超大型液壓挖掘機(jī)混合式動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真分析

李建松1,2，丁海港1，趙繼云1，秦家升，史繼江，王振興

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程裝備智能制造技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇 徐州 221140；3.徐州徐工礦山機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221000)

引言

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)礦山開采及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷向大型化方向發(fā)展，超大型液壓挖掘機(jī)的需求也日益旺盛。隨著國(guó)家對(duì)工程機(jī)械排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格和燃料價(jià)格的上漲，液壓挖掘機(jī)能量利用效率低的缺點(diǎn)引起了用戶和設(shè)備制造商的廣泛關(guān)注。據(jù)日本神鋼公司報(bào)道，傳統(tǒng)的液壓挖掘機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率只有大約20%轉(zhuǎn)化成了有用功，其中損失在液壓系統(tǒng)上的就達(dá)到了53%[1]。

以液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂為例，由于工作裝置質(zhì)量巨大，下放過程中需要釋放出大量的勢(shì)能。該能量大部分消耗在液壓閥節(jié)流口并轉(zhuǎn)換為熱能，造成了能量的浪費(fèi)和油液發(fā)熱，降低了液壓元件的壽命。在液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂、斗桿、鏟斗和回轉(zhuǎn)4個(gè)主要?jiǎng)幼髦芯蓄愃频哪芰坷速M(fèi)問題，且以動(dòng)臂所占的比重為最大，約為51%[2]。因此，研究動(dòng)臂勢(shì)能回收與再利用問題，對(duì)提高能量利用效率具有重要意義。目前，挖掘機(jī)的動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)主要有電力式和液壓式兩大類[3]。

電力式能量回收系統(tǒng)主要采用液壓馬達(dá)-發(fā)電機(jī)為能量轉(zhuǎn)化元件，蓄電池或超級(jí)電容為儲(chǔ)能元件，以實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換和回收。在國(guó)內(nèi)，王慶豐[4]最早開展了液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能電力式回收等關(guān)鍵技術(shù)方面的研究，并成功研制出20 t油電混合動(dòng)力挖掘機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)[5]。國(guó)外，日立建機(jī)的OCHIAI等[6]提出一種利用液壓馬達(dá)-發(fā)電機(jī)組合用于回收工程機(jī)械臂架重力勢(shì)能的方案。由于動(dòng)臂下放作業(yè)時(shí)間通常很短，較多的能量瞬時(shí)釋放使得功率較大，以致動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)通常需要裝機(jī)功率較大的液壓馬達(dá)和發(fā)電機(jī)。針對(duì)此問題，王慶豐等[7-8]開發(fā)了集合蓄能器的電力式回收方案。該系統(tǒng)在動(dòng)臂下放過程中，將動(dòng)臂勢(shì)能一部分轉(zhuǎn)換成電能存儲(chǔ)于超級(jí)電容，其余的先存儲(chǔ)于液壓蓄能器。當(dāng)下放動(dòng)作結(jié)束后，再將蓄能器的壓力油釋放出來繼續(xù)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)單元工作，從而實(shí)現(xiàn)回收過程的延續(xù)。

液壓式能量回收系統(tǒng)多采用蓄能器作為能量存儲(chǔ)元件，以壓力能的形式存儲(chǔ)能量。美國(guó)卡特彼勒Lars Bruun[9]提出了一種新型液壓式能量回收系統(tǒng)，并將其成功應(yīng)用于一臺(tái)50 t級(jí)液壓挖掘機(jī)上。據(jù)報(bào)道，與傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)相比，該系統(tǒng)動(dòng)臂上升過程的平均油耗降低了37%。利勃海爾公司[10]的專利中給出了一種利用平衡液壓缸回收挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能的方案。該方案中的平衡缸的無桿腔內(nèi)充有高壓氣體，充當(dāng)蓄能器的作用，從而無需外置蓄能器。山河智能公司[11]研制了增加1個(gè)液壓缸做為平衡缸的能量回收方案，并在SWE350ES等產(chǎn)品上進(jìn)行了應(yīng)用。據(jù)稱該方案在標(biāo)準(zhǔn)工況下可以降低燃油消耗18%。賀福強(qiáng)等提出了一種應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂勢(shì)能復(fù)合式再生系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以將動(dòng)臂的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能和壓力能兩種形式的能量[12]。仿真表明該系統(tǒng)對(duì)動(dòng)臂勢(shì)能回收效率最高可達(dá)47.33%。權(quán)龍等[13]提出了基于液壓蓄能器的挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能直接回收方案。針對(duì)不同噸位的機(jī)型，通過設(shè)置平衡缸或使用三腔液壓缸實(shí)現(xiàn)。動(dòng)臂下放時(shí)，利用與之直連的液壓蓄能器平衡動(dòng)臂的部分重力；動(dòng)臂提升時(shí)，液壓蓄能器輔助動(dòng)臂提升，減小對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的能量需求。根據(jù)試驗(yàn)，對(duì)于76 t和6 t挖掘機(jī)，可以分別達(dá)到49.1%和70.9%的能量回收效率。周華等[14]提出了利用三腔液壓缸和液壓蓄能器的挖掘機(jī)閉式液壓系統(tǒng)方案，仿真表明，該方案可以減小系統(tǒng)的功率和能量需求50%以上。

上述方法對(duì)于中小型液壓挖掘機(jī)容易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于超大型液壓挖掘機(jī)，由于工作裝置本身質(zhì)量大，慣性大，而且液壓缸流量非常大，以上方案進(jìn)行能量回收時(shí)現(xiàn)有的液壓或電氣元件無法滿足功率要求。目前，超大型挖掘機(jī)的最新的節(jié)能措施有動(dòng)臂流量再生方案[15]。流量再生通過減少液壓泵對(duì)動(dòng)臂液壓缸有桿腔的供油來實(shí)現(xiàn)節(jié)能。雖節(jié)省的流量較大，但動(dòng)臂下落時(shí)有桿腔壓力一般較低，所以節(jié)省的能量并不多[15]。

綜上所述，需要進(jìn)一步研究超大型液壓挖機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收再利用方式，以提高其能量利用效率。

1 混合式動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 現(xiàn)有系統(tǒng)分析

以某300 t超大型液壓挖掘機(jī)為例，動(dòng)臂液壓系統(tǒng)為電控正流量系統(tǒng)。執(zhí)行元件為2只液壓缸，動(dòng)力元件為4臺(tái)電比例液壓泵，4片電液比例多路閥分別與液壓泵對(duì)應(yīng)控制動(dòng)臂液壓缸的伸縮運(yùn)動(dòng)。圖1是簡(jiǎn)化后的動(dòng)臂液壓系統(tǒng)原理圖。動(dòng)臂舉升由電液換向閥3控制；動(dòng)臂下放由流量再生閥6控制，動(dòng)臂液壓缸4無桿腔油液一部分經(jīng)流量再生閥6流入有桿腔，其余流回油箱5。

分析圖1可知，動(dòng)臂下落時(shí)，因負(fù)載與動(dòng)臂液壓缸運(yùn)動(dòng)方向一致，需要流量再生閥6對(duì)動(dòng)臂液壓缸4無桿腔的回油進(jìn)行節(jié)流，從而形成足夠的背壓平衡動(dòng)臂的負(fù)載，防止動(dòng)臂失速。此處的節(jié)流損失能量來源于動(dòng)臂的重力勢(shì)能，并最終轉(zhuǎn)化為油液的熱能。

1.液壓源 2.單向閥 3.電液換向閥 4.動(dòng)臂液壓缸 5.油箱 6.流量再生閥圖1 現(xiàn)有動(dòng)臂液壓系統(tǒng)的簡(jiǎn)化原理

表1給出了動(dòng)臂液壓缸的主要參數(shù)。結(jié)合挖掘機(jī)三次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到電液換向閥的節(jié)流損失功率和能量，見表2。

表1 動(dòng)臂液壓缸主要參數(shù) mm

表2 三次動(dòng)臂下放試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

從表2中可知，動(dòng)臂下放時(shí)損失的能量非常大。回收和再利用這些能量，對(duì)于提高挖掘機(jī)的能量利用效率有重要意義。

1.2 提出系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為此，提出了一種流量再生與蓄能器回收相結(jié)合的混合式動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)，如圖2所示。在原有液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了以平衡缸和蓄能器相結(jié)合的能量回收單元。動(dòng)臂下放時(shí)，動(dòng)臂的重力主要由平衡液壓缸8來支撐，動(dòng)臂液壓缸4輸出力較小。具體的工作原理是：

(1) 勢(shì)能回收與流量再生：當(dāng)動(dòng)臂下放時(shí)，電液換向閥3不動(dòng)作，流量再生閥9的電磁鐵Y2a通電。平衡液壓缸8的活塞縮回，其腔體內(nèi)的油液流出至蓄能器7。平衡液壓缸8作為能量轉(zhuǎn)化元件，將動(dòng)臂的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為油液的壓力能。蓄能器7則作為能量存儲(chǔ)元件收集壓力能。同時(shí)，動(dòng)臂液壓缸4的活塞回縮，其無桿腔的流量進(jìn)入流量再生閥6后，一部分流入有桿腔，剩余流量回油箱5。動(dòng)臂液壓缸4的有桿腔不再需要液壓源供油，也就降低了系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率需求，節(jié)省了能量；

(2) 能量再利用：當(dāng)動(dòng)臂提升時(shí)，電液換向閥3工作在左位，液壓源1的油液經(jīng)單向閥2和電液換向閥3流入動(dòng)臂液壓缸4的無桿腔；動(dòng)臂液壓缸4有桿腔的油液經(jīng)電液換向閥3流回油箱5。同時(shí)，蓄能器7內(nèi)的壓力油進(jìn)入平衡液壓缸8，輔助動(dòng)臂液壓缸4提升動(dòng)臂。平衡液壓缸8提供了部分驅(qū)動(dòng)力，因此降低了對(duì)液壓源1的功率需求。

1.液壓源 2.單向閥 3.電液換向閥 4.動(dòng)臂液壓缸 5.油箱 6.動(dòng)臂 7.蓄能器 8.平衡液壓缸 9.流量再生閥 10.安全閥 11.補(bǔ)油單向閥 12.背壓?jiǎn)蜗蜷y圖2 混合式動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)原理

對(duì)圖2分析可知，蓄能器7對(duì)系統(tǒng)的操控性能和能量回收效率的影響最大。如果蓄能器的充氣壓力過大，可能造成過平衡現(xiàn)象；如果充氣壓力過小，則流量再生閥6上損失的能量太多，影響能量回收的效率。蓄能器的容積同樣對(duì)能量回收有很大的影響。

2 蓄能器關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

下面對(duì)蓄能器的充氣壓力和容積進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。根據(jù)波義耳定律：

(1)

式中，pa0為蓄能器的初始充氣壓力，Pa；Va0為蓄能器的原始體積，m3；pa1和pa2分別為蓄能器的最低和最高工作壓力，Pa；Va1和Va2分別為蓄能器在最低和最高工作下的氣體體積，m3。

蓄能器在工作時(shí)存儲(chǔ)或釋放的能量為：

(2)

式中，n為氣體的多變指數(shù)。因?yàn)閯?dòng)臂的提升和下放速度很快，可視為絕熱過程。此時(shí)，氣體多變指數(shù)n=1.4。

以存儲(chǔ)能量最多作為優(yōu)化目標(biāo)，有：

(3)

聯(lián)立式(2)和式(3)，得：

(4)

動(dòng)臂下放時(shí)，負(fù)載主要靠平衡液壓缸來承擔(dān)。設(shè)計(jì)的平衡液壓缸的尺寸與動(dòng)臂液壓缸相同。為了保證動(dòng)臂液壓缸有桿腔能順利補(bǔ)油，動(dòng)臂液壓缸的無桿腔必須保持一定的壓力，假定為2 MPa。結(jié)合動(dòng)臂液壓缸的參數(shù)和下文圖4測(cè)試壓力，計(jì)算得平衡液壓缸最大工作壓力為27 MPa。此即為蓄能器的最大工作壓力。結(jié)合式(4)，蓄能器最低工作壓力為8.4 MPa。為了延長(zhǎng)使用壽命，蓄能器充氣壓力通常比最低壓力低，取8 MPa。

平衡缸與蓄能器直接連接，所以蓄能器的容積應(yīng)該與平衡缸的容積相等。因動(dòng)臂油缸很少全行程運(yùn)動(dòng)，假設(shè)工作時(shí)行程系數(shù)為0.6，計(jì)算得蓄能器的工作容積為126.8 L。

根據(jù)式(1)，得蓄能器在兩種狀態(tài)下的氣體體積變化量，即工作容積Vw為:

(5)

可得蓄能器的初始容積V0=232.1 L。

本系統(tǒng)中選用皮囊式蓄能器。結(jié)合產(chǎn)品樣本，選用2個(gè)公稱容積125 L的蓄能器。

3 仿真及討論

為評(píng)價(jià)提出的能量回收系統(tǒng)的效果，建立系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。模型中，用1只液壓缸代替了2只動(dòng)臂液壓缸，但作用面積相同。根據(jù)前期試驗(yàn)[16]，在動(dòng)臂下降的過程中，動(dòng)臂液壓缸無桿腔的工作壓力較為穩(wěn)定，如圖4所示。仿真模型中使用此數(shù)據(jù)結(jié)合動(dòng)臂液壓缸尺寸計(jì)算動(dòng)臂的模擬負(fù)載。

圖3 AMESim仿真模型

圖4 動(dòng)臂油缸壓力測(cè)試曲線

3.1 蓄能器與平衡液壓缸間的容腔對(duì)系統(tǒng)的影響

蓄能器和平衡液壓缸間有管路連接，其容腔大小主要取決于管道的容積、平衡缸的容積和蓄能器的容腔。分別設(shè)置容腔為10 mL，1 L和100 L，模擬不同長(zhǎng)度的管路，動(dòng)臂液壓缸活塞位移變化情況如圖5所示。

圖5 不同容腔時(shí)動(dòng)臂液壓缸活塞位移曲線

從圖5中可以看出，隨著容腔的增大，平衡液壓缸運(yùn)動(dòng)速度變化很小?？紤]到挖掘機(jī)的空間有限，管路不會(huì)很長(zhǎng)，因此蓄能器和平衡液壓缸間容腔對(duì)動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)速度和系統(tǒng)能量回收的影響基本可以忽略不計(jì)。

3.2 蓄能器充氣壓力對(duì)能量回收的影響

隨著動(dòng)臂的下降，蓄能器內(nèi)油液增多，壓力會(huì)上升，過高將影響動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)速度。分別設(shè)置蓄能器的充氣壓力為6，8，10 MPa，研究蓄能器的能量存儲(chǔ)情況和動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)情況，如圖6所示。

圖6 不同充氣壓力對(duì)系統(tǒng)性能的影響

從圖6a中可以看出，蓄能器的充氣壓力對(duì)動(dòng)臂的下放速度影響較大，充氣壓力越高，動(dòng)臂下放時(shí)間越長(zhǎng)。從圖6b中可以看出，適當(dāng)提高蓄能器的充氣壓力不會(huì)影響其儲(chǔ)存油液的體積。因此，適當(dāng)提高充氣壓力可以使回收的能量增加，但是需要注意過大的充氣壓力會(huì)使平衡液壓缸承擔(dān)過多的負(fù)載，造成過平衡現(xiàn)象，這將影響能量回收。所以，要控制充氣壓力在合理范圍內(nèi)。

3.3 蓄能器體積對(duì)回收能量的影響

蓄能器的體積大小同樣會(huì)影響蓄能器在進(jìn)油后的壓力變化。因此，設(shè)置不同大小體積的蓄能器，分別為150，200，250，300 L，研究其對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和能量回收的影響。仿真結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，較大的蓄能器體積可以使動(dòng)臂下放的速度加快，但是增加的幅度較小。這是因?yàn)樾钅芷黧w積越大，其壓力在充液過程中變化越緩和，對(duì)動(dòng)臂下放的阻礙作用越小，但是，蓄能器對(duì)動(dòng)臂下放的平衡作用小，意味著回收能量減少。但蓄能器的體積太小，會(huì)造成蓄能器的壓力增大過快，甚至造成動(dòng)臂無法正常下落，圖7中150 L對(duì)應(yīng)的曲線即是這樣的情況。這對(duì)系統(tǒng)的操控性造成了嚴(yán)重影響，應(yīng)舍棄。

圖7 蓄能器體積對(duì)系統(tǒng)性能的影響

具體的能量回收率計(jì)算見表3，從表3中可以看出，能量回收效率最高可達(dá)47.1%。效率隨著蓄能器體積的變大而迅速減小。這是因?yàn)槎嘤嗟哪芰肯脑诹髁吭偕y的閥口上。合理的減小蓄能器的體積，可以提高能量回收的效果，但是會(huì)對(duì)動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)速度造成影響，二者需要進(jìn)行平衡。

表3 能量回收效率

4 結(jié)論

針對(duì)某300 t超大型液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂勢(shì)能浪費(fèi)問題，提出了一種流量再生與蓄能器相結(jié)合的混合式動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)，建立了系統(tǒng)的仿真模型，得出以下結(jié)論：

(1) 混合式動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)與液壓式能量回收系統(tǒng)相比，在無需高壓油液輸入的情況下，實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂勢(shì)能的高效率回收，減少了對(duì)泵的流量需求，具有良好的節(jié)能效果；

(2) 增加的能量回收單元，尤其是蓄能器的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的操控性有較大影響，需要合理匹配蓄能器的體積、充氣壓力等參數(shù)。

增加的能量回收單元對(duì)于復(fù)合動(dòng)作等的影響，仍需進(jìn)一步的研究和分析。