液壓挖掘機液能回收再利用節能裝置的設計

薄曉楠，周連佺，張楚，瞿煒煒

(江蘇師范大學機電工程學院，江蘇徐州 221116)

0 前言

液壓挖掘機以其應用廣泛、創造價值高的特點在工程機械領域中有著重要地位，與其他工程機械相比，液壓挖掘機具有開采能力強、環境適應性好等優點，是農田水利、建筑工程、能源、交通建設以及現代化軍事工程等領域的重要施工設備。因此液壓挖掘機的數量巨大，且市場保有量逐年上升。而液壓挖掘機普遍存在高能量損耗、高污染排放等問題。近年來我國大力推進節能減排，倡導發展以低能耗、低排放為標志的低碳經濟，這對液壓挖掘機提出了更高的要求，因此對液壓挖掘機的節能技術開展進一步的研究具有重要意義。

提高液壓挖掘機節能效率的方法主要有以下幾種：提高元器件的效率、降低液壓系統的能耗、進行動勢能的回收再利用、整機能量管理、采用混合動力技術等。其中液壓挖掘機動臂勢能和回轉系統動能的回收再利用具有很大的節能潛力。

液壓挖掘機動勢能的回收根據儲能元件的不同主要分為機械式回收、電氣式回收和液壓式回收。機械式回收主要以飛輪為儲能元件，能量密度低且無法長時間儲能。電氣式回收主要以蓄電池或超級電容作為儲能元件，蓄電池的功率密度較低，效率較低，超級電容的成本較高，能量轉換環節多。以蓄能器為儲能元件的液壓式回收方式功率密度大，能量轉換環節少，但存在節流損失，適用于壓力較低的場合，如液壓挖掘機散熱系統的輔助供油。若將回收的能量用于挖掘機的主要工況，則需要增設增壓裝置，系統復雜體積變大，成本升高，動態性能較差。采用液壓變壓器的液壓式回收，理論上效率較高，但是液壓變壓器的發展還不成熟。

在充分了解液壓挖掘機動勢能回收再利用的研究現狀后，發現既能回收液壓挖掘機動臂勢能，又能回收回轉系統動能的裝置很少。現有節能裝置大多僅能回收某一工況單個負載的能量。基于此，提出一種液壓挖掘機液能回收再利用節能裝置，在液壓挖掘機的經典工況下，回收其動臂下降的勢能和回轉制動的動能。動臂下降時單缸承壓，提高壓力。回收的能量可用于動臂舉升工況，采用雙缸承壓，使舉升力達到負載的要求，不需要額外增加增壓裝置，且設計了與節能裝置相適應的控制系統，用于保證操縱性。在使用時可直接嵌入液壓挖掘機，不需要改動其原有的液壓系統。

1 挖掘機節能裝置液壓系統

挖掘機液能回收再利用的節能裝置以單獨模塊安裝在挖掘機原液壓系統中。嵌入節能裝置的挖掘機液壓系統如圖1所示。

圖1 節能裝置液壓系統液壓原理

節能裝置將挖掘機動臂下降過程中重力勢能轉化的液壓能和回轉制動時的動能轉化為液壓能存儲到蓄能器中，并在不影響挖掘機操縱性和動臂運動穩定性的前提下，將蓄能器內存儲的能量釋放用于挖掘機動臂舉升工況，避免原液壓系統中動臂下降時油液經液壓閥而產生的節流損失和回轉制動時馬達出口的高壓油產生的溢流損失，從而提高挖掘機液壓系統的效率，達到節能效果。

2 挖掘機動臂下降回收液壓能工況

動臂下降過程中，控制器通過先導控制閥組控制比例換向閥組及節能裝置中的電磁換向閥組使一個動臂油缸承壓，另一個動臂油缸無桿腔油液與兩油缸的上腔相通。先導控制閥13輸出壓力控制信號xBmB，此信號使節能裝置中的液控換向閥32、33換向，動臂鎖定閥34、35控制端通過液控換向閥32和33與油箱相通，使得動臂鎖定閥34和35反向導通。此工況為挖掘機動臂下降、回收液壓能工況，此時節能裝置的等效液壓系統如圖2所示。

動臂油缸44活塞腔與動臂油缸43和44活塞桿腔相通，動臂下降時實現流量再生。如果動臂油缸活塞腔面積是活塞桿腔面積的兩倍，動臂油缸44排出的流量恰好等于兩油缸活塞桿腔所需的流量；如果動臂油缸活塞腔面積大于活塞桿腔面積的兩倍，動臂油缸44排出的流量多于兩油缸活塞桿腔所需流量的部分通過單向閥36排回油箱；如果動臂油缸活塞腔面積小于活塞桿腔面積的兩倍，活塞桿腔產生真空，則過載補油閥7給動臂油缸活塞桿腔補油。動臂及物料的重力在動臂油缸44活塞腔中產生高壓，控制器綜合動臂油缸43活塞腔的壓力傳感器38、與蓄能器相連的壓力傳感器25及先導控制閥13輸出口處的壓力傳感器信號，運用智能控制算法輸出信號控制電磁比例流量閥22的開口量，使動臂下降速度與原系統工作時相同，不影響系統的操縱性，比例流量閥22輸出的流量給蓄能器23充液，把動臂下降產生的液壓能存儲在蓄能器中，實現動臂下降工況過程中的液壓能回收。

圖2 挖機動臂下降工況回收液壓能等效圖

3 挖掘機回轉馬達制動回收液壓能工況

當挖掘機回轉結束進入溢流制動工況時，控制器發出控制信號切換相應的電磁換向閥，把回轉馬達出口的高壓油引入到比例流量閥，將回轉制動動能轉化成液壓能存入蓄能器。先導控制閥14或15輸出壓力控制信號xSwA或xSwB，控制比例換向閥5換向，驅動回轉馬達45旋轉，當控制器檢測到回轉馬達45的控制信號xSwA或xSwB由有到無消失進入制動狀態后，發出控制信號使三通電磁換向閥24和兩通電磁換向閥42電磁鐵得電，此工況為挖掘機回轉馬達制動、回收液壓能工況，此時節能裝置的等效液壓系統如圖3所示。

回轉馬達出口的液壓油通過梭閥40進入電磁比例流量閥22，控制器綜合回轉馬達45出口處壓力傳感器、與蓄能器相連的壓力傳感器的信號，運用智能控制算法輸出信號控制電磁比例流量閥的開口量，使回轉馬達制動的特性與原系統工作時相同，不影響系統的操縱性，比例流量閥輸出的流量給蓄能器充液，把回轉動能轉化成液壓能存儲在蓄能器中，實現挖掘機回轉馬達制動工況過程中的液壓能回收。

圖3 挖機回轉馬達制動工況回收液壓能等效圖

4 挖掘機動臂上升釋放液壓能工況

當蓄能器23的壓力高于一定值時，即蓄能器中存儲的能量可完成一次動臂上升時，控制器使兩位三通電磁閥28電磁鐵得電，切斷比例換向閥4及合流閥6的控制信號xBm1A和xBm2A。若控制器檢測到先導控制閥12的操縱手柄扳動，即輸出xBmA控制信號，則控制器發出控制信號使兩位三通電磁閥24、30、31和兩通電磁換向閥37電磁鐵得電，此工況為挖掘機動臂上升、蓄能器釋放液壓能工況。此時節能裝置的等效液壓系統如圖4所示。

圖4 挖機動臂上升釋放液壓能工況等效圖

控制器綜合動臂油缸43活塞腔的壓力傳感器、與蓄能器相連的壓力傳感器及先導控制閥12輸出口處的壓力傳感器的信號，運用智能控制算法輸出信號控制電磁比例流量閥22的開口量，蓄能器中的高壓油液經電磁比例流量閥供給兩個動臂油缸的活塞腔，使動臂的上升速度與原系統工作時相同，不影響系統的操縱性。此工況再利用了回收的液壓能，達到了節能省油的目的。理論上動臂下降兩次或者回轉制動兩次，回收的液壓能可以供給動臂上升一次。

5 挖掘機節能裝置電控系統設計

根據節能裝置的原理確定狀態量和被控量，選用移動設備電子控制器等元件組成電控系統，在下位機中使用CODESYS編程語言開發節能裝置的測控軟件，在上位機中用C#語言開發具有電氣模擬試驗、液壓模擬加載試驗、實時監控、網絡遠程監控和全局常量設置等多種功能的節能裝置測控軟件，用于在線調試，可記錄模擬實驗過程數據，實時繪制過程曲線，并計算模擬回收和再利用的液壓能和效率。

挖掘機節能裝置電控系統的硬件組成框圖如圖5所示。壓力傳感器16和17分別檢測動臂上升和下降先導控制閥的輸出信號xBmA和xBmB，壓力傳感器18用來檢測回轉先導控制閥的輸出信號xSwA或xSwB。壓力傳感器16、17、18由原液壓系統配置。壓力傳感器25用于檢測蓄能器的壓力，壓力傳感器38和39分別檢測兩個動臂油缸活塞腔中的壓力，壓力傳感器41檢測回轉馬達出油口的壓力，壓力傳感器25、38、39、41由嵌入挖掘機的節能裝置配置。壓力信號經過信號調理后傳入控制器進行A/D轉換，控制器通過壓力值的有無和大小判斷挖掘機的當前工況及控制速度。

圖5 挖掘機節能裝置電控系統的硬件組成框圖

控制器根據挖掘機的當前工況發出DO信號或AO信號，通過繼電器驅動板或者比例放大器放大后使相應的電磁閥換向，將液壓系統的油液導入要求的油路，實現液壓能的回收和再利用。控制器綜合各壓力傳感器及先導控制閥輸出的信號，運用智能控制算法輸出信號，控制電磁比例流量閥22的開口量，實現對動臂上升或下降速度的控制或對馬達制動口壓力的控制，使其運動性能與原系統工作時相同，從而使節能裝置的安裝不影響挖掘機原系統的操縱性。

6 挖掘機節能裝置的試驗

根據節能裝置液壓原理設計了節能裝置的閥塊，加工了樣機，并搭建了試驗臺。試驗臺如圖6所示，主要包括編程監控上位機、閥塊、蓄能器和電控箱，以及實驗室原有的泵站和液壓比例模擬加載回路。經過實驗室試驗和調試，證實了原理的可行性。

采用21.5T挖掘機進行了裝機試驗如圖7所示，蓄能器內置。將節能裝置嵌入挖機負載油路中，并通過測控系統實時監控節能裝置各處的壓力。試驗發現回轉馬達制動工況回收的能量與馬達制動的速度、轉動慣量和回收時蓄能器的壓力值有關。

圖6 液能回收再利用節能裝置試驗臺

圖7 挖掘機節能裝置裝機試驗圖片

根據流量再生原理，理論上完成兩次動臂上升和下降工況后，蓄能器回收的能量可完成第三次動臂上升，第四次動臂上升需要原系統供油，第三次和第四次動臂下降工況回收的勢能可完成第五次動臂上升。以此規律，即原系統供油使動臂上升一次，則節能裝置的蓄能器供油使動臂上升一次。經過多次循環工況，動臂勢能回收效率約為50%。但在實際試驗過程中，由于存在泄漏和節流，經過多次試驗取平均值，平均原系統舉升1.6次，節能裝置的蓄能器可舉升1次，由此推算動臂勢能的回收效率約為38%。

7 結論

針對挖掘機動臂下降工況和回轉馬達制動工況的節流浪費和嚴重耗能問題，采用流量再生的液壓系統，設計一套液壓挖掘機液能回收再利用節能裝置及其電控系統。完成了實驗室試驗，驗證了原理的可行性；進行了裝機試驗，經多次試驗取平均值，動臂勢能回收效率約為38%；回轉馬達制動動能的回收與馬達的制動速度、轉動慣量和回收時蓄能器的壓力值相關。相比于傳統挖掘機節能技術，該節能裝置從根本上回收了由工作原理所產生的能量損失，對液壓挖掘機節能技術有“質”的提升，具有較好的應用前景。