全液壓動(dòng)臂塔機(jī)變幅機(jī)構(gòu)能量回收液壓系統(tǒng)研究

費(fèi) 燁， 肖 楠， 楊 妍

（沈陽建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110168）

0 引言

動(dòng)臂塔式起重機(jī)在變幅下降工況中， 吊鉤和動(dòng)臂處于負(fù)值負(fù)載工況， 下降的重力勢(shì)能很大程度上消耗在平衡閥。平衡閥消耗的勢(shì)能產(chǎn)生有害熱量，使得液壓回路油液的溫度升高，這些下降的勢(shì)能也被損耗，對(duì)液壓回路的動(dòng)態(tài)特性有不利影響。如果這部分能量可以回收，既減少能耗，又提高了液壓系統(tǒng)能量利用效率，也是目前國(guó)際上工程機(jī)械領(lǐng)域一個(gè)重要的研究方向， 有關(guān)全液壓動(dòng)臂塔式起重機(jī)能量回收方面的研究還不是很全面[1]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于工程機(jī)械液壓回路的能量回收設(shè)計(jì)數(shù)不勝數(shù)，國(guó)外大多致力于研究液壓系統(tǒng)的功率匹配問題，近年來，更多的注重研究動(dòng)力液壓系統(tǒng)方面，涌現(xiàn)出很多動(dòng)力混合的節(jié)能方式。 國(guó)內(nèi)則主要研究機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)作中的能量回收。

縱觀國(guó)內(nèi)外動(dòng)臂塔機(jī)的能量回收利用， 大體可分為蓄能器回收、泵/馬達(dá)等動(dòng)力元件回收、節(jié)能回路回收等。本文以國(guó)內(nèi)某型全液壓動(dòng)臂塔機(jī)為研究對(duì)象， 在原機(jī)構(gòu)馬達(dá)鋼絲繩變幅工作原理基礎(chǔ)上，新增添輔助液壓缸，利用多級(jí)蓄能器儲(chǔ)存下降工況勢(shì)能。 原機(jī)構(gòu)下降工況過程中損耗的能量不再被平衡閥消耗掉，大部分存入蓄能器，完成了變幅下降過程的能量回收。

本文利用AMESim 液壓仿真軟件， 建立動(dòng)臂塔機(jī)勢(shì)能回收回路的仿真模型，并對(duì)建立的模型作仿真分析，驗(yàn)證其回收可行性。

1 變幅機(jī)構(gòu)能量回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 變幅機(jī)構(gòu)能量回收液壓系統(tǒng)原理

在動(dòng)臂塔機(jī)工作過程中， 變幅機(jī)構(gòu)通過變幅卷筒拉動(dòng)鋼絲繩， 從而使改變動(dòng)臂的仰角。 發(fā)動(dòng)機(jī)通過輸出轉(zhuǎn)速，使得液壓泵輸出油液，回路中的液壓油經(jīng)過三位換向閥給馬達(dá)供油，實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。液壓馬達(dá)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)扭矩經(jīng)過減速機(jī)傳遞給起升和變幅卷筒，使之轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩收回或放出，進(jìn)而牽引吊鉤和動(dòng)臂，完成塔機(jī)起升和變幅工作。吊鉤和動(dòng)臂下降工況是負(fù)值負(fù)載工況，其勢(shì)能通過機(jī)械裝置經(jīng)減速器傳遞給液壓系統(tǒng)， 再經(jīng)平衡閥轉(zhuǎn)化為熱能升溫， 需要附加專用的冷卻裝置進(jìn)行降溫。 全液壓動(dòng)臂塔機(jī)液壓變幅系統(tǒng)原理見圖1[2]。

圖1 原變幅液壓系統(tǒng)原理

為避免升溫和熱能損失， 通過閱讀文獻(xiàn)，在原起升和變幅機(jī)構(gòu)工作原理基礎(chǔ)上，新增液壓缸及儲(chǔ)能元件蓄能器，設(shè)計(jì)了一種利用輔助液壓缸回收動(dòng)臂塔機(jī)變幅機(jī)構(gòu)能量的液壓系統(tǒng)，其工作原理見圖2。

圖2 變幅機(jī)構(gòu)能量回收再利用液壓系統(tǒng)

當(dāng)動(dòng)臂處于上升工況時(shí)，液控?fù)Q向閥處于中位，伸縮缸被動(dòng)臂拉起，液壓油也從油箱經(jīng)單向閥流入伸縮缸。 當(dāng)動(dòng)臂處于下落工況時(shí)， 換向閥由馬達(dá)右側(cè)油液控制換到左位，壓力很高的液壓油經(jīng)油管壓入蓄能器，機(jī)構(gòu)勢(shì)能轉(zhuǎn)化為液壓能，吊鉤和動(dòng)臂勢(shì)能得以回收。 若蓄能器達(dá)到最高壓力， 馬達(dá)右側(cè)高壓油液和蓄能器壓力反饋給液控閥，液控閥換到右位工作，油液經(jīng)閥口流回油箱。 假設(shè)蓄能器中的油液壓力能已經(jīng)通過再其他系統(tǒng)得到再利用，蓄能器能量回收到一定程度時(shí)，引入下級(jí)油路。 如此，平衡閥耗散的熱能減少，系統(tǒng)發(fā)熱減輕，液壓元件使用壽命得以延長(zhǎng)。

1.2 液壓系統(tǒng)鉸點(diǎn)位置確定和蓄能器選型

鉸點(diǎn)位置決定液壓缸最初的工作情況， 整個(gè)能量回收機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循： ①不改變塔機(jī)原有工作機(jī)構(gòu)的工作過程；②工作過程與塔機(jī)原有機(jī)構(gòu)不發(fā)生干涉；③設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)滿足預(yù)期工作過程；④在滿足以上條件情況下，盡量做到簡(jiǎn)單、適用。

塔機(jī)變幅角度為17°～80°，依據(jù)以上條件和塔機(jī)具體結(jié)構(gòu)，鉸點(diǎn)位置確定見圖3。

圖3 鉸點(diǎn)位置

系統(tǒng)工作內(nèi)容是收集能量并作為輔助動(dòng)力源輸出至其他回路。由于此回收能量系統(tǒng)不含泵，且只在動(dòng)臂下降時(shí)回收勢(shì)能，故液壓系統(tǒng)壓力取決于蓄能器的壓力。查閱樣本得知， 塔機(jī)原變幅液壓系統(tǒng)最高壓力約pmax=300bar（30MPa），最低壓力約pmin=40bar（4MPa）。

又查表得知， 活塞式蓄能器最高工作壓力一般為21MPa，并可根據(jù)具體需要最大增至45MPa 左右； 活塞式蓄能器的使用壽命很長(zhǎng)，由于油氣隔離方面做得很好，其中的油液也不容易氧化， 由此經(jīng)比較確定使用活塞式蓄能器作為收集能量元件。

蓄能器剛開始回收能量時(shí)，其氣體壓力很低，體積很大，氣體分子間排斥力很小，氣體極易被壓縮；當(dāng)收集到一定程度，氣體體積逐漸減小，壓力逐漸增大，氣體分子間排斥力逐漸增大，氣體變得不再容易被壓縮，回收能量效率降低。 又蓄能器要求p2≤4p0，只一級(jí)蓄能器不能滿足要求，設(shè)計(jì)兩級(jí)蓄能器來回收能量。

勢(shì)能回收系統(tǒng)是輔助機(jī)構(gòu)， 其壓力大小和壓力變化范圍應(yīng)小于塔機(jī)原有變幅液壓系統(tǒng)。 根據(jù)力士樂培訓(xùn)樣本知， 蓄能器內(nèi)充氣最低壓力可定為最低工作壓力的90%左右， 由此初定第一級(jí)蓄能器預(yù)充氣壓力p0=90%pmin=3.6MPa，圓整為3.5MPa。 據(jù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)p2≤4p0，確定最高工作壓力p2=14MPa，最低工作壓力p1=4.1MPa。 具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 動(dòng)臂變幅能量回收再利用系統(tǒng)主要元件參數(shù)

1.3 液壓缸設(shè)計(jì)

根據(jù)確定的鉸點(diǎn)位置，得到起始位置（17°）液壓缸總安裝長(zhǎng)度l1=1154mm； 結(jié)束位置（80°）液壓缸總安裝長(zhǎng)度l2=3218mm；液壓缸行程：L=l2-l1=2064mm。 由于液壓缸行程已接近完全收回時(shí)的兩倍，故選擇三級(jí)伸縮液壓缸完成模型搭建， 每級(jí)缸體伸出長(zhǎng)度l=688mm。 對(duì)動(dòng)臂進(jìn)行受力分析，在整個(gè)下落過程中，當(dāng)動(dòng)臂與水平夾角為17°時(shí)， 液壓缸受到的壓力最大，計(jì)液壓缸受力為f1，如圖4，其中l(wèi)3=24.734m，l4=77.734m，l5=43.12m，l6=79.091m，l7=2.046m，α1=83.75°，α2=9°，α3=17°，m1=30366kg，m2=3070kg，此時(shí)有：

圖4 受力分析

得到： F1=940496.55N；f1=99692.63N。

（1）三級(jí)液壓缸內(nèi)徑和壁厚。 根據(jù)受力知道，若設(shè)計(jì)滿足三級(jí)缸受力， 那么二級(jí)和一級(jí)缸設(shè)計(jì)也是滿足要求的，根據(jù)蓄能器設(shè)定最大壓力p=25MPa。

根據(jù)GB/T 2348-93 液壓缸內(nèi)徑系列圓整為80mm。壁厚的計(jì)算：δ≥pmaxD/（2.3[σp]-3pmax）其中：δ—壁厚；pmax—最高允許壓力（pmax≤1.5pn；pn=25MPa）；[σp]—許用應(yīng)力；（[σp]=σp/n；45 號(hào)鋼σp=700；n=2）

最終得到δ3=4.33mm；圓整為10mm，可以得到三級(jí)缸外徑為100mm。

校核：根據(jù)計(jì)算液壓缸的公式：

其中：F=F0εε0，p=25MPa，d=0.05m；

得D3=0.051m 活塞缸直徑符合要求。

（2）留20mm 作為各級(jí)缸內(nèi)壁距離，求得各級(jí)缸壁厚分別為δ2=7.58mm，圓整為10mm；δ1=10.83mm，圓整為20mm。三級(jí)缸內(nèi)壁為80mm，依據(jù)活塞桿外徑公式，三級(jí)活塞桿外徑d3=50mm，空心桿，內(nèi)徑為30mm。三級(jí)伸縮缸初步選型見表2，后續(xù)根據(jù)仿真結(jié)果調(diào)整。

表2 三級(jí)伸縮液壓缸參數(shù)

2 變幅機(jī)構(gòu)能量回收系統(tǒng)建模

2.1 三級(jí)伸縮缸建模

用單級(jí)缸級(jí)聯(lián)法構(gòu)建的三級(jí)液壓缸模型見圖5，BAP11、BAP12 是HCD 庫中缸體固定的活塞模塊， 模擬一級(jí)缸的固定缸筒；BRP17、BRP18 是庫中缸體可移動(dòng)的活塞模塊，模擬二級(jí)、三級(jí)缸的可移動(dòng)缸筒；MAS30 是機(jī)械庫中帶可移動(dòng)套筒的有固定外殼的質(zhì)量塊，MAS31 為僅有可移動(dòng)套筒的質(zhì)量塊。三級(jí)液壓缸由兩個(gè)剛體可移動(dòng)的單級(jí)缸和一個(gè)缸體固定的單級(jí)缸級(jí)聯(lián)組成。前一級(jí)單級(jí)缸的活塞與下級(jí)單級(jí)缸的可移動(dòng)缸體連接，可移動(dòng)缸體與相應(yīng)的質(zhì)量模塊中對(duì)應(yīng)的質(zhì)量塊連接， 以此模擬多級(jí)缸中作為下一級(jí)活塞套筒的活塞， 各單級(jí)缸的正反兩腔分別連接動(dòng)態(tài)容積模塊BHC11，模擬正反兩腔流量壓力特性[3]。

圖5 三級(jí)伸縮缸模型

位移分析：三級(jí)伸縮缸的尺寸決定了級(jí)數(shù)越高，活塞桿伸出速度越快。設(shè)置參數(shù)后進(jìn)行仿真，得到結(jié)果見圖6，各級(jí)缸運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合猜想，建模正確。

圖6 三級(jí)伸縮缸模型仿真

2.2 三級(jí)伸縮缸建模

搭建的回收能量機(jī)液一體化模型見圖7，由于上升時(shí)伸縮缸由動(dòng)臂帶起，模型中利用定量泵+二位二通電磁閥的組合使伸縮缸伸出；此時(shí)三位三通液控閥處于中位，其左右分別受馬達(dá)回油背壓和蓄能器預(yù)充氣壓力，他們的差值由設(shè)置在兩側(cè)的預(yù)緊彈簧力進(jìn)行平衡。 當(dāng)動(dòng)臂下降時(shí)，馬達(dá)反轉(zhuǎn)，之前的回油路變成高壓油路，液控閥被推到左位工作，伸縮缸內(nèi)的壓力油被壓入蓄能器，蓄能器蓄能，壓力不斷升高；當(dāng)蓄能器壓力到達(dá)最高工作壓力時(shí)，減壓閥開啟，和蓄能器壓力共同將液控閥推至右位工作，伸縮缸卸荷回油箱；當(dāng)蓄能器儲(chǔ)存的能量輸送到低壓油路后，液控閥又會(huì)回到中位。

圖7 回收能量液壓系統(tǒng)模型

3 變幅機(jī)構(gòu)能量回收系統(tǒng)仿真分析

3.1 仿真模型驗(yàn)證

仿真后得到伸縮缸行程見圖8，分析可知，液壓缸能保證伸出后縮回，符合整個(gè)變幅過程規(guī)律。

圖8 伸縮缸行程

3.2 閥與蓄能器工作分析

回路中利用機(jī)械庫和信號(hào)庫中的元件來模擬液控閥的工作順序，其中設(shè)置了液壓缸卸荷回油箱的情況，見圖9。

圖9 液控閥工作行程

觀察蓄能器流量見圖10，發(fā)現(xiàn)流入蓄能器的流量隨著時(shí)間減少，這是由于蓄能器工作時(shí)壓力逐漸升高，氣體分子間排斥力逐漸增大，氣體變得不再容易被壓縮，回收能量效率降低造成的。

圖10 蓄能器進(jìn)口流量

通過圖11 可看出，蓄能器中的氣體壓力越來越大，氣體是被壓縮的；氣體體積的變化曲線越來越平緩，可知變化速度是越來越慢的，這也符合蓄能器工作原理。

圖11 蓄能器氣體壓力與體積變化

4 結(jié)論

本文通過對(duì)動(dòng)臂塔式機(jī)加設(shè)回收油缸，將回收的能量?jī)?chǔ)存在液壓系統(tǒng)中，最終利用AMESim 液壓仿真軟件進(jìn)行建模分析，有以下結(jié)論：

圖2 所示的通過回收液壓缸和蓄能器回收能量的設(shè)計(jì)，可以對(duì)變幅下降工況中的勢(shì)能進(jìn)行回收。

動(dòng)臂塔式起重機(jī)的動(dòng)臂質(zhì)量是很大的， 那么要回收的能量，轉(zhuǎn)化為蓄能器壓力也是很高的，根據(jù)蓄能器的經(jīng)驗(yàn)公式可知，一個(gè)級(jí)別的蓄能器壓力要求無法滿足，因此要利用多級(jí)蓄能器回收能量。對(duì)于本文研究的塔機(jī)，設(shè)計(jì)兩個(gè)級(jí)別的蓄能器進(jìn)行能量回收， 兩級(jí)蓄能器的最高工作壓力分別為14MPa、25MPa。

本文研究的三級(jí)液壓缸， 其動(dòng)作過程受多種因素的影響，建模過程是復(fù)雜的，計(jì)算分析其模型也比較繁瑣。通過AMESim 軟件的HCD 庫和機(jī)械庫中的元件，搭建三級(jí)液壓缸等效模型，具有簡(jiǎn)單實(shí)用、明了清晰的優(yōu)點(diǎn)。 軟件本身可以進(jìn)行多個(gè)庫的聯(lián)合仿真， 避免了多軟件協(xié)同的缺點(diǎn)。

總體性能穩(wěn)定，對(duì)原系統(tǒng)變幅性能影響可以忽略。

本文中涉及的采用液壓缸回收能量的研究方法，也適用于其他相似工作原理的工程機(jī)械液壓系統(tǒng)。