基于AMESim的林業(yè)采伐頭俯仰液壓缸的能量回收系統(tǒng)設計

關鍵詞：林業(yè)采伐頭； 勢能回收； 液壓蓄能器； AMESim； 液壓油缸； 負載敏感泵

中圖分類號：S776. 31+2 文獻標識碼：A DOI：10. 7525/j. issn. 1006-8023. 2024. 06. 011

0引言

液壓系統(tǒng)因其功重比高、輸出力強，廣泛應用于液壓挖掘機、林業(yè)采伐機和航空飛機等重大裝備當中［1-2］。然而，其能效低下的問題已成為一個普遍存在的挑戰(zhàn)。據(jù)研究表明，液壓系統(tǒng)平均能效僅為22%［3］，其中大部分能量被轉(zhuǎn)化為熱能而被耗散，造成了嚴重的能量浪費。特別是在林業(yè)采伐過程中，液壓系統(tǒng)的能效問題更為突出［4］。在廣西進行采伐測試時發(fā)現(xiàn)，采伐頭液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)過熱問題，尤其是在南方炎熱潮濕的環(huán)境下，液壓系統(tǒng)的熱量積累嚴重，導致油溫升高，從而降低了系統(tǒng)的性能，甚至導致采伐作業(yè)的中斷。隨著我國提出“雙碳”目標，如何提高工程機械的能效已成為亟待解決的重要問題［5-7］。林業(yè)采伐頭具有自重大、俯仰頻次高和運行周期短的特點，且林業(yè)采伐頭采用多路閥控制，造成液壓缸下沉過程中大量重力勢能經(jīng)控制閥閥口節(jié)流作用轉(zhuǎn)化為熱能耗散。因此回收和利用液壓缸下沉過程中的重力勢能是解決采伐頭能耗的關鍵一環(huán)。目前，林業(yè)采伐頭重力勢能回收大致可以分為直接回收和間接回收2種類型［8-9］。

直接回收［10］是采用蓄能器在液壓缸下沉時將能量回收后存儲在蓄能器中，再利用時，蓄能器內(nèi)的高壓油液直接釋放到液壓泵的入口，這個過程可以吸收多余的液壓沖擊，消除脈動［11］。但由于蓄能器內(nèi)的壓力不穩(wěn)定，會對液壓油缸的運動產(chǎn)生較大影響。如果蓄能器壓力偏低，將會出現(xiàn)節(jié)流損失。而當蓄能器內(nèi)壓力過高時，偶爾會出現(xiàn)過平衡現(xiàn)象［12］。

間接回收是使用獨立的平衡結(jié)構(gòu)進行能量回收［13］。如使用獨立平衡液壓缸進行回收，配置了平衡結(jié)構(gòu)后，能量回收和釋放相對獨立，可以減少能量轉(zhuǎn)化次數(shù)，提高效率［14-15］。但對采伐頭體積較重型機械臂來說體積偏小，配置獨立的平衡結(jié)構(gòu)容易影響正常的伐木工作，此類方案運用較少［16-17］。

綜上所述，在重力勢能回收方面仍存在許多不足，加之在采伐頭作業(yè)工程中，負載變化較大，空載情況偏多［18］。本研究提出一套動能以及負載勢能的回收系統(tǒng)，通過高、低壓蓄能器與負載敏感泵的配合對采伐頭俯仰液壓缸的重力勢能及空載時動能進行回收再利用，以減少系統(tǒng)能耗。

1原系統(tǒng)運動學模型建立

林業(yè)采伐頭結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。伐木工作裝置主要分為本體和框架2部分，俯仰液壓缸用于控制本體與框架相對位置，主要在伐木階段呈豎直狀態(tài)，立木伐倒之后進行的打枝造材作業(yè)時將本體置于水平狀態(tài)，相對位置如圖2所示。

針對其俯仰液壓缸頻繁工作，對其不同工況狀態(tài)進行分析。在SolidWorks中給出相對應元件的密度，然后進行質(zhì)量評估，得到其重心的位置變換，建立采伐頭俯仰系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

2節(jié)能系統(tǒng)工作原理

圖4為蓄能器回收動勢能的原理圖，該系統(tǒng)可分為驅(qū)動回路和儲能回路2個部分。其驅(qū)動回路取代了原有的定量泵，采用負載敏感泵，在保證系統(tǒng)正常工作的前提下，最大程度上減少能耗損失。儲能回路則是新增2個高低壓蓄能器，蓄能器被用來存儲和釋放液壓能量。高壓蓄能器通常具有較高的儲能密度和快速響應能力，適合存儲大量的能量，但相對容量較小。低壓蓄能器則具有較大的容量，適合存儲較小的能量，但響應速度相對較慢。通過同時使用高壓和低壓蓄能器，液壓節(jié)能系統(tǒng)可以更好地滿足不同工況下的能量回收需求。在高負載或高動態(tài)負載情況下，高壓蓄能器可以提供快速響應和大量的能量釋放，以滿足系統(tǒng)工作及重力勢能回收的需求。而低壓蓄能器則給系統(tǒng)提供輔助動力，保障系統(tǒng)的平穩(wěn)性，提高采伐頭的使用壽命。

采伐頭仰階段，液壓泵輸出的油液進入俯仰液壓缸的無桿腔，高壓蓄能器中儲存的液壓能經(jīng)儲能回路也進入俯仰液壓缸的無桿腔并轉(zhuǎn)化為機械能，協(xié)同俯仰液壓缸工作，存儲在高壓蓄能器中的液壓能轉(zhuǎn)化為重力勢能，實現(xiàn)了能量的再利用。采伐頭俯階段，液壓泵輸出的油液俯仰液壓缸的有桿腔，采伐頭的重力及有桿腔壓力共同作用使俯仰液壓缸下降，采伐頭的重力勢能經(jīng)儲能回路轉(zhuǎn)換液壓能，直接儲存在蓄能器中，實現(xiàn)了重力勢能的回收。當采伐頭不工作時，液壓泵輸出的油液直接進入低壓蓄能器當中，實現(xiàn)空載時動能回收。

2. 1換向閥數(shù)學模型

三位四通換向閥是一種液壓控制元件，具有3個工作位置和4個油口，通常包括2個進油口和2個出油口。這些油口分別用P（進油口）、O（出油口）和A、B（通向執(zhí)行元件的輸出口）表示。換向閥簡圖如圖5所示。

3優(yōu)化仿真研究

根據(jù)節(jié)能系統(tǒng)的工作原理及系統(tǒng)數(shù)學模型，將CAD中建立的節(jié)能回路原理圖導入到AMESim中，在AMESim軟件搭建出原俯仰液壓缸系統(tǒng)模型與新系統(tǒng)模型如圖6所示。

為確保仿真模型的準確性，使整個過程中仿真與試驗的響應時間基本吻合，能夠反映真實的工作特性。對原俯仰液壓缸系統(tǒng)的運行特性進行了試驗和數(shù)據(jù)采集。在規(guī)定工作時間內(nèi)對采伐頭樣機俯仰液壓回路進行流量、壓力監(jiān)測，如圖7所示。

采集到控制閥不同開度情況下隨時間變換的壓力、流量曲線，如圖8所示。

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)分析，對其仿真模型中的參數(shù)進行設置，主液壓泵排量為52L/min，俯仰液缸行程為134mm，缸徑為50mm，桿徑為25 mm，雙側(cè)合計推力為50265N，采伐頭空負載質(zhì)量約為850kg。以典型工況負載為40000 N時來進行俯仰液壓缸的運動仿真。為了保證蓄能器的高效工作狀態(tài)，蓄能器的最高工作壓力p₁和最低工作壓力p₂滿足：p₂/p₁=0. 308，其充氣壓力p₀，按照0. 25p₁

由圖9可知，曲線分別表示原系統(tǒng)和新系統(tǒng)的活塞桿運動速度變化。當有負載時，活塞桿上移速度震蕩強烈，容易造成伐木頭的沖擊影響使用，所以引入了低壓蓄能器，震蕩幅度有了明顯改善，但因低壓蓄能器存在充、放壓的過程，所以造成了速度變換的滯后。其滯后時間在0. 5 s以內(nèi)，在實際的實踐工程中影響較小，屬于可以接受范圍。

在一個作業(yè)周期內(nèi)，0～10 s，液壓缸完成4 次俯仰動作，其壓力與流量變化曲線如圖10所示，因為搭載負載敏感系統(tǒng)，相比原系統(tǒng)中的定量泵，壓力與流量都隨工作狀態(tài)的變化而變化，在0～10 s其輸出能量為118. 15 kJ，相比傳統(tǒng)定量泵的能耗（173. 87 kJ）節(jié)省55. 72 kJ。

其高壓蓄能器壓力、流量變化如圖11所示，將10 s分為4個俯仰周期，0～2 s回收能量11. 317 kJ，釋放能量31. 334 kJ；2～4 s回收能量13. 993 kJ，釋放能量21. 175 kJ；4～6 s 回收能量13. 273 kJ，釋放能量16. 426 kJ；6～8 s 回收能量12. 819 kJ，釋放能量13. 902 kJ；8～10 s系統(tǒng)未工作，此時蓄能器能耗損失為7. 205 kJ。

低壓蓄能器其壓力、流量變化如圖12所示，將10 s分為4個俯仰周期，0～2s回收能量6. 739kJ，釋放能量19. 884 kJ；2～4 s回收能量5. 431 kJ，釋放能量13. 592 kJ；4～6 s 回收能量4.542kJ，釋放能量10. 384 kJ；6～8 s 回收能量3. 929 kJ，釋放能量8. 353 kJ；8～10 s系統(tǒng)未工作，此時蓄能器能耗損失為15. 792 kJ。

高壓蓄能器在液壓缸俯下階段完成充液，回收系統(tǒng)的重力勢能達51.402kJ，低壓蓄能器回收來自液壓泵的動能達20. 641 kJ，消除系統(tǒng)產(chǎn)生的振蕩，負載敏感泵實時控制出口壓力和流量確保系統(tǒng)正常運行。

5結(jié)論

針對采伐頭俯仰液壓缸在重力勢能回收方面的不足，以及采伐頭作業(yè)工程中，負載變化較大，空載情況偏多的情況。新系統(tǒng)采用負載敏感系統(tǒng)，并搭載高、低壓蓄能器，負責回收系統(tǒng)的多余動能以及重力勢能，在相同工作周期內(nèi)：

1）新系統(tǒng)采用負載敏感泵，相較于原系統(tǒng)的定量泵輸出能量減少了32. 04%，有效解決了系統(tǒng)運行過程中大量能量浪費的問題。

2）俯仰過程中，系統(tǒng)在低壓蓄能器的輔助工作下，液壓缸活塞桿移動速度振蕩減緩，減少了采伐作業(yè)中的油缸沖擊影響，提高系統(tǒng)的平穩(wěn)性。高壓蓄能器則在溢流閥的作業(yè)下保障了系統(tǒng)的正常運行以及整體的動勢能回收，一個周期內(nèi)回收能量達51. 402kJ，優(yōu)化了系統(tǒng)的節(jié)能情況。