液壓挖掘機液能回收再利用節能裝置測控系統

王金鳳, 周連佺, 蔣紅旗, 楊 成, 徐 添

(江蘇師范大學機電工程學院, 江蘇徐州 221116)

引言

挖掘機在建筑、采礦、水利等領域廣泛應用,但挖掘機動作頻繁重復、駕駛操作困難的工作特性造成了巨大的能源消耗[1-2]。理論上一臺20 T挖掘機一個動臂下放動作浪費的勢能高達132.8 kJ[3],動臂可回收能量占總回收能量的51%,回轉制動可回收能量次之,約為25%。能量回收是提高挖掘機效率的重要途徑,主要可分為兩種形式:電動回收和液壓回收[4-5]。

電動回收法將液壓馬達、發電機作為能量轉換組件串入動臂油缸下腔的管路中,將動臂勢能轉化為電能儲存在電池或超級電容中。為了提高傳統系統的回收效率,LIN等[6]在系統中加入液壓蓄能器,構成蓄能器-馬達-發電機的組合系統,具有不錯的控制性能。為了進一步提高動態性能,CHEN等[7]在液壓蓄能器的入口處增加流量閥和比例方向閥控制其流量,勢能再生效率約為58%。但上述都難以避免控制閥的能量損耗,PAOLA等[8]提出通過液壓系統和電氣系統分配供給執行器的動力,由電動機驅動液壓泵實現液壓執行器速度控制,目前僅應用于小型挖機。此外,電動回收方法能量轉換環節復雜,轉換次數至少需要兩次,其節能效率受到了限制[9]。

液壓回收法以液壓蓄能器[10-11]為儲能元件,將動臂下降勢能和回轉制動動能轉化為液壓能儲存,在動臂舉升或其他需要能量的過程中釋放。傳統的液壓蓄能器存在兩大缺點:儲能容量有限[12],系統不同工況與蓄能器固定結構參數的被動匹配[13]。針對這一問題,LIU等[14]提出了一種可控液壓蓄能器,儲能容量是傳統蓄電池的1.5倍,且能適應多種工況。蓄能器儲能需要有一定的壓差,因此蓄能器的壓力通常較低,從而在蓄能器釋放壓力時,只能用于驅動負載較低的液壓執行器[15],應用存在一定的局限性。YANG等[16]提出了具有增壓功能的三腔液壓蓄能器,但設計的節能系統只能用于回收動臂勢能。此外,控制閥引起的壓降也會降低能量再生效率,通過加入液壓泵/馬達和液壓變壓器可實現壓力匹配,有效地解決這一問題[17-18]。

綜上所述,本研究旨在提出一種結構簡單、能量轉換鏈短、回收效率高的挖掘機液能回收再利用方案。節能裝置的液壓系統與原挖掘機的液壓系統互相獨立,三腔蓄能器儲存的動臂下降勢能和回轉制動動能用于動臂的舉升,并通過調節電液比例節流閥的開度控制動臂速度。為了研究該節能裝置的節能特性,開發了測控系統,實現了對液壓閥的控制以及運行數據的采集、儲存和分析。

1 節能裝置系統的總體設計

圖1為液壓挖掘機節能裝置的系統原理圖。該節能系統將油路控制回路和三腔蓄能器控制閥組集成在控制閥塊上,控制動臂上、下腔和回轉馬達與三腔蓄能器間的油路通斷,通過調節比例閥的開度來控制動臂的運動速度。節能裝置的安裝無需改變原液壓系統,只需分別通過三通接口與原挖掘機的動臂無桿腔、有桿腔和回轉馬達的進出油口相連接,并將動臂信號切斷閥連接在原挖掘機的先導系統中。若切斷閥得電,則切斷先導信號與原挖掘機液壓系統的連接,原挖掘機的液壓閥不工作,發動機怠速,由節能裝置獨立控制。

1～7.二通插裝閥 8.電流比例節流閥 9、10.單向插裝閥 11.插裝式溢流閥 12.三腔蓄能器 13～15.三腔蓄能器上中下液腔 16.動臂上升信號切斷閥 17.動臂下降信號切斷閥 18.回轉先導系統 19.動臂先導系統 20～29.壓力傳感器 30.位移傳感器

圖2為節能裝置的3種工況原理圖,表1為三腔蓄能器閥組的工作狀態。動臂下降勢能回收工況如圖2a所示。動臂下降回收勢能時,動臂下降信號切斷閥17得電,節能裝置激活,動臂油缸無桿腔的高壓油儲存到蓄能器的上腔13和下腔15。蓄能器中腔的油液經由插裝閥4對動臂油缸上腔補油,實現流量再生。控制器根據下降先導信號調節比例閥8的開口量來控制動臂下降速度,以確保挖掘機的可操作性。

表1 三腔蓄能器閥組狀態表Tab.1 Three-chamber accumulator manifold status table

圖2 節能裝置三種工況原理圖Fig.2 Schematic diagram of three working conditions of energy-saving device system

動臂上升液能釋放工況如圖2b所示。當控制器判斷蓄能器中存儲的液壓能足以舉升一次動臂時,動臂上升信號切斷閥16得電,節能裝置激活。此時,打開插裝閥1,只通過蓄能器的下腔15排出油液,從而實現增壓2倍的效果,為動臂舉升提供足夠的壓力。控制器根據上升先導信號調節比例閥8的開口量來控制動臂上升速度,期間挖掘機的發動機始終保持怠速模式。

回轉制動動能回收工況如圖2c所示。當控制器判斷回轉先導信號達到設定值時,回收回轉制動動能。

插裝式溢流閥11的預設壓力需稍低于原挖掘機回轉系統溢流閥的壓力,當回轉制動時回轉馬達的高壓油優先導通溢流閥11,從而進入蓄能器下腔15存儲能量。由于回轉馬達的壓力較高,存儲能量時僅通過蓄能器下腔15推動活塞桿上升。

2 節能裝置測控系統設計

2.1 測試系統總體設計

節能裝置測控系統的總體設計如圖3所示。上位機采用C#語言設計了用戶使用界面,利用數據采集卡和上位機程序實現了對壓力和位移數據的采集和分析。下位機采用SPC-STW-2612CMS控制器控制液壓系統插裝閥的開閉和比例閥的開度。上位機軟件的開發旨在電氣、液壓模擬加載、裝機試驗的調試和數據采集,以便對節能裝置的性能進行研究。當調試完成后,并且節能裝置與原挖掘機操縱性相似時,將程序存入控制器中,即可用于工程作業。因此,節能裝置最終由液壓系統、電控系統、控制器和遠程無線通訊模塊組成。

圖3 測控系統原理圖Fig.3 Schematic diagram of measurement and control system

2.2 網絡遠程無線通訊模塊

節能裝置開發了基于4G網絡遠程無線通訊的測控系統。該系統通過無線通訊模塊將控制器連接到云計算平臺,實現網絡遠程無線通訊功能,如圖4所示。節能裝置通過無線通訊模塊實時將各自的運行狀態數據傳送給云平臺;監控系統通過云平臺獲取節能裝置群的大數據,并進行分析、計算和挖掘。監控系統還能夠自動診斷故障并修復,識別不同工況并自動更新適應的控制結構和參數, 使節能裝置達到最高的節能效率,并統計節能裝置節約的燃油量。

圖4 網絡遠程無線通訊測控系統架構圖Fig.4 Architecture diagram of remote wireless communication measurement and control system

2.3 測控系統下位機軟件結構

控制器采用CoDeSys作為編程環境,節能裝置控制器軟件包括5個程序模塊,分別為主程序模塊、初始化和輸入輸出模塊、工作流程模塊、閥復位模塊、通訊和Flash讀寫模塊。主程序模塊控制整個工程的流程,根據節能裝置的工作狀態和挖掘機的工況,調用相應的子程序。工作流程模塊實現不同工況下的邏輯控制,包括動臂下降勢能回收、動臂上升液壓能釋放和回轉制動動能回收等,流程圖如圖5所示。

圖5 各工況的控制程序流程圖Fig.5 Flow chart of control program for each working condition

當節能裝置系統工作時,若動臂下降,動臂下腔與蓄能器下腔的壓差達到比例閥8的最小工作壓差,且蓄能器壓力未達到最大設定值,則開啟動臂勢能回收模式。節能裝置控制各插裝閥動作,并根據動臂下降先導信號調節比例節流閥的輸出信號,采用算法控制動臂下降的速度。若蓄能器壓力達到最大存儲壓力,即蓄能器存滿,節能裝置仍供油但不回收能量,動臂下腔的油液經插裝閥5流入油箱。

當節能裝置系統工作時,若動臂上升,蓄能器儲存的能量足夠舉升動臂至頂部一次,且動臂下腔與蓄能器下腔的壓差達到比例閥8的最小工作壓差,則開啟動臂上升液壓能釋放模式。節能裝置控制各插裝閥動作,并根據動臂上升先導信號調節比例節流閥的輸出信號,控制動臂上升的速度。若蓄能器下腔與動臂下腔的壓差不足或蓄能器儲存的能量不夠舉升動臂到頂部一次,信號切斷閥16失電,恢復原系統工作。

回轉制動動能回收模式是當節能裝置系統回轉制動信號壓力達到設定值,且蓄能器壓力未達到最大設定值時,使回轉馬達電磁閥11得電,回收回轉制動動能。

2.4 測控系統上位機軟件結構

節能裝置上位機軟件具有電氣模擬試驗、液壓模擬加載試驗、實時監控、試驗數據管理、網絡遠程通訊等功能。為了實現在無挖掘機、無液壓條件的情況下模擬挖掘機的各個工況,設置了電氣模擬試驗功能,可以發送下降、上升和回轉制動模擬的信號。為了在配有泵站、插裝閥等液壓件的實驗室條件下模擬挖掘機實際工況,設置了液壓模擬加載試驗功能。為了監控安裝節能裝置挖掘機的實時工作狀態,設置了實時監控功能界面,如圖6所示。為了便于采集和存儲試驗數據,并通過數值表格和變化曲線顯示,設置了試驗數據管理功能。

圖6 實時監控界面Fig.6 Real-time monitoring interface

為了實現對安裝節能裝置挖掘機的遠程監控和售后服務,設置了網絡遠程監控界面,如圖7所示。該界面可使遠程客服端獲取節能裝置的實時工作參數。節能裝置的控制器配置固定IP地址,可以向云平臺發送數據信息。該界面還可以向控制器發送指令修改控制參數。

圖7 網絡遠程監控界面Fig.7 Network remote monitoring interface

3 節能裝置試驗

采用XCMG-XE215DA挖掘機加裝節能裝置進行裝機試驗,如圖8所示。該挖掘機動臂由液壓缸驅動,活塞和活塞桿的直徑分別為120 mm和85 mm。三腔蓄能器通過支架固定在挖掘機尾部,后續批量生產時可安置在配重處。位移傳感器安裝在動臂油缸上,先導信號切斷閥塊安裝在挖掘機的先導閥塊處。主閥塊與電控箱安裝在上部轉臺,方便與動臂油缸、回轉馬達的進出油口連接。

圖8 節能裝置裝機試驗圖Fig.8 Installation test diagram of energy-saving device

3.1 動臂節能特性分析

節能裝置一個完整的動臂工作循環為:動臂下降勢能回收-動臂上升原系統驅動-動臂下降勢能回收-動臂上升節能裝置驅動,回收兩次動臂下降勢能足夠舉升動臂一次,即挖掘機的動臂舉升由原系統和節能裝置交替驅動,如表2所示。

表2 節能裝置工作循環表Tab.2 Working cycle table of energy-saving devices

節能裝置以0.2 s為采樣時間采集試驗數據。動臂的位移量由位移傳感器測得,動臂勢能由蓄能器上、下腔同時回收,由于兩腔壓力差別很小,可近似認為相等。因此,采用離散化的能量方程計算動臂能量Eb、蓄能器回收的能量Ea,in和蓄能器釋放的能量Ea,out:

(1)

(2)

(3)

式中,Ab—— 動臂無桿腔的活塞面積

pbi—— 動臂無桿腔i時刻的壓力

Δxbi—— 動臂活塞桿在i時刻的瞬時位移

pa1i—— 蓄能器下腔i時刻的壓力

選取節能裝置的一個工作循環,動臂在0～4 s下降,4～18 s上升,18～39 s下降,39～47 s上升。動臂升降試驗數據曲線,如圖9所示。

圖9 動臂升降試驗數據圖Fig.9 Boom lifting test data chart

由于動臂的升降由操作人員操縱手柄控制,推動手柄的幅度難以保持恒定,會不可避免的產生速度波動。第1,3,4階段運行較為平穩,速度控制也較為平穩。第1階段動臂下降手柄推動大,動臂快速下降366.3 mm,穩定平均速度達到137.9 mm/s,受到瞬時壓力沖擊和比例節流閥快速頻繁響應的影響,動臂下腔的壓力有波動,蓄能器上、下腔壓力快速升高,4 s內從6.9 MPa增加到8.4 MPa。第3階段動臂下降手柄推動小,動臂慢速下降了364.2 mm,平均速度保持在16.9 mm/s,動臂下腔的壓力波動較小,穩定在10.6 MPa左右,蓄能器上、下腔壓力緩慢平穩升高,21 s內從8.4 MPa增加到9.4 MPa。第4階段節能裝置驅動動臂上升,8 s內動臂上升了371.1 mm,平均速度達到50.4 mm/s,動臂壓力波動也較小。

在動臂下降1,3階段,由于蓄能器兩腔同時儲能,壓差變化小,動臂下降信號與比例閥信號近似成正比;在動臂上升2階段,蓄能器不工作,由于活塞桿的作用,蓄能器上腔壓力低于蓄能器下腔壓力0.15 MPa;在動臂上升4階段,由于只有蓄能器下腔釋放能量,蓄能器下腔壓力瞬間翻倍,然后又迅速下降,主要受到挖掘機油箱的背壓和模式切換的壓力波動造成的壓力沖擊的影響,蓄能器下腔壓力可達到15.97 MPa,這導致了蓄能器下腔與動臂下腔之間的壓差和壓差變化較大。由于兩者壓差逐漸減小,比例閥需要打開更大的開口以達到速度要求。所以,相同的速度要求,比例閥的信號需要逐漸增大,動臂下降信號與比例閥信號圖像呈斜坡關系。

節能裝置不同工況下的能量分布表如表3所示。在一個工作循環內,動臂上升的總能量為186.23 kJ,其中挖掘機的原液壓系統貢獻了96.89 kJ,節能裝置貢獻了89.34 kJ。動臂下降工況動臂油缸無桿腔的總能量輸出為160.48 kJ,蓄能器中儲存了136.29 kJ的能量,蓄能器回收效率為84.9%,能量損失主要由比例節流閥壓差造成的閥門損失組成。第4階段由節能裝置驅動的動臂上升過程,蓄能器總能量釋放為105.83 kJ。然而,受到閥門損失的影響,這部分能量進一步減少,最終只有89.34 kJ的能量用于動臂上升,動臂的節能效率為52.8%。

表3 不同工況能量分布表Tab.3 Energy distribution table under different working conditions

為了進一步研究加裝節能裝置后挖掘機的油耗,由同一駕駛員分別操作同型號標準挖掘機與試驗樣機,各完成50次動臂升降循環,得到了相同工作量下的燃油消耗量,見表4。

表4 動臂升降循環油耗表Tab.4 Boom lifting cycle fuel consumption meter

可見,加裝節能裝置的挖掘機與同型號標準挖掘機相比,在相同的工作量下油耗減少了16.7%,如按每天8 h的作業量計算,單臺車每天可節約燃油達36 L,減少二氧化碳排放114.7 kg,有效地降低了整機能耗,并減少了二氧化碳排放量。

3.2 回轉制動節能特性分析

挖掘機回轉平臺正、反轉各一次,啟動后最大轉速為9.5 r/min,3.8～5.6 s和9.8～11.8 s挖掘機馬達制動,由于溢流閥11的溢流壓力低于原挖掘機回轉系統溢流閥的壓力,節能裝置優先導通建立背壓制動,蓄能器回收能量。圖10為節能裝置回轉制動試驗數據圖。回轉平臺完成一次正轉和反轉可回收能量為56.38 kJ,最終蓄能器回收能量約為23.16 kJ,蓄能器能量回收效率為41.1%,蓄能器回收的能量一并用于動臂舉升。

圖10 回轉制動試驗數據圖Fig.10 Swing brake test data chart

相較與動臂勢能回收系統,回轉制動工況下的蓄能器能量回收效率低,主要原因是回轉制動的時間短,負載質量高,回轉馬達受到較大的壓力沖擊。

4 結論

(1) 本研究提出了一種基于三腔蓄能器的液壓挖掘機液能回收再利用的節能裝置,能夠回收動臂下降勢能和回轉制動動能,并共同用于動臂舉升;

(2) 設計并開發了節能裝置測控系統,該測控系統實現了液壓系統參數的采集、插裝閥和電液比例閥的控制、網絡遠程無線通信,收集、儲存、分析試驗數據并生成報表;

(3) 試驗結果表明,由節能裝置驅動的動臂勢能回收效率為84.9%,動臂節能效率為52.8%。回轉制動的能量回收效率為41.1%。經動臂升降循環測試,與同型號無節能系統機型相比,燃油消耗降低了16.7%,如按每天8 h的作業量計算,減少二氧化碳排放114.7 kg,具有顯著的節能減排效果。