分析并聯(lián)式混合動力液壓挖掘機能量回收與動力匹配技術(shù)

董永平

摘要：目前液壓挖掘機已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工程和礦產(chǎn)領(lǐng)域，其作為施工現(xiàn)場的主要設(shè)備，性能直接影響機械工程的效率和成本。本文主要研究液壓挖掘機工作過程中動臂下降和整車回轉(zhuǎn)的能量回收問題，希望能夠降低液壓挖掘機的使用功率，科學(xué)高效的節(jié)省能量消耗。

關(guān)鍵詞：液壓挖掘機;能量回收;動力匹配;動臂

前言：近年來，混合動力技術(shù)的迅速發(fā)展令傳統(tǒng)液壓挖掘機朝著新的方向開始發(fā)展，目前在液壓挖掘機的系統(tǒng)機構(gòu)以及控制策略等方面都取得了較大的進步，能夠顯著降低液壓挖掘機的能耗，提高作業(yè)效率。

一、液壓挖掘機可回收能量分析

（一）動臂能量回收技術(shù)的工作原理

并聯(lián)式混合動力液壓挖掘機主要采用發(fā)動機以及發(fā)電機并聯(lián)的方式進行驅(qū)動液壓泵，其中發(fā)動機的動能直接傳輸給液壓泵和馬達。而液壓挖掘機工作裝置主要由三部分構(gòu)成，即動臂、斗桿以及鏟斗，由于其具有頻繁往返運動以及慣性較大等特點，經(jīng)常導(dǎo)致液壓挖掘機在下放的過程中，勢能與動能完全轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，同時液壓系統(tǒng)迅速升溫，令系統(tǒng)內(nèi)密封元件受損，影響其使用壽命，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)發(fā)生頻繁故障，降低系統(tǒng)工作效率。如果對液壓系統(tǒng)采取冷卻處理，則會導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部能耗增加，因此在液壓機下降工作時，如果在其前端安置能量回收裝置，能夠有效地降低整個系統(tǒng)的溫度，避免設(shè)備發(fā)生故障，同時還可以回收利用系統(tǒng)產(chǎn)生的能量，降低內(nèi)燃機的輸出功率，減少液壓系統(tǒng)的能源消耗。動臂系統(tǒng)的主要工作原理，首先是令其動臂下降，進行挖掘工作，在鏟斗負(fù)載之后提升動臂，然后鏟斗卸載負(fù)荷，動臂下降，最后動臂回復(fù)原位，對于液壓挖掘機而言，主要以控制動臂達到控制系統(tǒng)的目的，利用傳感器監(jiān)測動臂實際位移與理論位移之間的差值，將兩者之間的差值作為控制路閥的開口，令實際位移與理論位移保持一致，因此動臂能夠回收較多能量，回收價值較高，約占全部能量的二分之一。另外，混合動力液壓挖掘機安裝了能夠進行能量回收的再生動臂，與傳統(tǒng)的動臂系統(tǒng)相比較，能量回收更高效。由于動臂系統(tǒng)工作中會產(chǎn)生能量浪費，因此必須加強提高挖掘機的效率，將動臂下降工作過程中產(chǎn)生的勢能，進行回收再次利用[2]。例如，當(dāng)挖掘機中液壓缸的運行方向與其承載的重力方向一致時，油液將從高壓腔傳送至低壓腔，令主泵輸出流量幾乎為零，同時，由于負(fù)載較低，導(dǎo)致出口的高壓油液其液壓被浪費，因此液壓挖掘機能將能量回收后再利用。目前動臂系統(tǒng)再生功能已經(jīng)是我國混合動力挖掘機中應(yīng)用最廣泛的。

（二）回轉(zhuǎn)制動能量回收技術(shù)的應(yīng)用研究

由于液壓挖掘機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作效率低、工作時間較長等缺陷，因此為了提高回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的效率，必須縮短制動間距，液壓挖掘機其設(shè)備安裝中存在補油的單向閥門，因此無需動臂進行能量再生，其自身就可以回收油液。同時回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的蓄能器具有能量大、密度高、能量回收轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)少、效率高等特點，因此其較適合回收回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的能量，其與動臂回收系統(tǒng)的原理類似，但最主要的區(qū)別在于儲存能量的元件不同，混合動能通常采取超級電容作為儲能元件，而普通的油液混合則使用蓄電器作為儲能元件，利用馬達作為系統(tǒng)內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換元件，因此有效的避免了機械能向電能的轉(zhuǎn)換，提高了挖掘機的效率，減少了能量的損失，而回轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作時，其蓄電池和液壓泵驅(qū)使馬達運行，通過變速箱帶動系統(tǒng)內(nèi)部的轉(zhuǎn)臺，使其正常轉(zhuǎn)動，同時角位移傳器檢測工作裝置的回轉(zhuǎn)位移，通過控制器運算出的數(shù)據(jù)，控制蓄電器以及馬達輸出的能力，確保能量數(shù)值一致，避免造成能量浪費。除此之外，液壓馬達在不同的載荷方式下，其回收能量的能力不同，但是在同一個模式下，制造的能量基本是一個固定值，例如，回轉(zhuǎn)制動時，系統(tǒng)內(nèi)部所有能量沖擊馬達，使馬達轉(zhuǎn)動，而當(dāng)液壓馬達與液壓泵相連時，在忽略效率的背景下進行計算，可以看出兩者之間的速度和扭矩是一致的，因此可以通過調(diào)節(jié)馬達的排量改變液壓泵輸出的壓力，在壓力不超過安全閥設(shè)定的壓力時，馬達排量越小，其輸出的壓力越大，從而有助于蓄能器回收系統(tǒng)內(nèi)部的能量。

二、液壓挖掘機動力匹配技術(shù)

（一）單泵恒功率控制技術(shù)的應(yīng)用研究

液壓挖掘機動力匹配技術(shù)本質(zhì)上屬于機電一體化，能連接液壓系統(tǒng)、PLC以及發(fā)動機，同時將三者組成一個完整的系統(tǒng)，有助于機械作業(yè)環(huán)節(jié)中系統(tǒng)安全穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。當(dāng)前工程施工中，大型機械設(shè)備往往單日作業(yè)時間長，因此這種動力匹配技術(shù)，能最大限度的減少技術(shù)人員的工作量，提高其工作效率，同時避免人為失誤的可能，基于上述優(yōu)勢，目前動力匹配技術(shù)在液壓挖掘機設(shè)備中廣泛應(yīng)用。其工作原理主要是通過單泵恒功率控制技術(shù)，即通過變量系統(tǒng)中的PLC系統(tǒng)，控制變量泵的排量，當(dāng)挖掘機進行挖掘作業(yè)時，改變系統(tǒng)內(nèi)部彈簧的彈力進而調(diào)節(jié)變量的數(shù)值，這種方式能夠有效的控制變量泵輸出的流量，產(chǎn)生不同的流量，一旦系統(tǒng)中的壓力數(shù)值達到彈簧壓力設(shè)定值時，變量泵數(shù)值相應(yīng)的進行調(diào)整，開始變小，當(dāng)系統(tǒng)的壓力值與第二根彈簧的壓力值相同時，排量變化的函數(shù)圖像呈現(xiàn)曲線的變化趨勢，由此可以觀察出，當(dāng)曲線值最大時，常數(shù)與系統(tǒng)內(nèi)部的離散值保持一致，不僅有效的避免了液壓挖掘機超載導(dǎo)致的熄火問題，同時能夠提高發(fā)動機的功率，有效的減少能量的損失，有利于能量的回收再利用。

（二）定量泵控制技術(shù)的應(yīng)用研究

在傳統(tǒng)的液壓挖掘機設(shè)計中，尤其是小型挖掘機，通常采用定量泵的設(shè)計方式，定量泵主要的工作原理是通過推拉膜片，進行控制定量泵中液體的排出，如如果向后拉膜片時，出口閥就會下降，則其與球座之間可以連接的更加緊密，而當(dāng)隔膜被拉回時，隔膜與泵頭之間處于真空狀態(tài)，進口球閥上升，液體則被吸走，如果向前推動膜片時，由于入口閥門與球座之間密封良好，液體無法通過，而當(dāng)向前推出口隔膜時，液體則會被排出。而對于大型挖掘機在液壓系統(tǒng)中安裝定量泵，容易導(dǎo)致系統(tǒng)中的機械泵性能受損，降低挖掘機的功率，導(dǎo)致整個挖掘機的性能受損，因此定量泵控制技術(shù)不適用于大型的液壓挖掘機。液壓挖掘機動力匹配技術(shù)應(yīng)用愈加廣泛，但是該技術(shù)當(dāng)前仍舊存在較多的技術(shù)問題，即當(dāng)前機械一體化技術(shù)在液壓技術(shù)、發(fā)動機的配置、控制系統(tǒng)等技術(shù)應(yīng)用上發(fā)展不夠成熟，需要企業(yè)加強資金投入，促進技術(shù)人員不斷進行科技創(chuàng)新，還有液壓挖掘機動力匹配技術(shù)在實際應(yīng)用中缺乏條件，因此工程領(lǐng)域的技術(shù)人員，應(yīng)主動借助國內(nèi)外先進的技術(shù)，攻克液壓挖掘機的技術(shù)難題，液壓挖掘機的能量回收及其動力匹配控制技術(shù)，是我國當(dāng)前工程領(lǐng)域的核心技術(shù)，能提高機械設(shè)備的工作效率。

結(jié)束語：總而言之，由于工程機械設(shè)備中往往采用內(nèi)燃機將熱能轉(zhuǎn)化成動能的能量輸送方式，容易導(dǎo)致其對自然環(huán)境污染較重，因此節(jié)能減排技術(shù)的研究和應(yīng)用勢在必行，本文研究并聯(lián)式混合動力液壓挖掘機的工作原理以及其能量回收特點，希望對液壓挖掘機的研究人員具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]龐琳娜.液壓挖掘機的節(jié)能技術(shù)分析[J].內(nèi)燃機與配件，2020（05）：215-216.

[2]閆磊，聶陽文，胡星.基于液壓挖掘機動臂勢能回收的動臂降速控制仿真研究[J].工程機械，2020，51（03）：29-33+6-7.