基于蓄能器的动臂势能回收系统仿真研究
夏连鹏, 葛磊, 黄家海, 权龙
新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室(太原理工大学), 山西 太原 030024

作者简介:夏连鹏(1990—),男,山西太原人,硕士,主要从事液压节能技术方面的科研工作。

摘要

液压挖掘机一直以来都存在能量利用率不高的问题,在动臂下降过程中,动臂势能大部分通过液压系统转换成热能浪费掉。研究了一种以蓄能器为储能元件的动臂势能回收系统,分析了其工作原理,建立了挖掘机工作装置的SimulationX多体动力学仿真模型进行仿真研究,并讨论了蓄能器参数对能量回收效果的影响。仿真结果表明,该系统能够实现动臂势能回收,达到了较好的节能效果。

关键词: 液压挖掘机; 蓄能器; 动臂势能回收
中图分类号:TH137 文献标志码:B 文章编号:1000-4858(2015)06-0052-05
Potential Energy Recycling System Based on Accumulator for Hydraulic Excavator Boom
XIA Lian-peng, GE Lei, HUANG Jia-hai, QUAN Long
Key Lab of Advanced Transducers and Intelligent Control System, Ministry of Education and Shanxi Province, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024
Abstract

The energy utilization rate of hydraulic excavator is always low. In the boom falling process, the potential energy of boom is most converted into heat and wasted through the hydraulic system. A kind of boom potential energy recycling system is studied, in which an accumulator is used to store energy. The working principle of this system is analyzed and the multi-body dynamics simulation model of working device is established in SimulationX. The influence of accumulator parameters on the energy recycling rate is also discussed. Simulation results show that the system can recycle the hydraulic excavator boom potential and achieve a good energy-saving effect.

Key words: hydraulic excavator; accumulator; boom potential energy recycling
引言

液压挖掘机是最常用的工程机械之一, 普通液压挖掘机通常使用柴油发动机驱动, 一直存在能耗高, 排放差的问题[1]。面对当前能源紧缺和环境问题日益严重的情况, 节能和环保越来越重要。传统液压挖掘机总能量利用效率并不高, 其液压系统效率仅为40%左右[2], 因此液压挖掘机的节能研究具有重要意义。在挖掘机的可回收能量中, 动臂液压缸可回收能量占有很大比例[3, 4, 5], 若能实现动臂势能回收, 将会有可观的节能和环保效果。国内对于动臂势能的回收已经有了一定的研究, 浙江大学的林潇等人介绍了一种使用液压马达、发电机和镍氢电池组成的混合动力液压挖掘机动臂势能回收系统[6], 但该系统结构较复杂。中南大学的陈欠根等人提出了一种基于液压缸— — 蓄能器平衡的新型液压挖掘机动臂势能回收再利用系统[7]。吉林大学的赵丁选等人提出了一种以蓄能器为储能元件的油液混合动力液压挖掘机动臂势能回收系统[8], 该系统结构简单, 文中仅分析了蓄能器预充压力对能量回收效果的影响。

本研究采用与文献 [8-10] 类似的系统, 在SimulationX软件中建立了挖掘机工作装置的多体动力学仿真模型, 仿真研究了该系统的操纵性, 能量回收性能, 以及蓄能器参数对能量回收率的影响。

图1为液压挖掘机动臂势能回收系统的原理。在能量回收阶段, 当动臂下降时, 比例阀4在中位, 比例阀9在右位。动臂液压缸无杆腔的油液通过比例阀9进入蓄能器, 动臂的势能转化为液压能储存在蓄能器7中。与普通挖掘机相比, 蓄能器能够代替节流阀为动臂液压缸提供所需的回油背压, 避免了使用节流阀引起的能量损失。通过调整比例阀9的开度, 可以控制动臂的下降速度, 且下降速度相对稳定。

图1 动臂势能回收系统原理
1、3、10.单向阀 2.泵 4、9.电比例方向阀 5.动臂液压缸6.压力传感器 7.蓄能器 8.溢流阀

在能量释放阶段, 比例阀9切换到左位, 蓄能器油口与液压泵的吸油口相连, 油液通过液压泵吸油口回到液压系统, 提高了液压泵吸油口压力, 从而降低了泵的输入功率, 达到节能的目的。

蓄能器进油口安装有压力传感器, 在动臂下降阶段, 当蓄能器压力过高时, 动臂不能以设定的速度下降, 此时比例阀4切换到左位, 液压泵接入动臂液压缸回路, 驱动动臂下降。同时比例阀9切换到左位, 蓄能器释放能量, 能量释放完毕后, 比例阀9切换到中位, 为下一次能量回收做准备。

1 系统的多体动力学仿真模型

以某6 t级小型挖掘机为研究对象, 其工作装置如图2所示。

图2 工作装置
1.铲斗 2.铲斗液压缸 3.斗杆 4.斗杆液压缸5.动臂 6.动臂液压缸

为了使仿真结果更加接近于实际情况, 首先在Pro/E软件中建立挖掘机工作装置的三维装配模型, 并通过接口导入到SimulationX进行多体动力学仿真。其仿真模型如图 3所示。

图3 多体动力学仿真模型

2 动臂可回收能量分析

挖掘机在动臂举升阶段, 动臂液压缸需要克服工作装置以及负载共同的重力作用, 将动臂举升到所需高度。在动臂下降过程中, 动臂的势能通过油液在阀口发热损失掉, 不仅浪费能源, 且会使油液温度升高。

图4可以看出, 液压缸活塞位移在0~600 mm之间, 无杆腔压力变化范围5.7~6.2 MPa, 变化较小, 适宜使用蓄能器进行能量回收。

图4 动臂液压缸活塞杆位移与无杆腔压力

动臂下降过程中, 在忽略摩擦等损失的情况下, 动臂可回收能量计算公式如下:

E=t0tpcScdx

其中, pc为动臂液压缸无杆腔压力, Sc为动臂液压缸无杆腔截面积。对图4中的数据进行积分计算, 得到动臂下降过程中可回收能量约为32 kJ。

3 蓄能器参数匹配

蓄能器在液压系统中是用来储存、释放能量的装置, 分为气体加载式、重锤式、弹簧式。其中气体加载式又分为气囊式、活塞式和气瓶式[4]。本研究选用气囊式蓄能器, 它能够实现油气隔离, 且具有尺寸小, 重量轻等优点。蓄能器是动臂势能回收系统的储能元件, 选取合适的参数, 能够提高系统的能量回收率。气囊式蓄能器中的气体可视为理想气体, 符合如下公式:

p0V0n=ptVtn=C(1)

Vt=V0-Vc(2)

式中, C为固定常数, p0pt分别为蓄能器的预充压力和动臂液压缸完全收回时刻的压力; V0Vt分别为蓄能器的充气体积和动臂液压缸完全收回时刻的气体体积; Vc为动臂液压缸无杆腔最大容积, 为5.6 L; 由于蓄能器工作循环小于3 min, 因此视为绝热过程, 多变指数n取1.4[4]

蓄能器在接入后, 只有蓄能器压力始终小于液压缸无杆腔压力时, 才能使动臂液压缸完全收回。在动臂下降过程中, 油液经过比例换向阀时会产生一定的压降, 这里假设为pd=0.5 MPa, 那么需要满足如下关系式:

pt< pc-pd(3)

式中, pc图4取6 MPa。由式(1)~(3)可得:

p0V0n(V0-Vc)n< pc-pd

整理可得:

V0> KVcK-1其中K=pc-pdp01n

据上式可得表1

表1 蓄能器初选参数

蓄能器的容积规格有16 L、25 L、40 L、63 L, 将表1容积取整后, 可得表2

表2 蓄能器选定参数
4 仿真研究

根据上述原理, 建立使用动臂势能回收系统的工作装置多体动力学仿真模型。并进行势能回收的仿真分析。

4.1 系统能量回收及操纵性分析

根据上述仿真模型进行仿真实验。根据公式Ea= t0tpaQadt, 对蓄能器油口的压力和流量进行积分可得系统回收的能量。系统回收的能量曲线以及动臂液压缸活塞杆位移和速度曲线分别如图5图6所示。

图5 系统回收的能量

图6 动臂液压缸活塞杆位移-时间曲线

由仿真结果可知:蓄能器回收的能量为22.3 kJ, 回收率为69.7%, 该系统可以将动臂下降时的势能转化并储存在蓄能器中, 实现较好的能量回收效果。在动臂下降过程中, 动臂液压缸活塞杆速度基本稳定, 使用蓄能器作为储能元件的动臂势能回收系统具有较好的操纵性。

4.2 蓄能器参数的影响

本节将分别考察蓄能器预充压力和体积参数对能量回收率的影响。

1) 蓄能器预充压力的影响

设定相同的下降速度和蓄能器体积, 考察蓄能器预充压力对能量回收率的影响。蓄能器体积为40 L, 下降时间为4 s, 预充压力分别为3 MPa、3.5 MPa、4 MPa时的能量回收率如图7所示。

图7 能量回收率与蓄能器预充压力的关系

图7可以看出, 在下降速度和蓄能器体积相同时, 蓄能器预充压力越高, 系统能量回收率越高。这是因为当蓄能器压力较高时, 达到同样的下降速度, 比例阀需要较大的开度, 这就使得在比例阀上的能量损失较低, 从而获得较高的能量回收率。

2) 蓄能器体积的影响

设定相同的下降速度和预充压力, 考察蓄能器体积对能量回收率的影响。下降时间为4 s, 蓄能器预充压力为3.5 MPa, 体积分别为25 L、40 L、63 L时的能量回收率如图8所示。

图8 能量回收率与蓄能器体积的关系

图8可以看出, 在下降时间及蓄能器预充压力相同时, 蓄能器体积越小, 系统的能量回收率越高, 这是因为在同样预充压力的前提下, 蓄能器体积越小, 充入同体积油液后, 蓄能器内压力越高, 使得小体积蓄能器在动臂下降过程中平均压力较高, 从而得到较高的能量回收率。

4.3 不同下降速度时能量的回收率

使用同一蓄能器, 通过设定不同的动臂下降速度来考察在不同下降速度下系统能量的回收率。仿真结果如图9所示。

图9 不同下降速度下的能量回收率

由仿真结果可以看出使用同一蓄能器, 不同的下降速度对能量回收率几乎没有影响。在使用同一蓄能器时, 较大的下降速度对应较大的流量, 流量越大, 在阀口的功率损失越大, 但时间较短; 下降速度小时, 流量越小, 在阀口的功率损失越小, 但时间较长。阀口处能量损失的总量几乎不变, 继而蓄能器回收的能量基本一致, 因此系统的能量回收率基本保持不变。

5 结论

以SimulationX为平台, 搭建了液压挖掘机工作装置的多体动力学仿真模型, 该仿真模型能够较准确地模拟液压挖掘机工作装置的实际工作情况。使用该模型验证并研究了一种以蓄能器为储能元件的液压挖掘机动臂势能回收系统。该系统可以将动臂下降时的势能储存在蓄能器中, 以达到节能的目的。以上仿真分析表明, 该系统操纵性良好, 在动臂下降期间, 该系统对动臂势能的回收率可达65%左右, 在一定范围内提高蓄能器预充压力和减小蓄能器体积, 有助于进一步提高系统的能量回收率。本系统在不同下降速度下, 回收效果相同, 可以达到较高的能量回收率, 有可观的经济和环保效益。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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