng)中能量回收方式可分為機(jī)械能、液壓能和電能三種形式。

1.1機(jī)械能回收方式

機(jī)械能回收方式出現(xiàn)的較早，常用的有重力式、彈簧式和飛輪式。液壓驅(qū)動(dòng)的升降式工作臺(tái)可采用重力式能量回收方式。該回路中兩液壓缸采用完全相同的規(guī)格，主缸驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)工作，其重量根據(jù)主缸的負(fù)載進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)工作臺(tái)下降時(shí)，把工作臺(tái)的勢(shì)能傳遞給配重塊；工作臺(tái)上升時(shí)，配重塊勢(shì)能又傳遞給工作臺(tái)，回收的勢(shì)能降低了系統(tǒng)的供油壓力，節(jié)省了能量。液控單向閥防止在兩缸負(fù)載不匹配的情況下出現(xiàn)超速下滑的現(xiàn)象[5]。重力式能量回收裝置通常不適用在行走機(jī)械上，常見的有曲柄平衡式抽油機(jī)和部分液壓電梯。

彈簧的儲(chǔ)能能力差，長時(shí)間工作容易發(fā)生疲勞斷裂，很少用于能量回收，常用于減振、隔振等功能。飛輪式儲(chǔ)能基本工作原理是將回收能量轉(zhuǎn)換為飛輪高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能，當(dāng)系統(tǒng)外負(fù)載增加需要?jiǎng)恿υ龃髸r(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪又將存儲(chǔ)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的動(dòng)力。因此飛輪不適用于挖掘機(jī)的能量回收，通常用于改善柴油機(jī)、汽輪機(jī)的工作狀態(tài)。

1.2液壓能回收方式

常用的液壓能回收方式是回收的勢(shì)能以液壓能的形式儲(chǔ)存在蓄能器中。二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)技術(shù)是近年來新發(fā)展起來的節(jié)能系統(tǒng)，工作于恒壓網(wǎng)絡(luò)的壓力耦聯(lián)系統(tǒng)，能在四個(gè)象限內(nèi)工作，回收利用系統(tǒng)的重力勢(shì)能。在恒壓網(wǎng)絡(luò)中，通過調(diào)節(jié)二次元件（液壓泵/馬達(dá)）斜盤傾角來改變二次元件的排量以適應(yīng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化。當(dāng)二次元件工作于馬達(dá)工況時(shí)，向負(fù)載輸出功率；當(dāng)二次元件工作于泵工況時(shí)，向系統(tǒng)回饋能量，從而實(shí)現(xiàn)能量的回收和利用。叉車負(fù)載升降的動(dòng)作靠液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，采用液壓恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)技術(shù)對(duì)負(fù)載勢(shì)能進(jìn)行回收，構(gòu)成新的液壓系統(tǒng)，原理圖如圖2所示。在負(fù)載下降過程中，液壓泵/馬達(dá)以馬達(dá)的狀態(tài)工作，將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為液壓能，經(jīng)過液壓變壓器調(diào)壓后被高壓蓄能器最大程度吸收。蓄能器在負(fù)載上升工況時(shí)提供輔助動(dòng)力，協(xié)助實(shí)現(xiàn)動(dòng)力源、液壓系統(tǒng)與負(fù)載間的功率匹配[7]。

1溢流閥 2低壓蓄能器 3液壓變壓器 4單作用液壓缸 5高壓蓄能器 6雙作用液壓缸 7電液伺服閥 8工控機(jī) 9二位三通換向閥 10變量液壓泵/馬達(dá) 11定量液壓泵 12濾油器

圖1 叉車勢(shì)能回收系統(tǒng)原理圖

采用二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)技術(shù)進(jìn)行勢(shì)能回收，這類解決方案適宜在叉車、立體車庫這類垂直提升機(jī)械中應(yīng)用，對(duì)挖掘機(jī)這一工況復(fù)雜的工程機(jī)械來講不適用。

皮囊式蓄能器皮囊的充氣閥為單向閥的形式，，在液壓系統(tǒng)中屬于危險(xiǎn)部件。因此液壓式能量回收在工況復(fù)雜的挖掘機(jī)上也不適用。

1.3電能回收方式

挖掘機(jī)的電能回收方式是把回收的能量通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能的一種能量回收方式，其中一種是回收的電能經(jīng)處理后反饋給電網(wǎng)，另一種是回收的電能儲(chǔ)存在電池或電容等儲(chǔ)能元件中。

某些大型礦山液壓挖掘機(jī)采用固定的安裝方式，其動(dòng)力來自于工業(yè)電網(wǎng)，工作時(shí)回收的重力勢(shì)能和慣性能以電網(wǎng)作為儲(chǔ)能場所，省去了儲(chǔ)能元件。這種能量回收方式由于受電網(wǎng)的限制，不適于行走式的挖掘機(jī)上使用。

近年來隨著電池和電容器技術(shù)的發(fā)展，以電池和電容器作為儲(chǔ)能元件的能量回收技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在電動(dòng)汽車領(lǐng)域。針對(duì)工程機(jī)械高油耗和排放差的嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí)，混合動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展是刻不容緩的?；旌蟿?dòng)力技術(shù)是指通過兩種不同動(dòng)力源的聯(lián)合工作，使其充分發(fā)揮各自的優(yōu)越性以提高能量的利用率，在挖掘機(jī)上常用的有油電混合動(dòng)力和油液混合動(dòng)力。浙江大學(xué)的張彥廷提出了用馬達(dá)回收并聯(lián)混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)臂和斗桿勢(shì)能儲(chǔ)存在超級(jí)電容中的方案，系統(tǒng)原理圖如圖4所示[6]。在并聯(lián)混合動(dòng)力的基礎(chǔ)上采用變量馬達(dá)能量回收可以獲得更好的節(jié)能效果，更低的排放和更低的發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)功率。挖掘機(jī)運(yùn)行環(huán)境惡劣，混合動(dòng)力技術(shù)對(duì)各主要部件的設(shè)計(jì)、制造、安裝提出了更高的要求，同時(shí)動(dòng)力源各部件之間存在協(xié)調(diào)控制問題。

圖2 變量馬達(dá)控制能量回收系統(tǒng)

2 總結(jié)

結(jié)合挖掘機(jī)工況復(fù)雜的這一工況，通過對(duì)機(jī)械能、液壓能、電能幾種能量回收方式的分析比較，確定采用電能回收方式對(duì)挖掘機(jī)動(dòng)臂下降的勢(shì)能進(jìn)行回收，選用具有快速充放電功能的超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件。對(duì)挖掘機(jī)動(dòng)臂下降的勢(shì)能進(jìn)行了回收利用，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油利用率，能較好的達(dá)到節(jié)能目的，對(duì)挖掘機(jī)的節(jié)能研究有指導(dǎo)意義■

參考文獻(xiàn)

[1] 同濟(jì)大學(xué).單斗液壓挖掘機(jī)（第二版） [M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1986

[2] 任小青.液壓挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展綜述[J].機(jī)床與液壓，2009，37（8）：248-250.

[3] 張樹忠，鄧斌，曹學(xué)鵬，李磊.挖掘機(jī)動(dòng)臂流量再生與勢(shì)能回收節(jié)能系統(tǒng)研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2010，29（7）：926-930.

[4] 張彥廷，王慶豐，肖清.混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)液壓馬達(dá)能量回收的仿真及試驗(yàn)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43（8）：218-223.

[5] 吳向東，安維勝.液壓系統(tǒng)的能量回收方法[J].液壓與氣動(dòng)，2001，12：16-17.

[6] 張彥廷.基于混合動(dòng)力與能量回收的液壓挖掘機(jī)節(jié)能研究[D].浙江大學(xué)博士學(xué)位論文，2006.