基于蓄能器的動臂勢能回收系統仿真研究

， ， ， (新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室(太原理工大學)， 山西 太原 030024)

引言

液壓挖掘機是最常用的工程機械之一，普通液壓挖掘機通常使用柴油發動機驅動，一直存在能耗高，排放差的問題[1]。面對當前能源緊缺和環境問題日益嚴重的情況，節能和環保越來越重要。傳統液壓挖掘機總能量利用效率并不高，其液壓系統效率僅為40%左右[2],因此液壓挖掘機的節能研究具有重要意義。在挖掘機的可回收能量中，動臂液壓缸可回收能量占有很大比例[3-5]，若能實現動臂勢能回收，將會有可觀的節能和環保效果。國內對于動臂勢能的回收已經有了一定的研究，浙江大學的林瀟等人介紹了一種使用液壓馬達、發電機和鎳氫電池組成的混合動力液壓挖掘機動臂勢能回收系統[6]，但該系統結構較復雜。中南大學的陳欠根等人提出了一種基于液壓缸——蓄能器平衡的新型液壓挖掘機動臂勢能回收再利用系統[7]。吉林大學的趙丁選等人提出了一種以蓄能器為儲能元件的油液混合動力液壓挖掘機動臂勢能回收系統[8]，該系統結構簡單，文中僅分析了蓄能器預充壓力對能量回收效果的影響。

本研究采用與文獻 [8-10] 類似的系統，在Simulation X軟件中建立了挖掘機工作裝置的多體動力學仿真模型，仿真研究了該系統的操縱性，能量回收性能，以及蓄能器參數對能量回收率的影響。

如圖1為液壓挖掘機動臂勢能回收系統的原理。在能量回收階段，當動臂下降時，比例閥4在中位，比例閥9在右位。動臂液壓缸無桿腔的油液通過比例閥9進入蓄能器，動臂的勢能轉化為液壓能儲存在蓄能器7中。與普通挖掘機相比，蓄能器能夠代替節流閥為動臂液壓缸提供所需的回油背壓，避免了使用節流閥引起的能量損失。通過調整比例閥9的開度，可以控制動臂的下降速度，且下降速度相對穩定。

1、3、10.單向閥 2.泵 4、9.電比例方向閥 5.動臂液壓缸 6.壓力傳感器 7.蓄能器 8.溢流閥 圖1 動臂勢能回收系統原理

在能量釋放階段，比例閥9切換到左位，蓄能器油口與液壓泵的吸油口相連，油液通過液壓泵吸油口回到液壓系統，提高了液壓泵吸油口壓力，從而降低了泵的輸入功率，達到節能的目的。

蓄能器進油口安裝有壓力傳感器，在動臂下降階段，當蓄能器壓力過高時，動臂不能以設定的速度下降，此時比例閥4切換到左位，液壓泵接入動臂液壓缸回路，驅動動臂下降。同時比例閥9切換到左位，蓄能器釋放能量，能量釋放完畢后，比例閥9切換到中位，為下一次能量回收做準備。

1 系統的多體動力學仿真模型

以某6 t級小型挖掘機為研究對象，其工作裝置如圖2所示。

1.鏟斗 2.鏟斗液壓缸 3.斗桿 4.斗桿液壓缸 5.動臂 6.動臂液壓缸

為了使仿真結果更加接近于實際情況，首先在Pro/E軟件中建立挖掘機工作裝置的三維裝配模型，并通過接口導入到Simulation X進行多體動力學仿真。其仿真模型如圖 3所示。

圖3 多體動力學仿真模型

2 動臂可回收能量分析

挖掘機在動臂舉升階段，動臂液壓缸需要克服工作裝置以及負載共同的重力作用，將動臂舉升到所需高度。在動臂下降過程中，動臂的勢能通過油液在閥口發熱損失掉，不僅浪費能源，且會使油液溫度升高。

由圖4可以看出，液壓缸活塞位移在0～600 mm之間，無桿腔壓力變化范圍5.7～6.2 MPa，變化較小，適宜使用蓄能器進行能量回收。

圖4 動臂液壓缸活塞桿位移與無桿腔壓力

動臂下降過程中，在忽略摩擦等損失的情況下，動臂可回收能量計算公式如下：

其中，pc為動臂液壓缸無桿腔壓力，Sc為動臂液壓缸無桿腔截面積。對圖4中的數據進行積分計算，得到動臂下降過程中可回收能量約為32 kJ。

3 蓄能器參數匹配

蓄能器在液壓系統中是用來儲存、釋放能量的裝置，分為氣體加載式、重錘式、彈簧式。其中氣體加載式又分為氣囊式、活塞式和氣瓶式[4]。本研究選用氣囊式蓄能器，它能夠實現油氣隔離，且具有尺寸小，重量輕等優點。蓄能器是動臂勢能回收系統的儲能元件，選取合適的參數，能夠提高系統的能量回收率。氣囊式蓄能器中的氣體可視為理想氣體，符合如下公式：

(1)

Vt=V0-Vc

(2)

式中，C為固定常數，p0與pt分別為蓄能器的預充壓力和動臂液壓缸完全收回時刻的壓力；V0與Vt分別為蓄能器的充氣體積和動臂液壓缸完全收回時刻的氣體體積；Vc為動臂液壓缸無桿腔最大容積，為5.6 L；由于蓄能器工作循環小于3 min，因此視為絕熱過程，多變指數n取1.4[4]。

蓄能器在接入后，只有蓄能器壓力始終小于液壓缸無桿腔壓力時，才能使動臂液壓缸完全收回。在動臂下降過程中，油液經過比例換向閥時會產生一定的壓降，這里假設為pd=0.5 MPa，那么需要滿足如下關系式：

pt

(3)

式中，pc據圖4取6 MPa。由式(1)～(3)可得：

整理可得：

據上式可得表1。

表1 蓄能器初選參數

蓄能器的容積規格有16 L、25 L、40 L、63 L，將表1容積取整后，可得表2。

表2 蓄能器選定參數

4 仿真研究

根據上述原理，建立使用動臂勢能回收系統的工作裝置多體動力學仿真模型。并進行勢能回收的仿真分析。

4.1 系統能量回收及操縱性分析

圖5 系統回收的能量

圖6 動臂液壓缸活塞桿位移-時間曲線

由仿真結果可知：蓄能器回收的能量為22.3 kJ，回收率為69.7%，該系統可以將動臂下降時的勢能轉化并儲存在蓄能器中，實現較好的能量回收效果。在動臂下降過程中，動臂液壓缸活塞桿速度基本穩定，使用蓄能器作為儲能元件的動臂勢能回收系統具有較好的操縱性。

4.2 蓄能器參數的影響

本節將分別考察蓄能器預充壓力和體積參數對能量回收率的影響。

1) 蓄能器預充壓力的影響

設定相同的下降速度和蓄能器體積，考察蓄能器預充壓力對能量回收率的影響。蓄能器體積為40 L，下降時間為4 s，預充壓力分別為3 MPa、3.5 MPa、4 MPa時的能量回收率如圖7所示。

圖7 能量回收率與蓄能器預充壓力的關系

由圖7可以看出，在下降速度和蓄能器體積相同時，蓄能器預充壓力越高，系統能量回收率越高。這是因為當蓄能器壓力較高時，達到同樣的下降速度，比例閥需要較大的開度，這就使得在比例閥上的能量損失較低，從而獲得較高的能量回收率。

2) 蓄能器體積的影響

設定相同的下降速度和預充壓力，考察蓄能器體積對能量回收率的影響。下降時間為4 s，蓄能器預充壓力為3.5 MPa，體積分別為25 L、40 L、63 L時的能量回收率如圖8所示。

圖8 能量回收率與蓄能器體積的關系

由圖8可以看出，在下降時間及蓄能器預充壓力相同時，蓄能器體積越小，系統的能量回收率越高，這是因為在同樣預充壓力的前提下，蓄能器體積越小，充入同體積油液后，蓄能器內壓力越高，使得小體積蓄能器在動臂下降過程中平均壓力較高，從而得到較高的能量回收率。

4.3 不同下降速度時能量的回收率

使用同一蓄能器，通過設定不同的動臂下降速度來考察在不同下降速度下系統能量的回收率。仿真結果如圖9所示。

圖9 不同下降速度下的能量回收率

由仿真結果可以看出使用同一蓄能器，不同的下降速度對能量回收率幾乎沒有影響。在使用同一蓄能器時，較大的下降速度對應較大的流量，流量越大，在閥口的功率損失越大，但時間較短；下降速度小時，流量越小，在閥口的功率損失越小，但時間較長。閥口處能量損失的總量幾乎不變，繼而蓄能器回收的能量基本一致，因此系統的能量回收率基本保持不變。

5 結論

以Simulation X為平臺，搭建了液壓挖掘機工作裝置的多體動力學仿真模型，該仿真模型能夠較準確地模擬液壓挖掘機工作裝置的實際工作情況。使用該模型驗證并研究了一種以蓄能器為儲能元件的液壓挖掘機動臂勢能回收系統。該系統可以將動臂下降時的勢能儲存在蓄能器中，以達到節能的目的。以上仿真分析表明，該系統操縱性良好，在動臂下降期間，該系統對動臂勢能的回收率可達65%左右，在一定范圍內提高蓄能器預充壓力和減小蓄能器體積，有助于進一步提高系統的能量回收率。本系統在不同下降速度下，回收效果相同，可以達到較高的能量回收率，有可觀的經濟和環保效益。

參考文獻：

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