裝載機節能液壓系統設計

魏　偉， 李訓明， 曲金玉

(山東理工大學 交通與車輛工程學院， 山東 淄博 255049)

裝載機節能液壓系統設計

魏偉， 李訓明， 曲金玉

(山東理工大學 交通與車輛工程學院， 山東 淄博 255049)

摘要：針對現有裝載機在循環作業工況下燃油消耗量大、能源利用率低以及無法回收動臂下降時的勢能等問題，提出一種可回收動臂勢能的裝載機液壓節能系統.介紹了該系統的工作原理及不同工作模式下的運行狀況，建立了動臂下降時能量回收的數學模型，并用Simulink進行了仿真.仿真結果表明，該系統能改善裝載機的工作效率，減少燃油消耗和排放.

關鍵詞：節能；液壓系統；工作模式；設計

輪式裝載機作為一種重要的工程機種，具有機動靈活、操作簡單、效率高等特點，因而被廣泛應用于各種工程領域[1].國內現有的裝載機無法回收動臂下降時的重力勢能，且存在油耗高、裝載作業效率低等不足[2-3]，為了解決以上問題，本文提出一種新的裝載機節能液壓系統.

1系統設計的基本要求

在確保系統工作安全的前提下，設計了一套能量回收再生裝置.該裝置需要滿足以下條件：

(1) 在裝載機動臂下降的過程中，能夠將該部分重力勢能回收，通過液壓儲能的方式儲存在蓄能器中.液壓儲能方式具有功率密度大，能量保存時間較長，工作性能可靠的優點[4]，可以滿足裝載機作業過程中頻繁舉升下降的要求.

(2) 在裝載機動臂上升的過程中，儲存在蓄能器中的能量釋放，與動臂舉升主油路一起作用，減少此動作過程中的發動機功率消耗，提高作業效率.

(3) 不改變原有裝載機的整體結構，便于裝載機的改裝.

2系統設計

2.1節能液壓系統組成及原理圖

節能液壓系統主要由液壓泵、蓄能器、低壓閉式油箱、動臂油缸及液壓控制單元組成，如圖1所示.其中，液壓泵用于將機械能裝換為液體的液壓能，蓄能器用于實現能量的存儲，動臂油缸是該系統的執行器，用于執行控制單元的各項功能[5].

液壓控制單元是該液壓系統的核心部分，用于實現能量回收、儲存和釋放的液壓控制.該單元集成有第一單向閥2、第二單向閥9、第三單向閥7、第一安全閥13、第二安全閥10、第三安全閥8、壓力傳感器16、第一電磁換向閥1、第二電磁換向閥3、第一電磁比例換向閥4、第二電磁比例換向閥5、第三電磁比例換向閥11、第四電磁比例換向閥12.

1.第一電磁換向閥;2.第一單向閥;3.第二電磁換向閥;4.第一電磁比例換向閥;5.第二電磁比例換向閥;6.液壓控制單元;7.第三單向閥;8.第三安全閥;9.第二單向閥;10.第二安全閥;11.第三電磁比例換向閥;12.第四電磁比例換向閥;13.第一安全閥;14.動臂油缸;15.蓄能器;16.壓力傳感器;17.轉斗油缸;18.低壓閉式油箱;19.濾油器;20.液壓泵

圖1節能液壓系統原理圖

該裝載機液壓系統可用于液壓混合動力輪式裝載機.相對于電蓄能，液壓蓄能具有功率密度大、可靠性高、容易實現正反轉等優異的性能.該系統可以實現裝載機工作的多種模式[6-7].

2.2節能液壓系統的工作原理

本文中裝載機節能液壓系統可以分為動臂下降時的勢能回收和動臂舉升時的能量釋放兩種工作過程.在工作過程中，當動臂舉升時，液壓控制單元動作，液壓油從15流出，與此同時，來自18的液壓油與從15流出的液壓油合流，經過4的P4、A4口進入14的無桿腔，使動臂舉升過程中在不增加發動機輸出功率的情況下，加速動臂舉升速度，提高裝載效率，14的有桿腔內油液在油缸活塞的作用下，經過4的B4、T4口以及液壓控制單元回油口6b流回18；當動臂下降時，液壓控制單元動作，液壓油從18流出，經過5的A5、P5口進入14的有桿腔，而14的無桿腔內液壓油在油缸活塞的作用下，經過5的B5、T5口一部分流回18，另一部分流至15內，使15內氣體壓力升高，從而可以將動臂下降過程中的重力勢能以氣體壓力勢能的方式儲存在15中.

電磁比例換向閥不僅可以改變閥的工作液流動方向，而且可以控制閥口的大小實現流量調節，具有換向和節流的復合功能.在換向的同時，能夠調節動臂舉升和下降的速度，確保裝載機可以按要求控制動臂舉升和下降的速度[8].

3系統的工作過程分析

該液壓系統包括動臂舉升、動臂下降、液壓泵卸荷三種工作過程.

3.1動臂舉升過程

控制第一電磁比例換向閥4的電磁線圈4a通電電流，第一電磁比例換向閥的電磁線圈4a通電后，若蓄能器15的壓力大于16MPa，液壓油從蓄能器15流出，經過第一電磁比例換向閥4的P4、A4油口進入動臂油缸14無桿腔，動臂舉升速度可通過改變第一電磁比例換向閥4的電磁線圈4a的通電電流進行調節；與此同時，第二電磁換向閥3通電，第二電磁換向閥3通電后將來自液壓泵20的液壓油經單向閥2、第二電磁換向閥3的P3、T3油口、第一電磁比例換向閥4的P4、A4油口后，與從蓄能器15流出的液壓油合流，進入動臂油缸14的無桿腔，使動臂舉升過程中在不增加發動機負荷的情況下，加速動臂舉升速度，提高裝載效率.而動臂油缸14有桿腔的油液在油缸活塞的作用下，依次通過第一電磁比例換向閥4的B4油口、T4油口進入低壓閉式油箱18.

3.2動臂下降過程

控制第二電磁比例換向閥5的電磁線圈5a通電電流，第二電磁比例換向閥的電磁線圈5a通電后，來自液壓泵20的液壓油經過第二電磁比例換向閥5的P5、A5油口進入動臂油缸14有桿腔，而動臂油缸14無桿腔的油液在油缸活塞的作用下，通過第二電磁比例換向閥5的B5油口、T5油口一部分進入低壓閉式油箱18，另一部分進入蓄能器15，使蓄能器15內氣體壓力升高，從而可以將動臂下降過程中的重力勢能以氣體壓力勢能的方式儲存在蓄能器15中.動臂下降速度可通過改變第二電磁比例換向閥的電磁線圈5a的通電電流進行調節.

3.3液壓泵卸荷過程

當裝載機既不工作在動臂舉升過程又不工作在動臂下降過程時，為防止液壓泵驅動電機頻繁啟閉，第一電磁換向閥1的電磁線圈1a通電，液壓泵20的出油口流出的液壓油直接流回低壓閉式油箱18.

4能量回收建模與仿真

動臂下降時，將重力勢能以氣體壓力勢能的方式儲存在蓄能器15中.控制蓄能器回收時的最大流量為5L/s，則由蓄能器氣體狀態方程得

(1)

V2=V1-5t

(2)

式中：n為多變系數，取1.4；P1為蓄能器初始壓力；V1為蓄能器中氣體的初始體積；P2為蓄能器最高工作壓力；V2為蓄能器最高工作壓力下的氣體體積；t為蓄能器體積變化的時間.

根據蓄能器實際回收能量公式[9]

(3)

由公式(1)，(2)，(3)得動臂下降時蓄能器能量回收的Simulink模型如圖2所示.

圖2　蓄能器能量回收Simulink模型

以臨工5t輪式裝載機為例，其各項基本參數及其他元件參數見表1.

表1　基本參數

運行Simulink模型，得到該過程蓄能器氣囊壓力和體積的變化曲線以及蓄能器實際回收能量的變化曲線(如圖3～圖5所示).

從圖5可知，蓄能器回收能量約1.5kJ.裝載機在動臂下降的過程中是空斗的，其勢能約為6.06kJ，能量回收率為24.8%.裝載機在實際作業過程中動臂會經常性的舉升和下降，因此回收裝載機的動臂勢能具有一定實際意義.回收能量的目的就是進行再利用，當裝載機動臂舉升時，蓄能器作為輔助動力源提供動力，在不增加發動機輸出功率的情況下，不僅能提高燃油經濟性，而且提高了工作效率.

圖3　蓄能器壓力變化曲線

圖4　蓄能器體積變化曲線

圖5　蓄能器回收的能量變化曲線

參考文獻:

[1]石榮玲,趙繼云,孫輝.液壓混合動力輪式裝載機節能影響因素分析與優化[J].農業機械學報,2011,42(3):31-35.

[2]李東榮.輪式裝載機液壓儲能節能技術研究[D].淄博：山東理工大學,2013.

[3]徐曉美,唐倩倩,王哲.混合動力裝載機的研究現狀及發展趨勢[J].工程機械,2012,43(2):53-56.

[4]韓應飛,谷立臣,李天文,等.輪式裝載機剎車能回收系統研究[J].工程機械,2011,42(10):19-23.

[5]呂其惠.裝載機液壓節能系統設計及仿真[J].起重運輸機械,2013(8):60-63.

[6]嚴桃平.輪式裝載機工作裝置液壓系統分析與改進設計[J].液壓與氣動,2011(8):67-68.

[7]李天宇,趙丁選,康懷亮,等.并聯式混合動力裝載機的參數匹配[J].吉林大學學報:工學版, 2013,43(4):916-921.

[8]SunH,JingJQ.Researchonthesystemconfigurationandenergycontrolstrategyforparallelhydraulichybridloader[J].AutomationinConstruction, 2010,19(2):213-220.

[9]吳文海,鄭輝,鄧斌,等.液壓挖掘機制動能量回收系統[J].機械設計與研究, 2013,29(1):114-117.

(編輯：郝秀清)

收稿日期：2014-06-09

作者簡介：魏偉，男，weiweiygdx@163.com; 通信作者：曲金玉，男，qujinyu@sina.com

文章編號：1672-6197(2015)02-0057-04

中圖分類號：U415.51

文獻標志碼：A

Thedesignonenergysavinghydraulicsystemofwheelloader

WEIWei,LIXun-ming,QUJin-yu

(SchoolofTransportationandVehicleEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China)

Abstract:In order to solve the problems such as large amount of fuel consumption, low utilization of existing wheel loader under cycle operation,and unable to recycle potential energy of the boom, we proposed an energy saving hydraulic system to recycle the potential energy of the boom. The working principle of the system was introduced, the different running states under different operating modes were analyzed, the mathematic model of the recycled energy when the boom going down was built,and then the process was simulated with Simulink. This system can improve the working efficiency of the wheel loader, and reduce the fuel consumption and emission.

Key words:energy saving; hydraulic system; working operation; design