蓄能器在挖掘機節能驅動系統中的仿真研究

王欣，李嵐，宋友明，梁永富

（南華大學 機械工程學院，湖南 衡陽 421001）

0 引 言

液壓挖掘機作為一種重要的通用型工程機械存在著能耗大、污染大等缺點，為了提高挖掘機的工作效率，借助輔助設備對挖掘機勢能進行回收再利用是一條行之有效的解決途徑。相比于電動混合動力技術，液壓混合動力有更大的優勢。液壓混合動力大部分采用蓄能器，可以保持單一的液壓能形式，不需要進行能量轉換，可以長時間地保存能量，應用的場合限制較小。蓄能器能將多余的能量進行回收，在需要的時候進行釋放，從而達到節能的目的。

液壓挖掘機能耗利用率僅為20%左右，挖掘機工作循環時間的50%~70%用于回轉，挖掘機能耗的25%~40%用于回轉，挖掘機總發熱量的30%~40%來源于回轉系統［1］，因此對液壓挖掘機回轉系統進行節能研究將提高液壓系統的工作效率，具有很高的實用價值［2－5］。

1 蓄能器

圖1 皮囊式蓄能器的結構

液壓蓄能器是液壓系統中的重要輔件，對保證系統正常運行、改善其動態品質、保持工作穩定性、降低噪聲等起著重要的作用。目前應用最廣的是充氣式蓄能器（見圖1），充氣式蓄能器的膠囊慣性小、反應靈敏、不易漏氣、安裝維護容易、充氣方便等優點在二次調節系統中得到廣泛的應用。

如圖2，二次調節系統中的主要作用是在能源不足時提供瞬時補充流量。由于蓄能器能夠對多余的能量進行吸收，而在功率不足時瞬間補充存儲的液壓能，因而二次調節系統油源中的恒壓變量泵一般按平均功率選配，這樣可以降低成本、提高效率。因此，當負載超過恒壓變量泵額定功率時，額外的能量就由蓄能器提供［1］。

圖2 二次調節系統原理圖

2 挖掘機回轉節能驅動系統

以柳工CLG200-3 型挖掘機為研究的原型機，圖3是其回轉裝置的傳動方式，驅動方式為發動機驅動分功率變量泵，回轉制動方式為液壓與機械聯合制動。

挖掘機回轉平臺轉動時的方向由三位四通電磁換向閥控制，電磁換向閥右位接收到電控信號時，回轉轉臺開始在順時針方向回轉；當電磁換向閥處于中位時，系統的進、出口油路被中斷，回轉制動，但是回轉平臺在慣性的作用下繼續轉動，液壓馬達此時處于泵的狀態，上左部分的壓力開始升高，當壓力低于溢流閥的調定壓力時會立即制動，當壓力高于溢流閥的調定壓力時，油液會經閥9流回油箱，只有當壓力低于調定壓力時馬達才停止。溢流閥主要起著防止系統過載的作用。

圖3 CLG200-3 型挖掘機回轉裝置簡圖

由于在回轉啟動過程中液壓馬達的轉速很低，吸收的流量很少，所以流量大部分經溢流閥溢流，能量損失很大，在制動的過程中，由于慣性轉臺的慣性，流量經溢流閥溢流回到油箱，制動能量大部分都轉化成熱能損失掉了，使系統的液壓油的溫度升高很多，會使液壓油的使用壽命縮短。所以提出新的節能系統，蓄能器的引入能夠對損失掉的能量進行回收，在需要的時候進行釋放，從而實現系統的節能。

3 液壓系統建模與仿真

3.1 液壓系統建模

圖4 挖掘機回轉液壓系統能量回收仿真模型

將蓄能器加入到新的挖掘機回轉液壓系統中，對這種新的系統能量回收策略采用AMEsim 仿真軟件進行仿真研究，仿真模型如圖4 所示。

新型節能系統采用二次調節系統，可以實現位能和慣性能的回收和再利用；液壓蓄能器可以暫存系統過剩的能量，并且這部分能量可以隨著負載的變化而變化，從而達到功率匹配；液壓蓄能器對能量進行吸收和釋放，使系統不會形成壓力峰值，這樣可以減少安全閥的損失，降低用于冷卻的功耗。

3.2 系統加載仿真

表1 回轉系統仿真模型參數

本文仿真分析的重點在于利用AMEsim 的系統仿真結果驗證新的液壓系統是否合理、液壓元件的參數選取是否準確。表1 為回轉系統仿真中的主要參數。根據仿真模型，設定好參數后進行仿真試驗。

圖5 為三位四通換向閥的信號，是根據閥的額定電流來進行設置，在-40~+40 mA之間。蓄能器的壓力變化曲線如圖6 所示。蓄能器的壓力隨負載而波動，但波動幅度小，且不超過工作范圍，表明所選的蓄能器是合理的。

表2 各個換向閥的1-60s 的位置

圖5 三位四通換向閥的信號

圖6 蓄能器壓力變化曲線

蓄能器在工作開始時液壓泵為蓄能器充能，蓄能器的壓力逐漸上升，當回轉馬達流量和泵輸出流量相等時，蓄能器開始釋放能量給馬達，使馬達繼續加速，蓄能器的壓力下降。制動時，液壓馬達為蓄能器充油，進行制動和能量回收。

4 結 論

本文對液壓蓄能器進行研究，蓄能器主要在系統制動中對多余能量進行回收和在下次啟動時進行釋放，使系統實現節能。通過仿真軟件AMEsim 進行仿真，結果表明，蓄能器的加入不僅可以實現能量的回收和再利用，還可以改善制動的性能和降低挖掘機的油溫和能耗。

［1］ 于斌.基于能量回收再利用的液壓挖掘機回轉系統節能研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2011.

［2］ 付亞超.液壓挖掘機回轉裝置節能研究［D］.成都：西南交通大學，2010.

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［6］ 于安才，姜繼海.液壓混合動力挖掘機能量再生控制研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2012（1）：91-95.

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［8］ 姜繼海，于斌，于安才，等.基于能量回收再利用的液壓挖掘機回轉系統節能研究［J］.流體傳動與控制，2011（6）：7-10.

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［10］ 李賽白.液壓挖掘機回轉制動能量回收系統研究［D］.桂林：中南大學，2012.

［11］ 徐曉.液壓挖掘機回轉制動能量回收系統研究［D］.杭州：浙江大學，2012.

［12］ 秦家升，趙繼云，李宗，等.挖掘機回轉能量回收系統比較研究［J］.礦山機械，2013（10）:38-41.

（編輯 啟 迪）