液壓挖掘機(jī)液能回收再利用節(jié)能裝置的設(shè)計(jì)

薄曉楠，周連佺，張楚，瞿煒煒

(江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221116)

0 前言

液壓挖掘機(jī)以其應(yīng)用廣泛、創(chuàng)造價(jià)值高的特點(diǎn)在工程機(jī)械領(lǐng)域中有著重要地位，與其他工程機(jī)械相比，液壓挖掘機(jī)具有開(kāi)采能力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，是農(nóng)田水利、建筑工程、能源、交通建設(shè)以及現(xiàn)代化軍事工程等領(lǐng)域的重要施工設(shè)備。因此液壓挖掘機(jī)的數(shù)量巨大，且市場(chǎng)保有量逐年上升。而液壓挖掘機(jī)普遍存在高能量損耗、高污染排放等問(wèn)題。近年來(lái)我國(guó)大力推進(jìn)節(jié)能減排，倡導(dǎo)發(fā)展以低能耗、低排放為標(biāo)志的低碳經(jīng)濟(jì)，這對(duì)液壓挖掘機(jī)提出了更高的要求，因此對(duì)液壓挖掘機(jī)的節(jié)能技術(shù)開(kāi)展進(jìn)一步的研究具有重要意義。

提高液壓挖掘機(jī)節(jié)能效率的方法主要有以下幾種：提高元器件的效率、降低液壓系統(tǒng)的能耗、進(jìn)行動(dòng)勢(shì)能的回收再利用、整機(jī)能量管理、采用混合動(dòng)力技術(shù)等。其中液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)動(dòng)能的回收再利用具有很大的節(jié)能潛力。

液壓挖掘機(jī)動(dòng)勢(shì)能的回收根據(jù)儲(chǔ)能元件的不同主要分為機(jī)械式回收、電氣式回收和液壓式回收。機(jī)械式回收主要以飛輪為儲(chǔ)能元件，能量密度低且無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能。電氣式回收主要以蓄電池或超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件，蓄電池的功率密度較低，效率較低，超級(jí)電容的成本較高，能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多。以蓄能器為儲(chǔ)能元件的液壓式回收方式功率密度大，能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少，但存在節(jié)流損失，適用于壓力較低的場(chǎng)合，如液壓挖掘機(jī)散熱系統(tǒng)的輔助供油。若將回收的能量用于挖掘機(jī)的主要工況，則需要增設(shè)增壓裝置，系統(tǒng)復(fù)雜體積變大，成本升高，動(dòng)態(tài)性能較差。采用液壓變壓器的液壓式回收，理論上效率較高，但是液壓變壓器的發(fā)展還不成熟。

在充分了解液壓挖掘機(jī)動(dòng)勢(shì)能回收再利用的研究現(xiàn)狀后，發(fā)現(xiàn)既能回收液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能，又能回收回轉(zhuǎn)系統(tǒng)動(dòng)能的裝置很少?，F(xiàn)有節(jié)能裝置大多僅能回收某一工況單個(gè)負(fù)載的能量?；诖?，提出一種液壓挖掘機(jī)液能回收再利用節(jié)能裝置，在液壓挖掘機(jī)的經(jīng)典工況下，回收其動(dòng)臂下降的勢(shì)能和回轉(zhuǎn)制動(dòng)的動(dòng)能。動(dòng)臂下降時(shí)單缸承壓，提高壓力?；厥盏哪芰靠捎糜趧?dòng)臂舉升工況，采用雙缸承壓，使舉升力達(dá)到負(fù)載的要求，不需要額外增加增壓裝置，且設(shè)計(jì)了與節(jié)能裝置相適應(yīng)的控制系統(tǒng)，用于保證操縱性。在使用時(shí)可直接嵌入液壓挖掘機(jī)，不需要改動(dòng)其原有的液壓系統(tǒng)。

1 挖掘機(jī)節(jié)能裝置液壓系統(tǒng)

挖掘機(jī)液能回收再利用的節(jié)能裝置以單獨(dú)模塊安裝在挖掘機(jī)原液壓系統(tǒng)中。嵌入節(jié)能裝置的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 節(jié)能裝置液壓系統(tǒng)液壓原理

節(jié)能裝置將挖掘機(jī)動(dòng)臂下降過(guò)程中重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化的液壓能和回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為液壓能存儲(chǔ)到蓄能器中，并在不影響挖掘機(jī)操縱性和動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的前提下，將蓄能器內(nèi)存儲(chǔ)的能量釋放用于挖掘機(jī)動(dòng)臂舉升工況，避免原液壓系統(tǒng)中動(dòng)臂下降時(shí)油液經(jīng)液壓閥而產(chǎn)生的節(jié)流損失和回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)馬達(dá)出口的高壓油產(chǎn)生的溢流損失，從而提高挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的效率，達(dá)到節(jié)能效果。

2 挖掘機(jī)動(dòng)臂下降回收液壓能工況

動(dòng)臂下降過(guò)程中，控制器通過(guò)先導(dǎo)控制閥組控制比例換向閥組及節(jié)能裝置中的電磁換向閥組使一個(gè)動(dòng)臂油缸承壓，另一個(gè)動(dòng)臂油缸無(wú)桿腔油液與兩油缸的上腔相通。先導(dǎo)控制閥13輸出壓力控制信號(hào)xBmB，此信號(hào)使節(jié)能裝置中的液控?fù)Q向閥32、33換向，動(dòng)臂鎖定閥34、35控制端通過(guò)液控?fù)Q向閥32和33與油箱相通，使得動(dòng)臂鎖定閥34和35反向?qū)?。此工況為挖掘機(jī)動(dòng)臂下降、回收液壓能工況，此時(shí)節(jié)能裝置的等效液壓系統(tǒng)如圖2所示。

動(dòng)臂油缸44活塞腔與動(dòng)臂油缸43和44活塞桿腔相通，動(dòng)臂下降時(shí)實(shí)現(xiàn)流量再生。如果動(dòng)臂油缸活塞腔面積是活塞桿腔面積的兩倍，動(dòng)臂油缸44排出的流量恰好等于兩油缸活塞桿腔所需的流量；如果動(dòng)臂油缸活塞腔面積大于活塞桿腔面積的兩倍，動(dòng)臂油缸44排出的流量多于兩油缸活塞桿腔所需流量的部分通過(guò)單向閥36排回油箱；如果動(dòng)臂油缸活塞腔面積小于活塞桿腔面積的兩倍，活塞桿腔產(chǎn)生真空，則過(guò)載補(bǔ)油閥7給動(dòng)臂油缸活塞桿腔補(bǔ)油。動(dòng)臂及物料的重力在動(dòng)臂油缸44活塞腔中產(chǎn)生高壓，控制器綜合動(dòng)臂油缸43活塞腔的壓力傳感器38、與蓄能器相連的壓力傳感器25及先導(dǎo)控制閥13輸出口處的壓力傳感器信號(hào)，運(yùn)用智能控制算法輸出信號(hào)控制電磁比例流量閥22的開(kāi)口量，使動(dòng)臂下降速度與原系統(tǒng)工作時(shí)相同，不影響系統(tǒng)的操縱性，比例流量閥22輸出的流量給蓄能器23充液，把動(dòng)臂下降產(chǎn)生的液壓能存儲(chǔ)在蓄能器中，實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂下降工況過(guò)程中的液壓能回收。

圖2 挖機(jī)動(dòng)臂下降工況回收液壓能等效圖

3 挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)馬達(dá)制動(dòng)回收液壓能工況

當(dāng)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)結(jié)束進(jìn)入溢流制動(dòng)工況時(shí)，控制器發(fā)出控制信號(hào)切換相應(yīng)的電磁換向閥，把回轉(zhuǎn)馬達(dá)出口的高壓油引入到比例流量閥，將回轉(zhuǎn)制動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化成液壓能存入蓄能器。先導(dǎo)控制閥14或15輸出壓力控制信號(hào)xSwA或xSwB，控制比例換向閥5換向，驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)馬達(dá)45旋轉(zhuǎn)，當(dāng)控制器檢測(cè)到回轉(zhuǎn)馬達(dá)45的控制信號(hào)xSwA或xSwB由有到無(wú)消失進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)后，發(fā)出控制信號(hào)使三通電磁換向閥24和兩通電磁換向閥42電磁鐵得電，此工況為挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)馬達(dá)制動(dòng)、回收液壓能工況，此時(shí)節(jié)能裝置的等效液壓系統(tǒng)如圖3所示。

回轉(zhuǎn)馬達(dá)出口的液壓油通過(guò)梭閥40進(jìn)入電磁比例流量閥22，控制器綜合回轉(zhuǎn)馬達(dá)45出口處壓力傳感器、與蓄能器相連的壓力傳感器的信號(hào)，運(yùn)用智能控制算法輸出信號(hào)控制電磁比例流量閥的開(kāi)口量，使回轉(zhuǎn)馬達(dá)制動(dòng)的特性與原系統(tǒng)工作時(shí)相同，不影響系統(tǒng)的操縱性，比例流量閥輸出的流量給蓄能器充液，把回轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)化成液壓能存儲(chǔ)在蓄能器中，實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)馬達(dá)制動(dòng)工況過(guò)程中的液壓能回收。

圖3 挖機(jī)回轉(zhuǎn)馬達(dá)制動(dòng)工況回收液壓能等效圖

4 挖掘機(jī)動(dòng)臂上升釋放液壓能工況

當(dāng)蓄能器23的壓力高于一定值時(shí)，即蓄能器中存儲(chǔ)的能量可完成一次動(dòng)臂上升時(shí)，控制器使兩位三通電磁閥28電磁鐵得電，切斷比例換向閥4及合流閥6的控制信號(hào)xBm1A和xBm2A。若控制器檢測(cè)到先導(dǎo)控制閥12的操縱手柄扳動(dòng)，即輸出xBmA控制信號(hào)，則控制器發(fā)出控制信號(hào)使兩位三通電磁閥24、30、31和兩通電磁換向閥37電磁鐵得電，此工況為挖掘機(jī)動(dòng)臂上升、蓄能器釋放液壓能工況。此時(shí)節(jié)能裝置的等效液壓系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 挖機(jī)動(dòng)臂上升釋放液壓能工況等效圖

控制器綜合動(dòng)臂油缸43活塞腔的壓力傳感器、與蓄能器相連的壓力傳感器及先導(dǎo)控制閥12輸出口處的壓力傳感器的信號(hào)，運(yùn)用智能控制算法輸出信號(hào)控制電磁比例流量閥22的開(kāi)口量，蓄能器中的高壓油液經(jīng)電磁比例流量閥供給兩個(gè)動(dòng)臂油缸的活塞腔，使動(dòng)臂的上升速度與原系統(tǒng)工作時(shí)相同，不影響系統(tǒng)的操縱性。此工況再利用了回收的液壓能，達(dá)到了節(jié)能省油的目的。理論上動(dòng)臂下降兩次或者回轉(zhuǎn)制動(dòng)兩次，回收的液壓能可以供給動(dòng)臂上升一次。

5 挖掘機(jī)節(jié)能裝置電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)節(jié)能裝置的原理確定狀態(tài)量和被控量，選用移動(dòng)設(shè)備電子控制器等元件組成電控系統(tǒng)，在下位機(jī)中使用CODESYS編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)節(jié)能裝置的測(cè)控軟件，在上位機(jī)中用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)具有電氣模擬試驗(yàn)、液壓模擬加載試驗(yàn)、實(shí)時(shí)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控和全局常量設(shè)置等多種功能的節(jié)能裝置測(cè)控軟件，用于在線調(diào)試，可記錄模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)繪制過(guò)程曲線，并計(jì)算模擬回收和再利用的液壓能和效率。

挖掘機(jī)節(jié)能裝置電控系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖5所示。壓力傳感器16和17分別檢測(cè)動(dòng)臂上升和下降先導(dǎo)控制閥的輸出信號(hào)xBmA和xBmB，壓力傳感器18用來(lái)檢測(cè)回轉(zhuǎn)先導(dǎo)控制閥的輸出信號(hào)xSwA或xSwB。壓力傳感器16、17、18由原液壓系統(tǒng)配置。壓力傳感器25用于檢測(cè)蓄能器的壓力，壓力傳感器38和39分別檢測(cè)兩個(gè)動(dòng)臂油缸活塞腔中的壓力，壓力傳感器41檢測(cè)回轉(zhuǎn)馬達(dá)出油口的壓力，壓力傳感器25、38、39、41由嵌入挖掘機(jī)的節(jié)能裝置配置。壓力信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后傳入控制器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，控制器通過(guò)壓力值的有無(wú)和大小判斷挖掘機(jī)的當(dāng)前工況及控制速度。

圖5 挖掘機(jī)節(jié)能裝置電控系統(tǒng)的硬件組成框圖

控制器根據(jù)挖掘機(jī)的當(dāng)前工況發(fā)出DO信號(hào)或AO信號(hào)，通過(guò)繼電器驅(qū)動(dòng)板或者比例放大器放大后使相應(yīng)的電磁閥換向，將液壓系統(tǒng)的油液導(dǎo)入要求的油路，實(shí)現(xiàn)液壓能的回收和再利用。控制器綜合各壓力傳感器及先導(dǎo)控制閥輸出的信號(hào)，運(yùn)用智能控制算法輸出信號(hào)，控制電磁比例流量閥22的開(kāi)口量，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)臂上升或下降速度的控制或?qū)︸R達(dá)制動(dòng)口壓力的控制，使其運(yùn)動(dòng)性能與原系統(tǒng)工作時(shí)相同，從而使節(jié)能裝置的安裝不影響挖掘機(jī)原系統(tǒng)的操縱性。

6 挖掘機(jī)節(jié)能裝置的試驗(yàn)

根據(jù)節(jié)能裝置液壓原理設(shè)計(jì)了節(jié)能裝置的閥塊，加工了樣機(jī)，并搭建了試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)如圖6所示，主要包括編程監(jiān)控上位機(jī)、閥塊、蓄能器和電控箱，以及實(shí)驗(yàn)室原有的泵站和液壓比例模擬加載回路。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和調(diào)試，證實(shí)了原理的可行性。

采用21.5T挖掘機(jī)進(jìn)行了裝機(jī)試驗(yàn)如圖7所示，蓄能器內(nèi)置。將節(jié)能裝置嵌入挖機(jī)負(fù)載油路中，并通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控節(jié)能裝置各處的壓力。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)馬達(dá)制動(dòng)工況回收的能量與馬達(dá)制動(dòng)的速度、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和回收時(shí)蓄能器的壓力值有關(guān)。

圖6 液能回收再利用節(jié)能裝置試驗(yàn)臺(tái)

圖7 挖掘機(jī)節(jié)能裝置裝機(jī)試驗(yàn)圖片

根據(jù)流量再生原理，理論上完成兩次動(dòng)臂上升和下降工況后，蓄能器回收的能量可完成第三次動(dòng)臂上升，第四次動(dòng)臂上升需要原系統(tǒng)供油，第三次和第四次動(dòng)臂下降工況回收的勢(shì)能可完成第五次動(dòng)臂上升。以此規(guī)律，即原系統(tǒng)供油使動(dòng)臂上升一次，則節(jié)能裝置的蓄能器供油使動(dòng)臂上升一次。經(jīng)過(guò)多次循環(huán)工況，動(dòng)臂勢(shì)能回收效率約為50%。但在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，由于存在泄漏和節(jié)流，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)取平均值，平均原系統(tǒng)舉升1.6次，節(jié)能裝置的蓄能器可舉升1次，由此推算動(dòng)臂勢(shì)能的回收效率約為38%。

7 結(jié)論

針對(duì)挖掘機(jī)動(dòng)臂下降工況和回轉(zhuǎn)馬達(dá)制動(dòng)工況的節(jié)流浪費(fèi)和嚴(yán)重耗能問(wèn)題，采用流量再生的液壓系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一套液壓挖掘機(jī)液能回收再利用節(jié)能裝置及其電控系統(tǒng)。完成了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，驗(yàn)證了原理的可行性；進(jìn)行了裝機(jī)試驗(yàn)，經(jīng)多次試驗(yàn)取平均值，動(dòng)臂勢(shì)能回收效率約為38%；回轉(zhuǎn)馬達(dá)制動(dòng)動(dòng)能的回收與馬達(dá)的制動(dòng)速度、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和回收時(shí)蓄能器的壓力值相關(guān)。相比于傳統(tǒng)挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)，該節(jié)能裝置從根本上回收了由工作原理所產(chǎn)生的能量損失，對(duì)液壓挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)有“質(zhì)”的提升，具有較好的應(yīng)用前景。