挖掘機動臂勢能回收系統的分析與研究

王鑫，賀利樂，姚鑫

（西安建筑科技大學機電工程學院，陜西西安710055）

挖掘機動臂勢能回收系統的分析與研究

王鑫，賀利樂，姚鑫

（西安建筑科技大學機電工程學院，陜西西安710055）

針對液壓挖掘機工作裝置在下放過程中存在大量重力勢能轉化為熱能的問題，提出了一種以蓄電池為儲能元件的能量回收系統，利用已有的動臂勢能回收實驗臺進行研究，分析了能量回收系統的構成和運行機理，建立了回收系統的SimulationX仿真模型并進行仿真計算，同時進行了典型挖掘循環工況的能量回收試驗。對照仿真與試驗結果可知，該勢能回收系統方案可行，能夠起到很好的節能效果。

液壓挖掘機；能量回收；仿真模型；節能

隨著資源與環境問題的日益突出，節能與環保成為了提高產品競爭力的重要因素。而液壓挖掘機的動臂下降過程中，大量的能量以熱能的形式消耗在液壓閥上，使得液壓元件和液壓油溫度升高，造成了元件的損傷并縮短了液壓油的使用壽命［1-2］。如果能把這部分能量回收利用，從而改善液壓挖掘機的耗油與排放特性，將對研究挖掘機節能具有非常重要的現實意義［3-5］。

目前，混合動力技術已成趨勢，這為動臂能量的回收與利用提供了一個很好的發展基礎［6］。因此，在現有的混合動力技術基礎上的動臂能量回收研究是十分必要的。但如若單純采用仿真計算來進行研究，由于現實中有很多不可預料的問題，將會造成研究過于理性，與現實偏差過大等問題；若單純采用試驗來研究挖掘機的節能技術，將會出現研究經費高、周期長等問題。鑒于此，本文將采用仿真計算與實驗研究相結合的方式來對動臂勢能回收的效率進行研究，為混合動力挖掘機的能量系統設計提供參考。

1　勢能回收系統的組成及工作原理

實驗室搭建的動臂勢能回收系統的原理圖如圖1所示，該系統主要由動臂液壓缸、電磁換向閥、液壓回收馬達、發電機和蓄電池等組成，而能量回收的路線則為動臂（勢能）→動臂液壓缸（液壓能）→液壓馬達（機械能）→發電機（電能）→蓄電池，能量經過多重轉換，最終實現回收并進行再利用。

圖1　勢能回收系統原理圖

在動臂勢能回收系統中，通過調控換向閥9，可實現系統在普通挖掘模式和節能挖掘模式之間的轉換。

當兩位三通閥9處于下位時，系統為無能量回收的普通挖掘機工作模式。其原理為：當動臂下降時，在工作裝置重力的作用下，動臂液壓缸1無桿腔中的液壓油通過三位四通換向閥13右位，然后流經兩位三通閥9，直接流回油箱。該系統在普通挖掘模式下與普通液壓挖掘機液壓油回路相近，挖掘機系統工作特性基本不受影響。

當兩位三通閥9處于上位時，系統為動臂能量回收的節能模式。其原理為：當液壓挖掘機動臂下降時，將三位四通電磁換向閥13切換到右位，兩位三通閥9切換至上位，動臂由于自身的重力下降，液壓缸無桿腔的壓力油經過三位四通換向閥13進入勢能回收系統。當液壓油流經該系統時，油液驅動液壓馬達7旋轉，與此同時，馬達帶動與之相聯接的發電機5進行發電，產生的交流電經整流器后變成直流電儲存到蓄電池3中，實現了動臂能量的回收［7］。

2　工作裝置的勢能計算

為準確計算挖掘機工作裝置的勢能，首先對工作裝置進行運動學分析。因為工作機構是由多連桿組成的復雜機構，其運動分析比較復雜，目前比較常用的方法是利用D-H齊次坐標變換法對挖掘機工作裝置進行研究，如圖2所示。

圖2　挖掘機工作裝置坐標系

對圖2進行簡化，設l1，l2，l3分別為動臂連桿AB、斗桿連桿BC、鏟斗連桿CD的長度，AB與坐標軸x0的夾角為θ1、BC與x1的夾角為θ2、CD與x3的夾角為θ3，動臂質量為m1，重心到鉸點B距離為d1，斗桿質量為m2，重心到鉸點C距離為d2，鏟斗質量為m3，重心到鏟斗齒尖的距離為d3，通過運動學分析，可求出動臂、斗桿和鏟斗的勢能。

動臂勢能為

斗桿勢能為

鏟斗勢能為

則挖掘機工作裝置的總勢能可表示為

式中，△m為鏟斗負載的重量。

3　動臂勢能回收系統的仿真與分析

3.1勢能回收系統的仿真模型

利用SimulationX仿真軟件對圖1所示的勢能回收系統建立如圖3所示的仿真模型。該仿真模型由動力源、勢能回收和蓄電池蓄能控制三大模塊組成。通過該模型，可以得到動臂液壓缸下放時的速度和位移、蓄電池的充電電流和電壓等特性曲線，用于研究能量回收的效果，為后續研究奠定基礎。

圖3　挖掘機勢能回收系統仿真模型

3.2仿真結果與分析

根據實驗臺挖掘機的實際工況，在仿真模型中設定動臂下放時間為9 s.

3.2.1工作裝置運動特性分析

如圖4所示的仿真結果為動臂液壓缸下放速度和位移的仿真曲線，在初始階段存在微小的波動，在0.3 s后趨于穩態值，動臂下降平穩，同時動臂下降時間延長，這是因為在接入勢能回收系統后，相當于增加了液壓回路的背壓，有效地提高了動臂運動的平穩性，但也對挖掘機的運動特性產生了一定的影響。

圖4　動臂液壓缸下放速度和位移

3.2.2蓄電池儲能分析

勢能回收系統在一個工作循環中蓄電池充電電流和電壓關系如圖5所示。

圖5　蓄電池充電電流與電壓

由圖5計算可得一個循環中蓄電池回收的總能量P1m約為1.4×10-4kW·h（504.0 J），如圖6所示。

圖6　一個循環蓄電池回收的能量

3.3.3能量回收利用率

因挖掘機動臂裝置質量m1=99.6 kg，斗桿裝置質量m2=62.8 kg，鏟斗質量m3=59.1 kg.當挖掘機工作裝置舉升到最高位置時，由式（4）可得工作裝置的總勢能P為3 737.8 J.故動臂勢能回收系統的效率ηrm為：

由仿真可知，較普通液壓挖掘機，增加了勢能回收系統的挖掘機節能效率為13.5%，具有節能效果。

4　實驗研究

利用計算機仿真分析進行模擬仿真是研究動臂勢能回收系統的一種重要手段，但是因為模型簡化、參數選擇等都與挖掘機實際工況存在誤差，為了驗證能量回收系統和數值仿真的合理性與實際節能效果，進行相應的實驗研究是很有必要的。

圖7為以DL15-8液壓挖掘機（1.5 T）為基礎搭建的動臂勢能回收實驗臺，因場地原因，未進行實際挖掘、卸載作業，為了最大化接近實際工況，根據該型號挖掘機的實際斗容量選用60 kg質量塊作為鏟斗的負載進行動臂下降實驗研究。為與仿真結果進行對比，選擇了蓄電池充電電流和電壓進行研究。

圖7　勢能回收實驗臺

由于實驗設備和場所的限制，未安裝特定的傳感器設備，只對相關運行狀態進行簡單測量和計算，經測量，動臂下降時間約為9 s多，與仿真所選接近。

通過實驗可以得到勢能回收系統在一個工作循環中蓄電池充電電流和電壓如圖8所示。

圖8　蓄電池充電電流與電壓

由圖8計算可得一個循環中蓄電池回收的總能量P1t約為9.86×10-5kW·h（348.5 J），如圖9所示。故動臂勢能回收系統的實際回收效率ηrt為：

圖9　一個循環蓄電池回收的能量

由系統仿真與實驗結果可知，該系統具有一定的節能效果，但回收的勢能占總勢能的比例較小。

5　結束語

利用動臂勢能回收實驗臺，進行了動臂下放工況下的仿真和實驗研究。通過動臂下放的速度和位移、蓄電池充電電壓和電流的仿真研究，得到了仿真系統回收的能量和回收效率。經過實驗驗證，表明該能量回收系統具有一定的節能效果。這為該系統在其它噸位挖掘機上的使用提供了理論依據，也為后續混合動力挖掘機的設計奠定了基礎。

［1］張彥廷.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，（8）：218-223.

［2］Liu S，Yao B.Energy-saving control of single-rod hydraulic cylinders with programmable valves and improved workingmode selection［C］//49th National Conference on Fluid Power，Las Vegas，Nevada，USA，2002：81-91.

［3］陳欠根.新型液壓挖掘機動臂勢能回收再利用系統研究［J］.廣西大學學報（自然科學版），2013，（2）：292-299.

［4］Tao Wang，Qingfeng Wang.Efficiency analysis and evaluation of energy-saving pressure-compensated circuit for hybrid hydraulicexcavator［J］.AutomationinConstruction：2014，（47）：62-68.

［5］趙丁選.油液混合動力液壓挖掘機動臂勢能回收系統［J］.吉林大學學報（工學版），2013，41（1）：150-154.

［6］柯堅.混合動力挖掘機動臂節能系統研究［J］.機械設計與研究，2011，21（6）：109-112.

［7］張路豪.挖掘機動臂能量回收系統仿真分析與實驗［J］.機械設計與研究，2015，31（3）:169-173.

Analysis and Research on the Potential Energy Recovery System of Excavator Boom

WANG Xin，HE Li-le，YAO Xin
（School of Mechatronics Engineering，Xi'an University of Architecture and Technology，Xi'an 710055，China）

Hydraulic excavator working device in the downstream process exist a large number of gravitational potential energy，which converted to heat energy.To solve this problem，we propose a energy recovery systems，which use battery as the energy storage element.Meanwhile used the boom potential recovery experiment station，we analyzed the structure and operation mechanism of the energy recovery system and established the Simulation recovery system simulation model and simulation，at the same time，the energy recovery test was carried out under the typical mining cycle.Contrasting the simulation and experimental results，we draw the conclusion that the potential energy recovery system is feasible and it can play a very good energy saving effect.

hydraulic excavators；energy recovery；simulation model；energy saving

TH132

A

1672-545X（2016）08-0041-03

2016-05-06

西安建筑科技大學2014年國家級大學生創新創業訓練計劃項目（201410703028）

王鑫（1993-），男，陜西咸陽人，本科，研究方向：建筑機械優化設計方向。