液壓挖掘機(jī)動臂勢能回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔 凱

(廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程實(shí)訓(xùn)學(xué)院, 廣西 南寧 530007)

引言

液壓挖掘機(jī)是集挖掘、平地、甩方一體作業(yè)的工程機(jī)械,在外擺平地、甩方裝料工況下動臂下降執(zhí)行最多[1-2],動臂下降重力勢能存在嚴(yán)重浪費(fèi)問題,故動臂下降能量回收問題亟待解決。

有關(guān)挖掘機(jī)重力勢能回收的公開文獻(xiàn)不少,如肖廣鑫等[3]通過液壓蓄能器和電儲能方式分別保證能量回收系統(tǒng)的功率密度和能量密度;薄曉楠等[4]采用流量再生和電液比例節(jié)流閥控技術(shù)有效回收了挖掘機(jī)動臂下降重力勢能,降低了溢流損失;孫斌等[5]通過三腔液壓缸的獨(dú)立儲能容腔和蓄能器存儲動臂下降重力勢能,并搭建了液壓挖掘機(jī)動臂儲能平衡試驗(yàn)測試系統(tǒng);關(guān)澈等[6]設(shè)計(jì)了純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)動臂勢能回收再利用系統(tǒng),基于SimulationX搭建了系統(tǒng)機(jī)電液聯(lián)合仿真模型,仿真得出該系統(tǒng)能回收21.8%動臂勢能。李建松等[7]通過蓄能器和平衡缸回收動臂下降重力勢能,分析了蓄能器關(guān)鍵參數(shù)對能量回收利用率的影響;付春雨等[8]基于ADAMS和AMESim搭建了動臂勢能回收系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型,仿真表明動臂勢能回收率為22.6%;劉志東等[9]采用數(shù)據(jù)采集方式和功率利用率分析方法改進(jìn)了挖掘機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)及其控制策略,降低對主泵的輸出功率消耗;晉超等[10]通過儲能液壓缸協(xié)同驅(qū)動重型機(jī)械臂升降實(shí)現(xiàn)了重力勢能回收再利用,分析了儲能缸和驅(qū)動缸無桿腔面積比對節(jié)能效果的影響,并進(jìn)行了面積參數(shù)優(yōu)化;夏連鵬等[11-12]采用集成有儲能腔的三腔液壓缸對動臂下降重力勢能回收,試驗(yàn)樣機(jī)在90°標(biāo)準(zhǔn)挖掘循環(huán)測試中,工作效率提升了20.7%;李澤鵬等[13]設(shè)計(jì)了電動缸為主、液壓缸-蓄能器組合為輔的液電混合動臂驅(qū)動系統(tǒng),動臂下降時,重力勢能存儲在蓄能器中,動臂舉升時,存儲的液壓能驅(qū)動液壓缸輔助電動缸驅(qū)動動臂。

檢索結(jié)論:

(1) 大部分研究中通過引入三腔液壓缸和蓄能器聯(lián)合回收液壓挖掘機(jī)動臂勢能,但三腔液壓缸加工難度大,目前市場無應(yīng)用;

(2) 缺乏對傳統(tǒng)能量回收技術(shù)的深入研究?；诖?本研究對傳統(tǒng)形式的動臂流量再生系統(tǒng)持續(xù)優(yōu)化改進(jìn),分析了其局限性和缺陷,對負(fù)載敏感挖掘機(jī)動臂重力勢能回收系統(tǒng)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì),基于AMESim搭建了各元件及系統(tǒng)仿真模型,并進(jìn)行了參數(shù)配置,仿真分析了動臂升降時大小腔壓力、流量、再生流量動態(tài)性能及動臂位移速度動態(tài)性能,計(jì)算了再生流量貢獻(xiàn)率,研究了再生閥芯通徑、大腔回油背壓、主閥LS→動臂小腔通流面積等系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對再生流量和動臂速度的影響情況,并進(jìn)行了整機(jī)測試驗(yàn)證,該研究對挖掘機(jī)節(jié)能升級改進(jìn)具有較好的理論指導(dǎo)意義。

1 挖掘機(jī)動臂重力勢能回收系統(tǒng)分析

挖掘機(jī)動臂、斗桿、鏟斗及油缸鉸接示意如圖1所示,本研究只開展挖掘機(jī)動臂下降重力勢能回收技術(shù)研究。

圖1 挖掘機(jī)動臂斗桿鏟斗及油缸鉸接示意圖Fig.1 Cylinder articulation schematic diagram of excavator boom, arm, bucket

液壓挖掘機(jī)動臂流量再生系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2所示,方案一:流量再生閥與動臂油缸直接并聯(lián);方案二:流量再生閥設(shè)計(jì)在主閥芯內(nèi)孔,主閥芯為空心結(jié)構(gòu),在主閥芯處于右工作位,流量再生閥起作用;方案三:流量再生閥設(shè)計(jì)在主閥芯外部,對工作聯(lián)閥體加厚處理,主閥芯處于右工作位時流量再生閥開啟,其主閥芯為三位五通閥。

圖2 流量再生原理設(shè)計(jì)方案圖Fig.2 Flow regeneration principle design scheme diagram

液壓挖掘機(jī)動臂流量再生系統(tǒng)方案優(yōu)缺點(diǎn)分析如下:方案一,動臂下降過程,動臂油缸縮回,動臂油缸大腔通過主閥芯節(jié)流槽回油,由于重力作用,動臂大腔壓力大于小腔壓力,此時大腔油液通過流量再生閥進(jìn)入小腔,同時變量泵給動臂小腔補(bǔ)油,防止動臂快速下降導(dǎo)致小腔吸空;動臂上升過程,動臂油缸伸出為差動回路,影響動臂提升速度,故方案一不可行[14];方案二,動臂下降過程與方案一相同,動臂上升過程,流量再生閥關(guān)閉,由于流量再生閥設(shè)計(jì)在主閥芯內(nèi)孔,故主閥芯外徑尺寸對流量再生閥通徑有限制作用,如主閥芯外徑為12 mm,若單邊壁厚預(yù)留4 mm,則流量再生閥最大通徑為4 mm,故方案二具有一定局限性和缺陷;方案三,動臂升降過程與方案二相同,但流量再生閥設(shè)計(jì)在主閥芯外部,其通徑不受限制,只需加厚動臂工作聯(lián)閥體,相對前兩者,方案三優(yōu)勢更多,故選擇方案三。

對方案三進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì),得到如圖3所示的負(fù)載敏感控制的挖掘機(jī)動臂重力勢能回收系統(tǒng)。

1.油箱 2.變量泵 3.電機(jī) 4.待命旁通閥 5.變量柱塞 6.壓力切斷閥 7.定壓差閥 8.外部流量再生閥 9.主閥芯 10.動臂油缸 11.梭閥圖3 液壓挖掘機(jī)動臂重力勢能回收系統(tǒng)Fig.3 Hydraulic excavator boom gravity potential energy recovery system

液壓挖掘機(jī)動臂重力勢能回收系統(tǒng)原理:

(1) 主閥芯9中位時,LS不反饋負(fù)載壓力,變量泵2通過待命旁通閥4低壓卸荷,變量泵壓力等效于旁通閥彈簧力;

(2) 主閥芯9處于右位時動臂下降,LS油路反饋動臂大小腔負(fù)載壓力,LS油路建壓,待命旁通閥4關(guān)閉,LS油路連通定壓差閥7彈簧腔,其等效于變量泵壓力,故P和LS壓差恒定,變量泵通過主閥芯右位節(jié)流槽給動臂油缸小腔補(bǔ)液,動臂重力使動臂油缸大腔壓力大于小腔壓力,再生流量閥開啟,大腔油液給小腔補(bǔ)液;

(3) 主閥芯9處于左位時動臂上升,流量再生閥截止,調(diào)節(jié)主閥芯先導(dǎo)控制壓力可控制動臂提升速度。

2 挖掘機(jī)動臂重力勢能回收系統(tǒng)建模

2.1 模型分解建模及參數(shù)設(shè)置

基于AMESim搭建負(fù)載敏感變量泵[15]仿真模型如圖4所示,表1為其仿真參數(shù)。

表1 變量泵仿真參數(shù)Tab.1 Variable displacement pump simulation parameters

圖4 變量泵模型Fig.4 Variable pump model

基于AMESim搭建待命旁通閥如圖5所示,表2為其仿真參數(shù)。

表2 待命旁通閥仿真參數(shù)Tab.2 Standby bypass valve simulation parameters

圖5 待命旁通閥模型Fig.5 Standby bypass valve model

基于AMESim搭建主閥芯模型如圖6所示,表3為其仿真參數(shù)。

表3 主閥芯仿真參數(shù)Tab.3 Main valve core simulation parameters

圖6 主閥芯模型Fig.6 Main valve core model

基于AMESim搭建流量再生閥模型如圖7所示,表4為其仿真參數(shù)。

表4 流量再生閥模型仿真參數(shù)Tab.4 Simulation parameters of flow regeneration valve model

圖7 流量再生閥模型Fig.7 Flow regeneration valve model

基于AMESim搭建動臂及油缸模型如圖8所示,表5為其仿真參數(shù)。

表5 動臂及油缸模型仿真參數(shù)Tab.5 Boom and cylinder model simulation parameters

圖8 動臂及油缸模型Fig.8 Boom and cylinder model

2.2 系統(tǒng)總模型搭建

基于以上各元件模型及參數(shù),搭建如圖9所示的動臂重力勢能回收系統(tǒng)仿真總模型。

圖9 動臂重力勢能回收系統(tǒng)仿真模型總模型Fig.9 General Model of Simulation Model for Boom Gravity Potential Energy Recovery System

3 挖掘機(jī)動臂重力勢能回收系統(tǒng)仿真

初始參數(shù)下,給定動臂主閥芯先導(dǎo)壓力如圖10所示,1.5 s內(nèi)控制主閥左側(cè)先導(dǎo)壓力由0逐漸增加至4 MPa,保持6 s后1.5 s內(nèi)控制主閥左側(cè)先導(dǎo)壓力由4 MPa減小至0,此階段動臂處于下降狀態(tài);同理,給定右側(cè)先導(dǎo)壓力,控制動臂提升。如圖11所示為動臂升降極限位置圖,左圖為最高位,右圖為最低位。

圖10 主閥芯先導(dǎo)控制壓力Fig.10 Main valve core pilot control pressure

圖11 動臂升降極限位置圖Fig.11 Boom lifting limit position diagram

仿真20 s得到表針液壓挖掘機(jī)動臂升降過程系統(tǒng)性能曲線,圖12為動臂大小腔壓力動態(tài)曲線、圖13為動臂大小腔及流量再生閥流量動態(tài)曲線、圖14為動臂位移速度動態(tài)曲線。

圖12 動臂大小腔壓力Fig.12 Boom chamber pressure

圖13 動臂大小腔及再生閥流量Fig.13 Boom chamber and regeneration valve flow rate

圖14 動臂油缸位移速度曲線Fig.14 Boom cylinder displacement velocity curve

由圖12可知:動臂下降時動臂大腔壓力5.6 MPa,小腔壓力3.3 MPa;動臂提升時動臂大腔壓力4.7 MPa,小腔壓力1.6 MPa;升降到極限位置大小腔壓力達(dá)到安全閥壓力22.5 MPa。

由圖13可知:動臂下降時動臂小腔輸入流量74.2 L/min,其中有43 L/min由泵提供,有31.2 L/min由流量再生閥提供,再生流量貢獻(xiàn)率為48%,動臂大腔輸出流量140.8 L/min;動臂提升時動臂大腔輸入流量83.7 L/min,小腔輸出流量44.1 L/min。

由圖14可知:動臂下降速度為0.12 m/s,下降時間為4.7 s,動臂提升速度為0.07 m/s,提升時間為8 s。

4 挖掘機(jī)動臂重力勢能回收性能影響因素

4.1 流量再生閥通徑

設(shè)置流量再生閥通徑為7.0, 6.5, 5.5, 4.5 mm時進(jìn)行動臂下降仿真,圖15為流量再生閥通徑對再生流量的影響,圖16為流量再生閥通徑對動臂速度的影響。

圖15 流量再生閥通徑對再生流量的影響Fig.15 Influence of flow regeneration valve diameter on regeneration flow rate

由圖15～圖16可知:流量再生閥通徑對再生流量有影響, 增大通徑, 再生流量增加, 有助于提升動臂下降速度,驗(yàn)證了主閥芯和再生流量閥分體布置具有一定優(yōu)勢,即方案三優(yōu)勢較大。據(jù)此,在實(shí)際應(yīng)用中,可通過增加流量再生閥通徑增加動臂下降速度。

4.2 大腔回油通流面積

設(shè)置大腔回油通流面積函數(shù):pi×0.01×(x/7.5)、 pi×0.01×(x/8.5)、 pi×0.01×(x/9.5)、 pi×0.01×(x/10.5)進(jìn)行仿真,圖17為大腔回油通流面積對再生流量的影響,圖18為大腔回油通流面積對動臂速度的影響。

圖17 大腔回油通流面積對再生流量的影響Fig.17 Influence of return oil flow area of large chamber on regeneration flow

圖18 大腔回油通流面積對動臂速度的影響Fig.18 Influence of return oil flow area of large chamber on speed of boom

由圖17～圖18可知:大腔回油通流面積對再生流量影響很大,減小大腔回油通流面積,即增加動臂下降背壓,再生流量減小,動臂下降速度減小,再生流量減小主要原因是:動臂下降背壓增加,下降速度變慢,大腔輸出流量減小。據(jù)此,在實(shí)際應(yīng)用中,并不能單純通過增加回油背壓增大再生流量,進(jìn)而增加動臂下降速度,反而使動臂下降速度減小。

4.3 主閥芯LS腔→小腔通流面積

設(shè)置主閥芯LS腔→小腔通流面積: pi×0.01×(x/6), pi×0.01×(x/5), pi×0.01×(x/4), pi×0.01×(x/3)進(jìn)行動臂下降仿真,圖19為LS腔→小腔通流面積對再生流量的影響,圖20為LS腔→小腔通流面積對動臂速度的影響。

圖19 LS腔→小腔通流面積對動臂速度的影響Fig.19 Influence of LS cavity→ small cavity flow area on boom speed

圖20 LS腔→小腔通流面積對動臂速度的影響Fig.20 Influence of LS cavity→ small cavity flow area on boom speed

由圖19～圖20可知:LS腔→小腔通流面積對再生流量影響也很大,增大LS腔→小腔通流面積,再生流量增加,動臂下降速度增加,主要原因是再生流量通過LS腔→小腔通流面積進(jìn)入動臂小腔,增加其值有助于提升動臂下落速度。據(jù)此,在實(shí)際應(yīng)用中,可通過增加LS腔→小腔通流面積增加動臂下降速度。

5 動臂流量再生整機(jī)測試

為驗(yàn)證方案三的實(shí)際應(yīng)用效果,將進(jìn)行整機(jī)實(shí)測數(shù)據(jù)分析,出于技術(shù)保密,裝機(jī)多路閥和挖掘機(jī)型號這里不做過多描述,如圖21所示為測試設(shè)備調(diào)試圖和整機(jī)測試圖。

圖21 設(shè)備調(diào)試和整機(jī)測試圖Fig.21 Equipment debugging and overall testing diagram

在動臂液壓缸大小腔安裝EL18LOMD和VKA3/18L壓力測試接頭,在主閥P口安裝EL08LOMD和VKA3/08L壓力測試接頭,在主閥Ls口、動臂聯(lián)先導(dǎo)口安裝EL08LOMD和VKA3/08L壓力測試接頭,并在動臂液壓缸安裝位移傳感器,在主泵出口處串接流量計(jì)進(jìn)行主泵輸出流量采集,如表6所示為測試傳感器選型。

表6 測試傳感器選型Tab.6 Selection of testing sensors

挖機(jī)手控制動臂下降,動臂下降過程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,測試所得主閥P口、Ls壓力、動臂大小腔壓力、動臂先導(dǎo)壓力和動臂位移如圖22所示。

圖22 實(shí)測壓力位移數(shù)據(jù)Fig.22 Measured pressure displacement data

由圖22可知:實(shí)測壓力大于仿真壓力數(shù)據(jù),實(shí)測壓力數(shù)據(jù)和仿真壓力數(shù)據(jù)誤差原因可歸納這么幾點(diǎn):

(1) 裝車主閥實(shí)際壓損較仿真壓損大;

(2) 整機(jī)管路壓損較大。

根據(jù)實(shí)測動臂下降位移,可微分求導(dǎo)獲得動臂下降速度v(m/s),根據(jù)式(1)進(jìn)一步得到動臂小腔計(jì)算流量Q(L/min)。

Q=pi/4×(D2-d2)v×60/10000000

(1)

式中,D—— 動臂油缸缸徑,mm

d—— 動臂油缸桿徑,mm

通過動臂小腔計(jì)算流量和實(shí)測主泵輸出流量求差,獲得動臂小腔再生流量,如圖23所示。

圖23 動臂小腔流量分析Fig.23 Analysis of flow rate in small chamber of boom

從圖23可得:動臂下降過程中,動臂小腔再生流量貢獻(xiàn)率占比約28.2%,低于仿真值48%,盡管存在一定誤差,但仿真和實(shí)測共同驗(yàn)證了流量再生閥的重要作用。

6 結(jié)論

液壓挖掘機(jī)動臂下降重力勢能浪費(fèi)嚴(yán)重,且現(xiàn)有動臂重力勢能回收系統(tǒng)不足,對此,本研究進(jìn)行了液壓挖掘機(jī)動臂重力勢能回收系統(tǒng)方案設(shè)計(jì),并詳細(xì)設(shè)計(jì)了負(fù)載敏感控制的液壓挖掘機(jī)動臂重力勢能回收原理,基于AMESim進(jìn)行了各元件建模和參數(shù)設(shè)置,在此基礎(chǔ)上搭建了系統(tǒng)總模型,仿真得到了動臂升降時大小腔壓力、流量、再生流量動態(tài)性能曲線及動臂升降位移速度動態(tài)性能曲線,分析了再生流量閥貢獻(xiàn)率,并研究了再生閥芯通徑、大腔回油背壓、主閥LS→動臂小腔通流面積對再生流量和動臂速度的影響情況,最后實(shí)測了整機(jī)動臂下降過程中的壓力位移數(shù)據(jù),并進(jìn)行了動臂小腔流量分析,計(jì)算了再生流量值及其貢獻(xiàn)率,對挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)節(jié)能提升具有一定指導(dǎo),很多地驗(yàn)證了流量再生閥的實(shí)際應(yīng)用價值,主要結(jié)論:

(1) 流量再生閥對動臂下降進(jìn)油流量貢獻(xiàn)較大,仿真所得貢獻(xiàn)率為48%;

(2) 增大流量再生閥通徑,再生流量增加,動臂下降速度增大;

(3) 增加動臂下降背壓,再生流量不增加,反而減小,動臂下降速度減小,原因是增加下降背壓使大腔輸出流量減小,故可再生流量基數(shù)減小,則動臂下降變慢;

(4) 增大主閥LS腔→小腔通流面積,再生流量增加,使動臂下降加快;

(5) 實(shí)際應(yīng)用中,可通過增加流量再生閥通徑或主閥LS腔→小腔通流面積進(jìn)而提升動臂下降速度;

(6) 實(shí)測動臂下降過程,動臂小腔再生流量占總流量約35%,低于仿真值。