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液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)能量回收研究

文檔作者：高佩川孫孟輝李建啟文檔來源：南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年07月20日
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2012年7月
第40卷第14期
機(jī)床與液壓
MACHINE TOOL &amp;amp; HYDRAULICS
Ju1．2012
Vo1．40 No．14
DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2012．14．019
液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)能量回收研究
高佩川，孫孟輝，李建啟
(南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京211167)
摘要：液壓挖掘機(jī)在工作過程中存在很大的能量損失，其原因是其轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動慣量大且需要頻繁啟動和制動。針對液壓
挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)，回收轉(zhuǎn)臺的制動能量并在轉(zhuǎn)臺反向啟動時(shí)予以釋放，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺制動能量的回收和再利用。在此基
礎(chǔ)上，分析節(jié)能系統(tǒng)的能量回收機(jī)制，并通過AMESim進(jìn)行仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該節(jié)能系統(tǒng)的節(jié)能效果較為明顯，
液壓挖掘機(jī)能耗得到了降低。
關(guān)鍵詞：液壓挖掘機(jī)；回轉(zhuǎn)系統(tǒng)；能量回收；AMESim仿真
中圖分類號：TH137．5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001—3881(2012)14—051—3
Research on Energy Regeneration in Slewing Energy-saving System of
Hydraulic Excavator
GAO Peichuan．SUN Menghui． LI Jianqi
(School of Mechanical Engineering，Na嘶ing Institute of Technology，Nanjing Jiangsu 2 1 1 1 67，China)
Abstract：There lies large energy loss，because its rotary table possesses large rotary inertia and needs~equent starting and bra—
king．Taking a kind of slewing hydraulic system of hydraulic excavator as research object，braking energy of rotary table was recycled
and released when rotary table starting oppositely，to realize recycling and repurposing of braking energy of rotary table．On the basis，
the theory of energy regeneration of the energy—saving system was analyzed． The simulation experiment was carried by AMESim． The
experimental result shows that energy—saving effect is obvious and energy loss is decreased．
Keywords： Hydraulic excavator；Slewing energy—saving system ；Energy regeneration； AMESim simulation
在能源日益緊缺的今天，高效節(jié)能的產(chǎn)品日益受
到人們的青睞，節(jié)能技術(shù)一直是液壓領(lǐng)域所關(guān)注的重
大課題之一? 。液壓挖掘機(jī)是一種功率比較大的工程
機(jī)械，但是其能量的總利用率僅為20％左右。受世
界能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)的影響，液壓挖掘機(jī)實(shí)現(xiàn)能源
節(jié)約一直是業(yè)界努力追求的目標(biāo) 。
在液壓挖掘機(jī)的所有工作循環(huán)中，回轉(zhuǎn)運(yùn)動占液
壓挖掘機(jī)整個(gè)工作循環(huán)時(shí)間的50％ ～70％ ，回轉(zhuǎn)運(yùn)
動能量損耗占25％ ～40％ ，發(fā)熱量占系統(tǒng)總發(fā)熱量
的35％ ～40％ 。因此，針對液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)液壓
系統(tǒng)進(jìn)行能量回收方面的研究有較為重要的意義。文
中針對液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，回收轉(zhuǎn)臺的制動能量，
并在轉(zhuǎn)臺反向啟動時(shí)予以釋放，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺制動能量
的回收和再利用，取得了較為良好的效果。
1 液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)
回轉(zhuǎn)運(yùn)動是液壓挖掘機(jī)的主要動作之一，是由液
壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)來完成的。在挖掘機(jī)工作時(shí)，
回轉(zhuǎn)過程可分為加速、勻速、減速3個(gè)階段。圖1所
示為液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動特性曲線，是液壓挖掘機(jī)在
一個(gè)工作循環(huán)期間回轉(zhuǎn)運(yùn)動的規(guī)律。
／ ，
“屯 ’／／
圖1 液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動特性
液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)液壓
系統(tǒng)原理如圖2所示， 該
系統(tǒng)以液壓馬達(dá)作為執(zhí)行
元件，采用液壓泵供油。
在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)加速過程中，
由液壓泵給液壓馬達(dá)供油，
此時(shí)液壓馬達(dá)加速。當(dāng)運(yùn)
行到勻速階段后，回轉(zhuǎn)機(jī)
構(gòu)勻速轉(zhuǎn)動。而當(dāng)開始減
速時(shí)，液壓泵停止給馬達(dá)
供油，并在此階段給液壓
馬達(dá)一定的制動作用，使
馬達(dá)減速，在馬達(dá)制動過
圖2 液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)
液壓系統(tǒng)原理圖
收稿日期：2011—05—23
基金項(xiàng)目：江蘇省高校自然科學(xué)基金項(xiàng)目(04KJD510083)
作者簡介：高佩川(1962一)，男，副教授，研究方向?yàn)榱黧w傳動與控制技術(shù)。E—mail：lt6007@163．con。
· 52· 機(jī)床與液壓 第40卷
程中會產(chǎn)生較大的能量損失 。 。
2 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的能量損失及回收
在回轉(zhuǎn)過程中，挖掘機(jī)能量損失包括以下兩點(diǎn)：
(1)啟動過程中所產(chǎn)生的溢流損失； (2)制動過程
中產(chǎn)生的動能損失 ]。
當(dāng)采用定量泵時(shí)，轉(zhuǎn)臺啟動過程中，液壓馬達(dá)角
速度為：
= 片 =號 △pd (·)
式中：∞為回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速；T為回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)矩；J為
回轉(zhuǎn)馬達(dá)輸出軸的轉(zhuǎn)動慣量；V為回轉(zhuǎn)馬達(dá)排量；△p
為回轉(zhuǎn)馬達(dá)兩腔壓力差。
由于啟動過程中，始終存在溢流，故△p近似恒
定， 因此可得：
： 一
：tVA p (2) ， I Z J
若不計(jì)液壓馬達(dá)本身的功率損失，啟動過程中回
轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)吸收的功率為：
P： ： (3)
功率隨回轉(zhuǎn)馬達(dá)啟動時(shí)問呈線性增加，回轉(zhuǎn)馬達(dá)
在啟動期間吸收的能量為：
E=ApV,p (4)
= J wdt=÷03 t1 (5)
E ：÷Apro, tl (6)
式中： 是啟動時(shí)的回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)角；t 是啟動時(shí)間。
在該過程中，液壓泵的功率是P ，其輸出能量
為：
E =△p。Vb (7)
式中：E 為液壓泵兩腔壓力差；I，b為液壓泵的排量；
為轉(zhuǎn)臺啟動過程中液壓泵的轉(zhuǎn)角。
如果 = ，T= ，ap=△p ，則：
Eb：2E (8)
由上述推導(dǎo)并經(jīng)
過分析可知：在轉(zhuǎn)臺
啟動階段，轉(zhuǎn)臺加速
消耗了泵的一半輸出
功率，另一半功率消
耗則在溢流時(shí)發(fā)生。
液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的能量
損失如圖3所示。
采用定量泵時(shí)，
轉(zhuǎn)臺制動過程中的動
能轉(zhuǎn)化為熱能。在轉(zhuǎn)
臺啟動過程中， 回轉(zhuǎn)
l一啟動階段能量損失
卜制動過程中的能量損失
3一反向制動時(shí)的全部能量損失
圖3 液壓挖掘機(jī)回
轉(zhuǎn)能量平衡圖
馬達(dá)處于加速狀態(tài)，此時(shí)液壓泵供給馬達(dá)的油液大部
分經(jīng)溢流閥溢流，此時(shí)溢流損失較大。而在轉(zhuǎn)臺減速
階段馬達(dá)制動，此過程中轉(zhuǎn)臺具有的慣性能量沒有被
回收，故產(chǎn)生較大能量損失 。根據(jù)液壓挖掘機(jī)
回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)，作者采用了一種能量回收裝置
回收轉(zhuǎn)臺的制動能量，并在轉(zhuǎn)臺反向啟動時(shí)予以釋
放，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺制動能量的回收和再利用，其原理如
圖4所示。
[---
L
(三3
一 l 一
． i
9 【 習(xí)
L【J
J
l
16f
． ．
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圖4 液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)能量回收原理圖
在回轉(zhuǎn)馬達(dá)啟動階段，液壓泵輸出的液壓油一部
分供給液壓馬達(dá)，使轉(zhuǎn)臺啟動并加速，而多余的油液
由蓄能器儲存起來。隨著轉(zhuǎn)臺的加速，泵供給馬達(dá)的
油液逐漸增多，當(dāng)泵輸出油液完全供給馬達(dá)時(shí)，啟動
階段結(jié)束。在此之后，蓄能器釋放所儲存的液壓油，
和泵一起給馬達(dá)供油，使轉(zhuǎn)臺再次加速，起到了回收
溢流損失能量的作用。
在制動過程中，泵停止給液壓馬達(dá)供油，回轉(zhuǎn)馬
達(dá)因?yàn)閼T性繼續(xù)回轉(zhuǎn)，此時(shí)馬達(dá)處于泵的工況，輸出
的液壓油被蓄能器吸收。此時(shí)，馬達(dá)原出油口壓力升
高，使得制動力矩形成，達(dá)到了回轉(zhuǎn)馬達(dá)制動時(shí)能量
損失的回收和利用。
轉(zhuǎn)臺經(jīng)過上述一次制動之后，蓄能器吸收了制動
能量，之后轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)稱作一般回轉(zhuǎn)工況。該工況的
啟動階段可分為以下過程：其一是當(dāng)泵卸荷而蓄能器
獨(dú)自供油時(shí)，蓄能器輸出的油液進(jìn)入回轉(zhuǎn)馬達(dá)，使轉(zhuǎn)
臺啟動，在啟動初期，由于蓄能器中的壓力高于卸荷
閥的調(diào)定壓力，故使泵卸荷，單獨(dú)由蓄能器放油驅(qū)動
回轉(zhuǎn)馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)制動時(shí)所回收能量的再生；其二是當(dāng)
液壓泵和蓄能器同時(shí)供油時(shí)，在此階段開始時(shí)，蓄能
器排油后壓力降低，當(dāng)油壓低于卸荷閥設(shè)定壓力時(shí)，
該閥關(guān)閉，泵和蓄能器同時(shí)給液壓馬達(dá)供油。
第14期 高佩川等：液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)能量回收研究 ·53·
3 仿真研究
根據(jù)上文所述液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)能量回收
策略，采用AMESim仿真軟件進(jìn)行仿真研究，其仿真
模型如圖5所示。
④
圖5 液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)仿真模型
其參數(shù)設(shè)置如表1所示。
表1 仿真參數(shù)設(shè)置
根據(jù)上述仿真模型，進(jìn)行仿真試驗(yàn)，蓄能器充放
油液時(shí)壓力曲線如圖6所示，馬達(dá)轉(zhuǎn)速曲線如圖7所
示，新舊系統(tǒng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速對比曲線如圖8所示。
由圖6—8可知：第一階段(t=0～4JD s)為啟動
階段，泵同時(shí)給蓄能器和馬達(dá)供能；第二階段(t=
4o～80 s)為制動階段，泵停止工作，回轉(zhuǎn)馬達(dá)呈泵工
況，它排出的油經(jīng)單向閥進(jìn)入蓄能器；第三階段(t=
80～160 s)為第二次啟動階段，前1．5 s由蓄能器單獨(dú)
供油給馬達(dá)，1．5 s后與泵同時(shí)供油給馬達(dá)使其轉(zhuǎn)動。
由以上仿真結(jié)果可知：在裝有蓄能器的液壓挖掘
機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)中，能夠?qū)⒅苿訒r(shí)損失的能量重新利
用，達(dá)到了較好的節(jié)能效果。
圖8 新舊系統(tǒng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速對比圖
4 結(jié)論
通過分析液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)節(jié)能裝置運(yùn)動特性分
析，建立了AMESim仿真模型。分析表明：在蓄能器
(下轉(zhuǎn)第56頁)
· 56· 機(jī)床與液壓 第40卷
頻率。具體整定方法如下：(1)置K。=K1=0，然后
增加比例系數(shù)一直到系統(tǒng)開始振蕩； (2)記下此時(shí)
比值 ，然后按式(4)求得 ，K 和 。按以上
步驟得到的一組較好的PID參數(shù)：Kp=0．75；KI=
0．007 2；KD=0．02。
由上述所得的PID參數(shù)，仿照圖3在SIMULINK
中搭建PID仿真框圖¨ ，此時(shí)系統(tǒng)的輸入正弦曲線
與輸出曲線如圖6所示?？煽闯觯合到y(tǒng)的輸出在時(shí)間
上略有滯后，這是由于電液比例閥存在的死區(qū)和間隙
0
線跟隨性良好，能滿足跳 ，／s
汰選煤控制系統(tǒng)的要求。 圖6 PID參數(shù)整定仿真圖
5 結(jié)論
針對傳統(tǒng)電氣控制和電液伺服閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制的
缺點(diǎn)，提出了用電液比例方向閥控制動篩液壓跳汰機(jī)
的跳床。通過理論分析和仿真研究，從理論上證明基
于電液比例技術(shù)控制動篩跳汰機(jī)是穩(wěn)定可行的，且所
建立的數(shù)學(xué)模型和校正控制均符合實(shí)際跳汰選煤工
藝，為跳汰選煤控制工藝的改進(jìn)和選煤效益的提高提
供了參考。
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(上接第53頁)
單獨(dú)驅(qū)動期間，因回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速較低蓄能器的排油
流量不大其壓力不會突然下降，故保證了較穩(wěn)定的
啟動力矩和加速度；在系統(tǒng)制動期間，因制動壓力
由小到大，制動加速度由小到大，故制動平穩(wěn)快
速。加有節(jié)能裝置的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了節(jié)能，而
且改善了轉(zhuǎn)臺的啟制動性能，有利于提高液壓挖掘
機(jī)的壽命。
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