融合流量再生的飛輪儲能挖掘機能量回收系統(tǒng)

(1.徐州工業(yè)職業(yè)技術學院 工程裝備智能制造技術研究開發(fā)中心， 江蘇 徐州 221140；2.中國礦業(yè)大學 機電工程學院， 江蘇 徐州 221116； 3.徐州徐工挖掘機械有限公司， 江蘇 徐州 221000)

引言

液壓挖掘機是工程建設中一種常見的工程機械，具有功率大、能量利用效率低的特點[1]。據(jù)報道，傳統(tǒng)的液壓挖掘機發(fā)動機輸出的功率只有大約20%轉化成了有用功，其中損失在液壓系統(tǒng)上的就達到了53%[2]。液壓挖掘機的動臂裝置質量巨大，因此有著較大的勢能。傳統(tǒng)挖掘機動臂下放過程中，勢能消耗在換向閥上并轉換為熱能，造成了能量的浪費和油液發(fā)熱。因此，研究挖掘機動臂勢能回收與再利用問題，對提高挖掘機的能量利用效率具有重要意義。按照能量的形式來劃分，能量回收系統(tǒng)主要有電氣式、液壓式和機械式等[3]。

關于電氣式能量回收系統(tǒng)的研究起步最早，有關的文獻也最多。電氣式能量回收系統(tǒng)利用液壓馬達-發(fā)電機為能量轉化元件，將挖掘機動臂液壓缸輸出的壓力能轉化為電能，最后以化學能或電能的形式存儲于蓄電池或超級電容中；使用時，能量反向傳輸實現(xiàn)能量再利用。此類研究最早源于日本，2001年，KANEZAWA Y等[4]開始了混合動力挖掘機械的研究工作。2004年，神鋼公司制造出世界上第一臺使用鎳氫電池作為儲能元件的油電混合動力挖掘機[5]。在國內，王慶豐等[6]最早開展了液壓挖掘機動臂勢能電氣式回收等關鍵技術方面的研究，并研制出20 t油電混合動力挖掘機試驗樣機。KYOUNG K A等[7]提出了一種將液壓馬達置于換向閥和動臂液壓缸的電氣式能量回收系統(tǒng)，在不同的工況下取得了33.8%～57.4%的節(jié)能效果。蓄電池具有儲能密度大的優(yōu)點，但是功率密度很低[8]且價格高，儲能狀態(tài)難以準確估計[9]，且深度充放電的循環(huán)壽命僅有1000～2000次[10]，難以滿足挖掘機動臂工作要求。超級電容的功率密度大，充放電速度快，但是儲能密度低，成本高昂[11]。這些都限制了電氣式能量回收系統(tǒng)的實際應用。

液壓式能量回收系統(tǒng)采用蓄能器作為能量存儲元件，以壓力能的形式存儲能量?？紤]到傳統(tǒng)挖掘機使用液壓傳動方式，液壓式能量回收方式較易與現(xiàn)有系統(tǒng)結合。譚賢文等[12]提出了一種使用蓄能器的液壓式能量回收系統(tǒng)，并將其應用于21 t液壓挖掘機。該系統(tǒng)可以將動臂提升的平均油耗降低12.5%。權龍等[13]提出了基于液壓蓄能器的動臂勢能直接回收方案。對于76 t和6 t挖掘機，分別通過增設平衡缸或使用三腔液壓缸實現(xiàn)，實現(xiàn)了49.1%和70.9%的能量回收效率。周華等[14]提出基于三腔液壓缸和液壓蓄能器的挖掘機閉式液壓系統(tǒng)方案。仿真表明，該方案可以節(jié)能50%以上。蓄能器的主要優(yōu)點是功率密度大，且價格較為便宜。然而，能量密度低的缺點使得其需要較大的安裝空間。

機械式能量回收系統(tǒng)主要利用旋轉的飛輪儲能?，F(xiàn)代的飛輪儲能的能量密度遠高于液壓儲能[15]，具有效率高、響應快、壽命長、儲能狀態(tài)易于監(jiān)測等優(yōu)點。目前，飛輪儲能已經(jīng)在可再生能源、電網(wǎng)調峰等很多領域取得了成功，尤其是回收車輛制動能量上。2014年，沃爾沃公司使用飛輪對乘用車制動能量進行回收，并將回收的能量用于加速過程。該系統(tǒng)可以在降低油耗25%[16]的同時，為車輛提供額外約60 kW的動力。飛輪儲能在工程機械方面的研究案例很少，如叉車[17]等。Ricardo在公司網(wǎng)頁上展示了一個關于使用飛輪儲能的輪式挖掘機照片[18]，但該網(wǎng)頁沒有提供關于該技術的詳細說明。

流量再生通過將動臂液壓缸差動連接，減少了液壓泵對動臂液壓缸有桿腔的供油來實現(xiàn)節(jié)能。雖節(jié)省的流量較大，但動臂下放時有桿腔壓力一般較低，所以節(jié)省的能量并不多[19]。

本研究的目的在于，提供一種融合流量再生的機械式能量回收系統(tǒng)，以提高液壓挖掘機的能量利用效率。

1 系統(tǒng)原理

圖1為提出的融合流量再生的飛輪能量回收系統(tǒng)。為了突出能量回收系統(tǒng)，圖中省略了挖掘機原有的動臂液壓系統(tǒng)。該能量回收系統(tǒng)主要包括動臂液壓缸、液壓泵馬達、換向閥、飛輪等元件。本方案液壓泵馬達作為能量轉換元件，既可以工作泵模式下，又可以工作在馬達模式下。飛輪作為能量儲存元件，以機械能(動能)的形式存儲能力。該系統(tǒng)的工作原理為：

圖1 融合流量再生的飛輪能量回收系統(tǒng)

(1) 勢能回收：當動臂下放時，換向閥和流量再生閥均通電。動臂液壓缸形成差動連接，無桿腔內的部分油液經(jīng)流量再生閥進入有桿腔內；其余油液經(jīng)換向閥經(jīng)液壓泵馬達流回油箱。此時，液壓泵馬達工作馬達模式下，驅動飛輪加速旋轉。動臂的重力勢能轉化為飛輪旋轉的動能。動臂需要停止時，控制換向閥和流量再生閥斷電，動臂液壓缸停止運動。同時，液壓泵馬達排量回零位，飛輪將會繼續(xù)旋轉。為了避免能量損失，在液壓泵馬達與飛輪之間設置了離合器。為了防止液壓泵馬達吸空，設置了補油單向閥；

(2) 回收能量再利用：動臂提升時，控制換向閥得電。同時，調整液壓泵馬達工作在泵模式，T口為吸油口，P口為高壓油口。飛輪驅動液壓泵馬達旋轉，排出的油液經(jīng)換向閥，進入動臂液壓缸的無桿腔，推動其活塞桿伸出；其有桿腔的油液經(jīng)流量再生閥流回油箱。需要動臂停止時，控制換向閥斷電。同時，液壓泵馬達排量回零后停止對動臂液壓缸的無桿腔供油。

從能量的轉化形式看，該系統(tǒng)在勢能回收階段，能量經(jīng)歷了兩次轉化，即：動臂液壓缸將動臂勢能轉化成油液的壓力能，然后液壓泵馬達驅動飛輪旋轉將其轉化成機械能。在電氣式能量回收系統(tǒng)中，能量需要經(jīng)過4次轉化，即動臂勢能轉化成壓力能，然后由液壓馬達轉化成機械能輸出驅動發(fā)電機，發(fā)電機將機械能轉化成電能輸出，電能經(jīng)化學反應后以化學能的形式儲存在蓄電池中。單純從能量轉換次數(shù)看，減少能量轉化的次數(shù)有利于提高能量轉化效率。

2 關鍵元件參數(shù)匹配設計

以某4 t試驗用液壓挖掘機為例，進行相關元件的選型。

飛輪系統(tǒng)存儲的能量Ef為：

(1)

式中，Jf—— 飛輪(含軸等)的轉動慣量

ωf—— 飛輪的角速度

假設飛輪最高轉速nmax(r/min)，并認為動臂勢能全部被飛輪吸收，即E=Ef。初步設定飛輪最高轉速nmax=2000 r/min，其轉動慣量為：

(2)

在動臂的下放過程中，液壓泵馬達驅動飛輪一直處于加速狀態(tài)。在忽略液壓泵馬達的機械損失和回油口背壓的情況下，液壓泵馬達的輸出扭矩TM為：

(3)

式中，pM—— 液壓泵馬達入口的壓力

DM—— 液壓泵馬達的排量

液壓泵馬達和飛輪間的動力學方程為：

(4)

式中，ωf—— 飛輪的角速度

Bf—— 飛輪旋轉時的黏性阻尼系數(shù)

TL—— 飛輪的常值扭矩負載

動臂下放時，動臂液壓缸差動連接，假設流量再生閥的壓力損失可以忽略，認為兩腔壓力相等。對于動臂液壓缸，根據(jù)牛頓第二定律，有：

(5)

式中，F(xiàn)—— 動臂液壓缸活塞受到的力

p1—— 動臂液壓缸無桿腔內的壓力

A1，A2—— 分別為動臂液壓缸無桿腔和有桿腔的有效作用面積

v—— 動臂液壓缸活塞的運動速度

Bc—— 液壓缸活塞運動的阻尼系數(shù)

Ff—— 動臂液壓缸活塞上的摩擦力

M—— 動臂液壓缸活塞及活塞桿的質量

對于動臂液壓缸的無桿腔，其流量連續(xù)性方程為：

(6)

式中，V1—— 動臂液壓缸無桿腔容積

βe—— 液壓油有效體積彈性模量

q1—— 液壓缸無桿腔的流量

C1—— 動臂液壓缸的內泄漏系數(shù)

C2—— 動臂液壓缸無桿腔的外泄漏系數(shù)

對于動臂液壓缸的有桿腔，其流量連續(xù)性方程為：

(7)

式中，V2—— 動臂液壓缸有桿腔的容積

q2—— 動臂液壓缸有桿腔的流量

C3—— 動臂液壓缸有桿腔的外泄漏系數(shù)

為了簡化模型，忽略飛輪的黏性阻尼和常值負載，并假設飛輪的初始速度為0。故，任意t時刻飛輪的角速度ωf可以表示為：

(8)

根據(jù)試驗，動臂下放的時間多為3～5 s，取中間值t0=4 s。為便于液壓泵馬達的排量計算，設飛輪在處于勻加速狀態(tài)。聯(lián)立以上各式，得：

(9)

結合相關產(chǎn)品樣本資料[20]，選擇液壓泵馬達的排量為18 mL/r。

3 仿真結果與討論

為了驗證所設計的能量回收系統(tǒng)的可行性，同時評價其能量回收效果，建立系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。為了簡化仿真模型，在動臂下降的過程中，使用恒定負載作為動臂液壓缸的負載信號。主要仿真參數(shù)如表1所示。

圖2 仿真模型

表1 主要仿真參數(shù)

假設動臂單次循環(huán)位移為0.6 m，對動臂下放及提升的一個工作循環(huán)進行仿真分析。

3.1 動臂液壓缸活塞位移

動臂液壓缸活塞位移及兩腔的壓力仿真曲線如圖3所示。圖4給出了飛輪和液壓泵馬達的轉速仿真曲線。

圖3 動臂液壓缸活塞位移及壓力仿真曲線

圖4 飛輪與液壓泵馬達轉速仿真曲線

從圖3中可以看出，動臂液壓缸活塞初始位置為0.6 m。此時動臂液壓缸無桿腔壓力約為5.4 MPa，有桿腔無壓力。動臂液壓缸在1 s時刻開始回縮，約5 s時刻完全回縮。此期間，動臂液壓缸兩腔差動連接，壓力相等，約為16.7 MPa?？紤]到動臂液壓缸運動時的摩擦力影響，這與通過表1的參數(shù)計算相吻合。動臂開始運動的瞬間，兩腔突然連通，動臂液壓缸的有效作用面積突然減小，造成壓力劇烈波動，與實際情況相符。結合圖4，動臂下放過程中，飛輪加速，旋轉速度從零加速至約1700 r/min。這說明動臂勢能轉化成了飛輪的動能，實現(xiàn)了能量的回收。轉速與理論值有一定的差距，是摩擦損失、液壓泵馬達效率等造成的。從9 s時刻起，動臂液壓缸活塞桿伸出；約19 s時刻，動臂液壓缸停止運動。在此時間段內，飛輪轉速從大約1650 r/min降至0，見圖4。這說明飛輪旋轉的動能又再次轉化為動臂的勢能。這驗證了所設計的系統(tǒng)可以實現(xiàn)動臂勢能的回收與再利用。

從圖4中還可以看出，在大部分時候，液壓泵馬達的轉速與飛輪的轉速均一致，這是因為二者同軸連接。在5～7 s時間段內，二者轉速均有一定的下降，這是由飛輪及液壓泵馬達的摩擦損失導致的。在7～9 s時間段內，飛輪和液壓泵馬達的轉速出現(xiàn)了較大的不同，即前者仍保持與前一秒近似的速度衰減，而后者的轉速出現(xiàn)了大幅降低。這是因為在7 s時刻，離合器脫開了二者的連接。飛輪的轉速也在下降，但因為自身存儲的能量較多，表現(xiàn)為下降的幅度較小。而液壓泵馬達自身轉動慣量小，儲存的能量相對較少，所以轉速下降很快。但因此階段的仿真時間只有2 s，液壓泵馬達還沒有來得及完全靜止便又開始了下一階段的工作。液壓泵馬達的斜盤切換至負角度后，工作在泵模式下。9 s時刻，離合器吸合，飛輪作為動力源，驅動液壓泵馬達為系統(tǒng)提供能量，實現(xiàn)回收能量的再利用。

3.2 流量再生功能

圖5示出了動臂液壓缸的無桿腔和有桿腔流量，以及液壓泵馬達的流量曲線。因為流量再生功能僅在動臂下放階段起作用，所以僅顯示了此階段的數(shù)據(jù)。

圖5 流量仿真曲線

圖5的仿真曲線中，1～5 s內，動臂液壓缸無桿腔的流量正好等于有桿腔流量與液壓泵馬達流量之和。這說明流量再生功能可以正常實現(xiàn)，同時減小了進入液壓泵馬達的流量，從而減小了其型號。這與前面的理論分析和計算也是吻合的。動臂無桿腔和有桿腔的流量曲線波動甚至出現(xiàn)負值的原因與圖3中壓力波動的原因相同，都是兩腔瞬間連通引起的。壓力波動的同時伴隨著流量的波動。但是，液壓泵馬達的流量一直為正值。

注意到液壓泵馬達的流量在5 s后并沒有減為0。這是因為仿真中液壓泵馬達排量沒有及時回零，且仍在飛輪的帶動下繼續(xù)旋轉，結合圖4。此部分流量由補油單向閥補充。7 s時刻后，液壓泵馬達的擺角歸零，其流量也減少至0。可見，在實際的系統(tǒng)中，當動臂停止運動后，應盡快控制液壓泵馬達的擺角歸零，以防發(fā)生吸空現(xiàn)象。

3.3 液壓泵馬達排量對系統(tǒng)性能的影響

圖3的仿真曲線中，需要注意到動臂提升的時間很長。導致這個結果的原因至少有兩點：一是圖2所示的仿真模型中沒有包括挖掘機原有動力系統(tǒng)，因此了少了這部分流量；二是液壓泵馬達排量較小，不能快速釋放出飛輪中存儲的能量。液壓泵馬達是系統(tǒng)的能量轉化元件，其排量大小對系統(tǒng)的操控特性和節(jié)能特性均有很大的影響。理論上分析可知，同等條件下，液壓泵馬達的排量越大，驅動負載的能力越強，飛輪加減速越快，反之則越慢。但是，從設計的角度來說，液壓泵馬達的排量越大，其成本也越高，重量也越大，同時還需要更大的安裝空間。

為此，分別設置液壓泵馬達的排量為18, 23, 28 mL/r，相應轉動慣量變化詳見表2，研究排量大小對動臂下降速度和能量回收效果的影響。動臂液壓缸的活塞位移和飛輪轉速的仿真結果如圖6所示。市場上沒有排量為23 mL/r的產(chǎn)品供選擇，但是可以通過調整排量為28 mL/r的產(chǎn)品的排量獲得。

表2 液壓泵馬達的參數(shù)

圖6 液壓泵馬達排量變化對系統(tǒng)性能的影響

從圖6a中可以看出，液壓泵馬達的排量越大，動臂的運動速度越快。當液壓泵馬達的排量分別為18， 23， 28 mL/r時，動臂下放的時間分別為4， 3.3， 2.7 s，動臂提升所需時間分別為10.4， 8， 6.7 s。液壓泵馬達的排量越小，回收的能量用于動臂提升時最終的高度越大，但是差別很微小，見圖6a的放大部分。在圖6b中觀察飛輪的轉速也可以得出類似結論。因為仿真中使用的動臂下放和提升時的負載是一致的，所以動臂液壓缸活塞的位移之比即可表示能量回收再利用的效率。通過簡單計算可知，能量回收再利用的效率約為61%。

綜上分析，在動臂速度可以接受的范圍內，適當減小液壓泵馬達的排量，有利于提高能量利用效率。這對于降低設備的制造成本，減小重量也是有利的。在實際系統(tǒng)的設計時，還需要綜合考慮系統(tǒng)運動速度快慢等因素確定液壓泵馬達的排量。

4 結論

提出了一種機械式能量回收系統(tǒng)，以飛輪為儲能元件，液壓泵馬達為能量轉化元件，并融合了流量再生功能。在能量回收時，液壓泵馬達工作在馬達模式，將動臂勢能轉化為飛輪的動能；在能量再利用時，飛輪驅動液壓泵馬達使之工作在泵模式下，為系統(tǒng)提供壓力能。流量再生不僅實現(xiàn)對動臂有桿腔的補油，還大大減少了液壓泵馬達的流量，并提高了工作壓力，從而減小了液壓泵馬達的型號。仿真結果表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)挖掘機動臂勢能的回收和再利用。在考慮了液壓泵馬達的容積效率和機械效率、飛輪的黏性阻尼系數(shù)的情況下，系統(tǒng)最高可以實現(xiàn)高達61%的動臂勢能回收及再利用，節(jié)能效果顯著。