大型液壓挖掘機液壓系統節能技術的研究

孟志明，賀元成，鄭庭

(1. 四川理工學院機械工程學院，四川自貢643000;2. 瀘州職業技術學院機械工程學院，四川瀘州646000)

自從1978年第二次石油危機爆發之后，尤其是這幾年，石油的價格已大幅度上揚。同時化石燃料的不斷消耗必然導致油氣價格更高。另外化石燃料的大量應用也導致了全球的氣候變暖、環境惡化。尤其是2003年之后人們的環保意識越來越強，減少CO2等溫室氣體的排放備受人們的關注。2012年之后我國的沙塵暴跟霧霾天氣越來越嚴重，我國政府對環境的治理越來越重視，同時加大了節能及提高能效等方面的投入。工程機械作為一種高能耗的機械設備，節能就顯得尤為重要。目前化石燃料的利用率已經成為工程機械重要評判標準。

1 大型挖掘機的能耗分析

由于挖掘機的工作范圍廣，世界上各種土方工程約有65% ～70%的土方量由挖掘機來完成，這使挖掘機在各類工程建設中得到廣泛應用。但由于挖掘機前端工作裝置質量大，在工作時動臂下降不僅造成能量損失，而且損耗的能量會轉化成液壓系統中液壓油的內能，導致液壓油溫升高，嚴重影響挖掘機的工作效率跟使用壽命。挖掘機的耗油量高、排放尾氣質量差，這已經引起該行業的廣泛關注。

日本神鋼機械公司對大型液壓挖掘機的能量利用與做了如下統計(如圖1):大型挖掘機最終對能量的利用率只有20%。機構系統能耗較小，能量大部分都損失在液壓系統之中，液壓系統的能量利用率只有30%左右，這也是導致挖掘機效率低下的一個重要原因。因此液壓系統具有較大的節能空間，同時也是挖掘機節能發展的一個重要方向。

圖1 大型液壓挖掘機能量利用分布

分析液壓系統常見的能耗現象，主要有以下幾個方面:(1)溢流損失。大型液壓挖掘機系統中溢流現象一般出現在過載工況下，此時泵的輸出壓力超出安全閥的設定壓力，液壓系統就會出現溢流現象;(2)沿程損失。沿程損失主要是因為黏性摩擦產生的壓力損失，這是不可避免的，但可以通過選擇合適的材料和優化管路的設計來減少沿程壓力損失;(3)匹配損失。由于挖掘機在工作過程中負載變化快，尤其是在小負載高轉速的情況下更不容易匹配，只能設計新型的快速反應回路例如負載敏感系統等; (4)動能和勢能損失。動能和勢能損失主要體現在液壓挖掘機的動臂和斗桿工作過程中，尤其是大型液壓挖掘機動臂質量較大，其蘊含的動能和慣性能大，節能效果非常可觀。

2 新節能方案

近幾年，技術人員針對液壓系統中存在的溢流損失、匹配損失、沿程損失等設計了很多新型的控制回路和新式元件，取得了明顯的節能效果。作者針對動臂勢能設計了新型的節能方案。

2.1 系統原理

圖2 為新式節能方案。該方案的能量回收原理為:當動臂下降時液壓缸中無桿腔的液壓油流經馬達2，經過液壓變壓器帶動變量泵3，使液壓油經過單向閥9 進入到蓄能器20 中，儲存動臂下降時的勢能。動臂下降的速度由液壓泵2 的排量決定，控制系統通過信號控制變量馬達3 的轉速進而控制液壓泵2 的轉速，從而達到調節液壓泵2 的排量的目的，進而實現對動臂下架速度的控制。另外無桿腔的液壓油流經再生閥26 流回動臂有桿腔，實現了流量再生，進而達到節能的目的。

圖2 新節能方案原理圖

2.2 建模與仿真分析

2.2.1 新系統數學模型分析

文中采用氣體式蓄能器，由波義爾定律得蓄能器總容積V 可由公式(1)計算出:

式中:p1、p2、p3分別為蓄能器儲能前的充氣壓力、系統工作最高壓力和蓄能器的最低工作壓力;V1、V2、V3分別為氣室容積、最高工作壓力下的氣體體積和最低工作壓力下的氣體體積;n 為指數。

當蓄能器處于平衡時:

蓄能器連續性方程:

式中:p末、p初分別為蓄能器蓄能后壓力以及初始狀態壓力;m 為蓄能器內液體當量質量;A截為蓄能器油液腔截面積;Q 為蓄能器吸油流量。

利用液壓變壓器相連的泵與馬達力矩方程:

其中:pmj，pmc，pbj，pbc分別為馬達和泵的進出口壓力;J 為馬達和泵的轉動慣量;r 為當量轉動阻尼;Tf為摩擦力矩。

當動臂下降時動臂液壓缸所受的力平衡為:

式中:p無，p有分別為動臂無桿腔和有桿腔油液壓力;A無，A有分別為動臂液壓缸有桿腔跟無桿腔的有效面積;F 為動臂所受到的外負載;x'，x″分別為動臂下降的速度和加速度;B 為動臂缸活塞的黏性阻尼;Ff為缸活塞所受摩擦力。

2.2.2 與現有系統比較

分別建立現有系統及新系統的AMESim 模型，如圖3—4 所示。

圖3 現有系統

圖4 新系統

圖5 所加負載

新方案中蓄能器的初始壓力和體積分別設為80 MPa、10 L。回收系統中馬達和泵的效率定位0.8，容積效率為0.85。仿真時間跟步長分別為10 s 跟0.1 s。仿真過程中兩系統所加負載相同，如圖5 所示。

通過仿真對比圖6 可看出:兩系統的運動性能現差無幾，新系統可滿足液壓缸的運動需求。圖7 顯示出同一時刻兩系統的能耗，明顯看出新系統節能效果優于現有系統。動臂在完成一個工作過程中雖然速度控制方面相差無幾，但節能效果相當明顯。而且新系統利用能量回收回路控制動臂的下降速度，避免了節流閥調節動臂下降速度消耗能量導致油溫升高的現象，延長了液壓元件的使用壽命，提高了系統效率。

圖6 液壓缸伸縮速度對比

圖7 兩系統能耗對比

新系統是在現有流量再生回路的基礎上提出的，在原有基礎上增加了能量回收回路。文中對現系統進行了數學建模和AMESim 仿真分析，并與原有回路的仿真結果進行了對比，得出新回路比原有系統的能量利用率提高了15%，這反映出新方案具有較好的節能效果。

3 液壓節能技術的發展趨勢

隨著科技的發展，越來越多的數字技術和軟件技術整合到液壓節能技術中，液壓節能技術正在向著智能化、高性能、穩定高效的方向發展，從目前國內外液壓節能技術的發展狀況來看，主要有以下特點:

(1)新動力系統的開發，近幾年以電力驅動的混合動力系統在液壓機械得到廣泛應用。

(2)采用高精度新型液壓元件，減少液壓元件中液壓油的泄漏，提高元件的使用壽命。

(3)結合電控技術改進傳統的液壓系統，以減少節流損失、溢流損失和沿程壓力損失。

(4)采用更加先進的控制方式，提高控制的準確性。

(5)動力源輸出功率控制更加智能化，采用電子控制系統對動力源的輸出功率與工作狀況進行綜合控制，使兩者達到最佳匹配。

(6)提高液壓油的凈化處理能力，控制液壓油的泄漏。

4 結論

對液壓系統可能存在的能耗進行了分析，針對能耗問題分別從液壓元件和液壓系統介紹了國內外先進的節能技術，并根據現有技術推測了液壓節能技術的發展方向。隨著大量的計算機元素融入到液壓節能技術中，現在液壓節能技術已不只是單純地達到節能的目的，人們把更多的精力放在提高液壓系統的綜合指標上。

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