負載下的液壓挖掘機大臂勢能回收系統設計

程曉融+賀利樂+張平+楊明宇

摘要：針對目前普通挖掘機存在的工作裝置下放時勢能無法回收，造成能量損失以及因系統發熱而降低液壓系統的可靠性和壽命等問題，設計了一種勢能回收系統。通過ADAMS軟件進行動力學分析，獲得了動臂在下降過程中液壓缸所受的動態負載曲線，將其施加到能量回收系統試驗臺，以研究在此過程中動臂下降的穩定性以及能量回收效率。仿真結果表明，該系統回收效率較高，可控性好，還可有效地減少環境污染，延長機械的使用壽命。

關鍵詞：液壓挖掘機；能量回收；動態負載；仿真

中圖分類號：U415.51文獻標志碼：BDesign of Booms Potential Energy Recovery System for Hydraulic

0引言

近年來，隨著基礎設施建設力度在全國各地的加大，挖掘機在道路、建筑、水利及礦山等工程領域的應用日益增多，成為了目前應用最廣泛的工程機械之一，但同時它也是一種耗油高、排放差、對環境污染嚴重的工程機械[12]。普通挖掘機20 s內就可以完成一個工作循環，在每個循環中，動臂、斗桿和鏟斗等都有一次下降，在此過程中產生的勢能除了少部分以動能的形式繼續存在外，其余的大都以熱能的形式耗散[3]，若不對這部分勢能加以回收，將造成液壓系統的發熱，降低液壓系統的可靠性和壽命。所以對動臂、斗桿和鏟斗等下降的勢能進行回收，對延長挖掘機的壽命、提高能量的利用率具有重要意義[4]。

目前，國內外學者對于液壓系統的勢能回收已經有了一定的研究，也取得了相應的成果。瑞典Innas公司將液壓變壓器應用于挖掘機液壓系統中，回收回油的液壓能[5]；美國卡特比勒公司和新卡特比勒三菱株式會聯合提出了一種可以用于勢能回收的液壓系統[6]。在國內，張彥庭采用配合油電混合動力驅動系統的方法開展液壓馬達能量回收[7]；吉林大學陳明東提出了以鏟斗中分別盛裝不同重量的重物來研究動臂變負載下的能量回收效率[8]。但現有勢能回收問題研究中，都沒有考慮挖掘機在實際工作中單次動臂下降過程中液壓缸受力是一個動態過程，而是分別用某幾個恒定的力來模擬動臂液壓缸所受到的外負載，這顯然與挖掘機實際工作狀況不符；另外對于動臂下降的穩定性對其勢能回收的影響也缺乏分析研究。針對上述問題，本文根據挖掘機的實際工作狀況，結合所設計的動臂能量回收試驗系統，進行基于動態負載的液壓挖掘機動臂勢能回收系統仿真研究。

1挖掘機動臂勢能回收

液壓挖掘機動臂系統是涵蓋了機械、電子、電氣、液壓以及測控系統在內的一整套綜合系統。對其進行建模并分析時需要多種軟件的配合，如SimulationX、Solidworks和ADAMS等的協作仿真。

1.1液壓挖掘機工況分析

液壓挖掘機的工作過程呈現循環往復的周期性特點，最為典型的工作循環主要由以下工況組成：挖掘工況、滿斗舉升回轉工況、卸載工況、空斗返回工況。如圖1所示，可見驅動機構液壓泵的需求轉矩呈周期、規律、突變特性，其中一個周期約為15 s。其中，0～2 s為動臂下降階段，此時可以回收動臂勢能，2～5 s為挖掘作業階段，5～9 s為帶載提升階段，9～12 s為帶載回轉階段，12～15 s為卸載回轉階段[9]。

1.2動臂勢能回收系統原理

普通挖掘機工作時，在動臂下降階段，動臂液壓缸無桿腔中的壓力油通過多路閥后，直接流回油箱，其下降速度由多路閥回油口的開度來控制。在此過程中，動臂下降產生的勢能除了少部分轉化成動臂的動能外，其余大都將通過節流消耗在多路閥閥口上，以熱能的形式耗散，這種能量損失不僅降低了燃油的經濟性，而且轉化成的熱能還會降低液壓系統的可靠性和壽命。

為了解決大量動臂勢能損失問題，本文提出一種新型動臂節能系統，系統原理如圖2所示。

2液壓挖掘機剛性動力學分析

在現有對勢能回收的研究中，存在的關鍵問題是沒有考慮單次動臂下降過程中液壓缸受力狀態是一個動態過程，而是以某幾個恒定的力來分別模擬動臂液壓缸所受到的外負載，這顯然不符合挖掘機實際工作情況。本文運用ADAMS軟件對挖掘機動臂下降過程進行仿真，將得到的液壓缸所受的動態負載曲線，施加到能量回收系統試驗臺，研究在此過程中的能量回收效率。

2.1液壓挖掘機的三維建模

根據某型號液壓挖掘機設計圖紙的要求，在Solidworks中建立各部件的三維實體模型并進行裝配，再導入ADAMS，從而獲得建立其運動學微分方程所需要的零件質心的位置、質量及轉動慣量等參數。ADAMS中建立的三維模型如圖3所示。

2.2動臂下降過程受力仿真

仿真過程采用標準的挖掘流程：挖掘—提升—旋轉—下降—放鏟—旋轉回位。本次研究對象的鏟斗容量為02 m3，以Ⅳ級土為挖掘對象，容重為20 000 N·m-3，可算出挖掘結束后滿載鏟斗的重力是40 kN。設定動臂首先從挖掘位置滿斗上升至最高點，這一過程為0～7 s，然后7～95 s為動臂滿斗的下降過程，即動臂、斗桿和鏟斗復合動作從最高點下降至卸料起始點，動臂液壓缸活塞下降032 m，耗時25 s。

針對該仿真過程，可以從后處理模塊PostProcessor中獲得動臂液壓缸受力點的受力曲線，如圖4所示。由此可證明，動臂在下降過程中由于自身重力、部件之間的連接以及液壓油所受壓力變化等因素存在剛性沖擊，受力會有波動或者突變。

3挖掘機動臂勢能回收仿真與分析

3.1基于SimulationX的液壓系統仿真模型的建立

運用SimulationX軟件對圖2所示的動臂勢能回收系統，建立仿真模型如圖5所示。在模型中，外載荷由質量模塊mass以及外加力模塊source施加，動態負載由curve1模擬。仿真中液壓缸的目標下降速度設定為04 m·s-1，由sensor、curve2、function2、function3、、PID五個信號模塊以及變量馬達PumpMotorVar綜合控制。信號數學曲線在SimulationX 的信號編輯窗口中可以進行方便的導入或者編輯。endprint

3.2動臂液壓缸變負載模擬

將動臂下降過程液壓缸受力點的受力曲線（圖4）中7～95 s的受力情況，通過SimulationX中的信號編輯窗口導入到curve1模塊中，如圖6所示。此時系統仿真模型中的外加力模塊source則會隨著curve1模塊中力的變化而變化。

3.3仿真結果及分析

3.3.1動臂液壓缸速度分析

圖7所示為動臂液壓缸下降速度仿真曲線。可看出動臂從0 s開始下降；在下降初始階段速度有微小波動，速度從0開始逐漸增大到07 m·s-1左右；隨后衰減并趨近于穩態值042 m·s-1；接近動臂下降結束，即25s時，動臂速度逐漸減小為0，挖掘機進行卸料。可見仿真結果所得動臂液壓缸速度與挖掘機實際工況的速度04 m·s-1相符，速度超調量在允許范圍內。系統采用動臂下降速度對回收馬達排量進行反饋控制，避免了動臂在下降過程中失控所帶來剛性沖擊，同時又解決了傳統節流調速產生的能量損失問題。

3.3.2超級電容回收能量分析

超級電容充電電壓如圖8所示。

4結語

通過對液壓挖掘機工況的分析，本文提出了一種液壓挖掘機動臂下降勢能回收系統。并通過ADAMS軟件對挖掘機實際工作過程進行仿真，得到動臂在單次下降過程中，液壓缸所受動態負載曲線，將其施加到能量回收系統試驗臺，以研究在此過程中的能量回收效率。通過動臂下降速度對回收馬達排量的反饋控制，解決了動臂下降失速所帶來剛性沖擊，避免了傳統節流調速產生的能量損失問題。最后的仿真結果顯示，該系統節能效果顯著，具有較高的能量回收率，這對后續進行回收能量再利用的方案設計與研究奠定了良好的基礎。

參考文獻：

[1]郝天奇.混合動力挖掘機動臂勢能的閉式液壓回收系統研究[D].長春：吉林大學，2011.

[2]任小青.液壓挖掘機節能技術的發展綜述[J].機床與液壓，2009，37（8）：248250.

[3]歐陽小平.液壓變壓器研究[D].杭州：浙江大學，2005.

[4]美國卡特彼勒公司.用于回收勢能的液壓系統：中國，101278130A[P].20081001.

[5]張彥廷，王慶豐，肖清.混合動力液壓挖掘機液壓馬達能量回收的仿真及試驗[J].機械工程學報，2007，43（8）：218223.

[6]陳明東.液壓挖掘機動臂下降勢能回收技術研究[D].長春：吉林大學，2013.

[7]林瀟，管成，裴磊.混合動力液壓挖掘機動臂勢能回收系統[J].農業機械學報，2009，40（4）：96101.

[8]張樹忠，鄧斌，柯堅.基于液壓變壓器的挖掘機動臂勢能再生系統[J].中國機械工程，2010，21（10）：11611166

[9]柯堅，李培，于蘭英，等.混合動力挖掘機動臂節能系統研究[J].機械設計與研究，2011，27（6）：109112.

[責任編輯：杜衛華]endprint

3.2動臂液壓缸變負載模擬

將動臂下降過程液壓缸受力點的受力曲線（圖4）中7～95 s的受力情況，通過SimulationX中的信號編輯窗口導入到curve1模塊中，如圖6所示。此時系統仿真模型中的外加力模塊source則會隨著curve1模塊中力的變化而變化。

3.3仿真結果及分析

3.3.1動臂液壓缸速度分析

圖7所示為動臂液壓缸下降速度仿真曲線。可看出動臂從0 s開始下降；在下降初始階段速度有微小波動，速度從0開始逐漸增大到07 m·s-1左右；隨后衰減并趨近于穩態值042 m·s-1；接近動臂下降結束，即25s時，動臂速度逐漸減小為0，挖掘機進行卸料。可見仿真結果所得動臂液壓缸速度與挖掘機實際工況的速度04 m·s-1相符，速度超調量在允許范圍內。系統采用動臂下降速度對回收馬達排量進行反饋控制，避免了動臂在下降過程中失控所帶來剛性沖擊，同時又解決了傳統節流調速產生的能量損失問題。

3.3.2超級電容回收能量分析

超級電容充電電壓如圖8所示。

4結語

通過對液壓挖掘機工況的分析，本文提出了一種液壓挖掘機動臂下降勢能回收系統。并通過ADAMS軟件對挖掘機實際工作過程進行仿真，得到動臂在單次下降過程中，液壓缸所受動態負載曲線，將其施加到能量回收系統試驗臺，以研究在此過程中的能量回收效率。通過動臂下降速度對回收馬達排量的反饋控制，解決了動臂下降失速所帶來剛性沖擊，避免了傳統節流調速產生的能量損失問題。最后的仿真結果顯示，該系統節能效果顯著，具有較高的能量回收率，這對后續進行回收能量再利用的方案設計與研究奠定了良好的基礎。

參考文獻：

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[8]張樹忠，鄧斌，柯堅.基于液壓變壓器的挖掘機動臂勢能再生系統[J].中國機械工程，2010，21（10）：11611166

[9]柯堅，李培，于蘭英，等.混合動力挖掘機動臂節能系統研究[J].機械設計與研究，2011，27（6）：109112.

[責任編輯：杜衛華]endprint

3.2動臂液壓缸變負載模擬

將動臂下降過程液壓缸受力點的受力曲線（圖4）中7～95 s的受力情況，通過SimulationX中的信號編輯窗口導入到curve1模塊中，如圖6所示。此時系統仿真模型中的外加力模塊source則會隨著curve1模塊中力的變化而變化。

3.3仿真結果及分析

3.3.1動臂液壓缸速度分析

圖7所示為動臂液壓缸下降速度仿真曲線。可看出動臂從0 s開始下降；在下降初始階段速度有微小波動，速度從0開始逐漸增大到07 m·s-1左右；隨后衰減并趨近于穩態值042 m·s-1；接近動臂下降結束，即25s時，動臂速度逐漸減小為0，挖掘機進行卸料。可見仿真結果所得動臂液壓缸速度與挖掘機實際工況的速度04 m·s-1相符，速度超調量在允許范圍內。系統采用動臂下降速度對回收馬達排量進行反饋控制，避免了動臂在下降過程中失控所帶來剛性沖擊，同時又解決了傳統節流調速產生的能量損失問題。

3.3.2超級電容回收能量分析

超級電容充電電壓如圖8所示。

4結語

通過對液壓挖掘機工況的分析，本文提出了一種液壓挖掘機動臂下降勢能回收系統。并通過ADAMS軟件對挖掘機實際工作過程進行仿真，得到動臂在單次下降過程中，液壓缸所受動態負載曲線，將其施加到能量回收系統試驗臺，以研究在此過程中的能量回收效率。通過動臂下降速度對回收馬達排量的反饋控制，解決了動臂下降失速所帶來剛性沖擊，避免了傳統節流調速產生的能量損失問題。最后的仿真結果顯示，該系統節能效果顯著，具有較高的能量回收率，這對后續進行回收能量再利用的方案設計與研究奠定了良好的基礎。

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[4]美國卡特彼勒公司.用于回收勢能的液壓系統：中國，101278130A[P].20081001.

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[8]張樹忠，鄧斌，柯堅.基于液壓變壓器的挖掘機動臂勢能再生系統[J].中國機械工程，2010，21（10）：11611166

[9]柯堅，李培，于蘭英，等.混合動力挖掘機動臂節能系統研究[J].機械設計與研究，2011，27（6）：109112.

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