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大型液壓挖掘機液壓系統(tǒng)節(jié)能技術的研究

文檔作者：孟志明賀元成鄭庭文檔來源： 1．四川理工學院機械工程學院 2．瀘州職業(yè)技術學院機械工程學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月20日
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2015年5月
第43卷第10期
機床與液壓
MACHINE T00L&amp;amp; HYDRAULICS
Mav 2015
Vo1．43 No．10
DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2015．10．033
大型液壓挖掘機液壓系統(tǒng)節(jié)能技術的研究
孟志明 ，賀元成。，鄭庭
(1．四川理工學院機械工程學院，四川自貢643000；
2．瀘州職業(yè)技術學院機械工程學院，四川瀘州646000)
摘要：以某單位提供的挖掘機為實驗平臺，通過試驗分析各液壓節(jié)能回路的節(jié)能效果。設計新型能量回收系統(tǒng)，觀測
其節(jié)能效果?？偨Y了大型挖掘機液壓系統(tǒng)常見的能耗問題，針對存在的問題從不同方面介紹了液壓節(jié)能技術的現(xiàn)狀并對液
壓節(jié)能的發(fā)展趨勢進行了說明。
關鍵詞：能耗分析；動臂勢能；能量回收；仿真分析
中圖分類號：TH137．7 文獻標志碼：A 文章編號：1001-3881(2015)10-102—3
Research on Energy Saving Technologies for Hydraulic System of
Large Hydraulic Excavator
MENG Zhiming ，HE Yuancheng ，ZHENG Ting
(1．College of Mechanical Engineering，Sichuan University of Science&amp;amp;Engineering，
Zigong Sichuan 643000，China；
2．Department of Mechanical Engineering，Luzhou Vocational and Technical College，
Luzhou Sichuan 646000，China)
Abstract：By the experimental platform of an excavator provided by a compan y，the hydraulic energy—saving effect of each loop
was analyzed through experiment．A new energy recovery system was designed，and its energy saving effect was observed．The common
energy consumption problems of the hydraulic system of large hydraulic excavator were summarized．Aiming at the problems existed，
from different aspects，the status and development trends of hydraulic energy-saving technology were introduced an d described．
Keywords：Energy consumption analysis；Arm potential energy ；Energy recover；Simulation analysis
自從1978年第二次石油危機爆發(fā)之后，尤其是
這幾年，石油的價格已大幅度上揚。同時化石燃料的
不斷消耗必然導致油氣價格更高。另外化石燃料的大
量應用也導致了全球的氣候變暖、環(huán)境惡化。尤其是
2003年之后人們的環(huán)保意識越來越強．減少CO。等
溫室氣體的排放備受人們的關注。2012年之后我國
的沙塵暴跟霧霾天氣越來越嚴重。我國政府對環(huán)境的
治理越來越重視，同時加大了節(jié)能及提高能效等方面
的投入。工程機械作為一種高能耗的機械設備，節(jié)能
就顯得尤為重要。目前化石燃料的利用率已經(jīng)成為工
程機械重要評判標準。
1 大型挖掘機的能耗分析
由于挖掘機的工作范圍廣。世界上各種土方工程
約有65％～70％的土方量由挖掘機來完成．這使挖掘
機在各類工程建設中得到廣泛應用。但由于挖掘機前
端工作裝置質量大。在工作時動臂下降不僅造成能量
損失，而且損耗的能量會轉化成液壓系統(tǒng)中液壓油的
內能，導致液壓油溫升高，嚴重影響挖掘機的工作效
率跟使用壽命。挖掘機的耗油量高、排放尾氣質量
差，這已經(jīng)引起該行業(yè)的廣泛關注。
日本神鋼機械公司對大型液壓挖掘機的能量利用
與做了如下統(tǒng)計(如圖1)：大型挖掘機最終對能量
的利用率只有20％。機構系統(tǒng)能耗較小，能量大部
分都損失在液壓系統(tǒng)之中。液壓系統(tǒng)的能量利用率只
有30％左右，這也是導致挖掘機效率低下的一個重
要原因。因此液壓系統(tǒng)具有較大的節(jié)能空間，同時也
是挖掘機節(jié)能發(fā)展的一個重要方向。
醫(yī)墓戛三莖 垂蕈 垂 囊曩垂 囊囊 總20效％率
有效功率
lOO
圖1 大型液壓挖掘機能量利用分布
分析液壓系統(tǒng)常見的能耗現(xiàn)象，主要有以下幾個
收稿日期：2014—04—15
基金項目：四川省科技計劃項目(2013GZX0151)；四川省高校重點實驗室開放基金科研項目(GK201310)
作者簡介：孟志明(1988一)，男，碩士，主要從事液壓技術方面的學習工作。E-mail：sun．0922@163．com。
第1O期 孟志明等：大型液壓挖掘機液壓系統(tǒng)節(jié)能技術的研究 ·103·
方面：(1)溢流損失。大型液壓挖掘機系統(tǒng)中溢流
現(xiàn)象一般出現(xiàn)在過載工況下，此時泵的輸出壓力超出
安全閥的設定壓力，液壓系統(tǒng)就會出現(xiàn)溢流現(xiàn)象；
(2)沿程損失。沿程損失主要是因為黏性摩擦產(chǎn)生
的壓力損失．這是不可避免的，但可以通過選擇合適
的材料和優(yōu)化管路的設計來減少沿程壓力損失；(3)
匹配損失。由于挖掘機在工作過程中負載變化快，尤
其是在小負載高轉速的情況下更不容易匹配，只能設
計新型的快速反應回路例如負載敏感系統(tǒng)等； (4)
動能和勢能損失。動能和勢能損失主要體現(xiàn)在液壓挖
掘機的動臂和斗桿工作過程中，尤其是大型液壓挖掘
機動臂質量較大。其蘊含的動能和慣性能大，節(jié)能效
果非?？捎^。
2 新節(jié)能方案
近幾年。技術人員針對液壓系統(tǒng)中存在的溢流損
失、匹配損失、沿程損失等設計了很多新型的控制回
路和新式元件，取得了明顯的節(jié)能效果。作者針對動
臂勢能設計了新型的節(jié)能方案。
2．1 系統(tǒng)原理
圖2為新式節(jié)能方案。該方案的能量回收原理
為：當動臂下降時液壓缸中無桿腔的液壓油流經(jīng)馬達
2，經(jīng)過液壓變壓器帶動變量泵3，使液壓油經(jīng)過單
向閥9進人到蓄能器20中，儲存動臂下降時的勢能。
動臂下降的速度由液壓泵2的排量決定?？刂葡到y(tǒng)通
過信號控制變量馬達3的轉速進而控制液壓泵2的轉
速．從而達到調節(jié)液壓泵2的排量的目的，進而實現(xiàn)
對動臂下架速度的控制。另外無桿腔的液壓油流經(jīng)再
生閥26流回動臂有桿腔，實現(xiàn)了流量再生，進而達
到節(jié)能的目的。
1、卜變量泵卜液壓馬達4一二位三通閥 5、6、7一二位
二通閥8、9、16一單向閥10、ll、l2、l3、I4、l5一油箱
I7、18、l9_-溢流閥 2o--1~能器 2l、22、23、24__壓力傳
感器25一梭閥 26一流量分配閥
圖2 新節(jié)能方案原理圖
2．2 建模與仿真分析
2．2．1 新系統(tǒng)數(shù)學模型分析
文中采用氣體式蓄能器，由波義爾定律得蓄能器
總容積 可由公式(1)計算出：
P =p： =p =k (1)
式中：P 、P：、P，分別為蓄能器儲能前的充氣壓力、
系統(tǒng)工作最高壓力和蓄能器的最低工作壓力；V，、
、 分別為氣室容積、最高工作壓力下的氣體體
積和最低工作壓力下的氣體體積；n為指數(shù)。
當蓄能器處于平衡時：
(m dQ坩Q)
=p 初 (2)
蓄能器連續(xù)性方程：
Q=一面dV (3)
式中：P末、p初分別為蓄能器蓄能后壓力以及初始狀
態(tài)壓力；m為蓄能器內液體當量質量；A截為蓄能器
油液腔截面積；Q為蓄能器吸油流量。
利用液壓變壓器相連的泵與馬達力矩方程：
(p ?-p )一(pb -pbi)=．， + + (4)
其中：P mi，P ，P i，pk分別為馬達和泵的進出口壓
力；．，為馬達和泵的轉動慣量；r為當量轉動阻尼；
為摩擦力矩。
當動臂下降時動臂液壓缸所受的力平衡為：
P無A無-A有P有=F—Bx 一Ff-mo (5)
式中：P無，p有分別為動臂無桿腔和有桿腔油液壓力；
A蕪，A有分別為動臂液壓缸有桿腔跟無桿腔的有效面
積；F為動臂所受到的外負載； ， ”分別為動臂下
降的速度和加速度；B為動臂缸活塞的黏性阻尼；Ff
為缸活塞所受摩擦力。
2．2．2 與現(xiàn)有系統(tǒng)比較
分別建立現(xiàn)有系統(tǒng)及新系統(tǒng)的AMESim模型，如
圖3—4所示。
④
圖3 現(xiàn)有系統(tǒng)
· 104· 機床與液壓 第43卷
圖4 新系統(tǒng)
新方案中蓄能器的初始壓力和體積分別設為8O 能效果。
MPa、10 L?；厥障到y(tǒng)中 ：
馬達和泵的效率定位若
0．8，容積效率為0．85。疊 ：
仿真時間跟步長分別為 ，4
10 s跟0．1 s。仿真過程 o0
中兩系統(tǒng)所加負載相同，
如圖5所示
0 2 4 6 8 lO
時間，s
圖5 所加負載
通過仿真對比圖6可看出：兩系統(tǒng)的運動性能現(xiàn)
差無幾，新系統(tǒng)可滿足液壓缸的運動需求。圖7顯示
出同一時刻兩系統(tǒng)的能耗，明顯看出新系統(tǒng)節(jié)能效果
優(yōu)于現(xiàn)有系統(tǒng)。動臂在完成一個工作過程中雖然速度
控制方面相差無幾，但節(jié)能效果相當明顯。而且新系
統(tǒng)利用能量回收回路控制動臂的下降速度。避免了節(jié)
流閥調節(jié)動臂下降速度消耗能量導致油溫升高的現(xiàn)
象，延長了液壓元件的使用壽命，提高了系統(tǒng)效率。
e
●
邑
寇
300
2S0
-'200
寢150
盤100
50
0
0 0 2 4 6 8 10
時間，|
圖6 液壓缸伸縮速度對比 圖7 兩系統(tǒng)能耗對比
新系統(tǒng)是在現(xiàn)有流量再生回路的基礎上提出的。
在原有基礎上增加了能量回收回路。文中對現(xiàn)系統(tǒng)進
行了數(shù)學建模和AMESim仿真分析．并與原有回路的
仿真結果進行了對比，得出新回路比原有系統(tǒng)的能量
利用率提高了15％，這反映出新方案具有較好的節(jié)
3 液壓節(jié)能技術的發(fā)展趨勢
隨著科技的發(fā)展。越來越多的數(shù)字技術和軟件技
術整合到液壓節(jié)能技術中。液壓節(jié)能技術正在向著智
能化、高性能、穩(wěn)定高效的方向發(fā)展，從目前國內外
液壓節(jié)能技術的發(fā)展狀況來看，主要有以下特點：
(1)新動力系統(tǒng)的開發(fā)，近幾年以電力驅動的
混合動力系統(tǒng)在液壓機械得到廣泛應用。
(2)采用高精度新型液壓元件，減少液壓元件
中液壓油的泄漏，提高元件的使用壽命。
(3)結合電控技術改進傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)，以減
少節(jié)流損失、溢流損失和沿程壓力損失。
(4)采用更加先進的控制方式，提高控制的準
確性。
(5)動力源輸出功率控制更加智能化，采用電
子控制系統(tǒng)對動力源的輸出功率與工作狀況進行綜合
控制，使兩者達到最佳匹配。
(6)提高液壓油的凈化處理能力，控制液壓油
的泄漏
4 結論
對液壓系統(tǒng)可能存在的能耗進行了分析。針對能
耗問題分別從液壓元件和液壓系統(tǒng)介紹了國內外先進
的節(jié)能技術，并根據(jù)現(xiàn)有技術推測了液壓節(jié)能技術的
發(fā)展方向。隨著大量的計算機元素融入到液壓節(jié)能技
術中，現(xiàn)在液壓節(jié)能技術已不只是單純地達到節(jié)能的
目的，人們把更多的精力放在提高液壓系統(tǒng)的綜合指
標上。
(下轉第126頁)
· 126· 機床與液壓 第43卷
4 換刀部分PMC程序設計
飛碟式刀庫的換刀控制由換刀宏程序和PMC控
制程序兩部分共同完成，在換刀宏程序中用M55作
為PMC程序的入口，執(zhí)行相關的換刀動作。使用I／O
Link軸作為刀庫伺服電機控制?？梢岳肐／O Link
軸的ATC／轉臺控制功能代碼完成刀庫的選刀，通過
定義功能代碼中的指令數(shù)據(jù)1完成自動選刀或手動按
一下轉動一個刀位。自動選刀部分梯形圖如圖6所
示，其中x和Y的地址都從60開始．A0008．1為z
軸到達參考點1后主軸未定位報警，A0008．2為刀庫
未在換刀點(參考點2)以上的位置選刀報警。
圖6 刀庫自動換刀PMC程序
刀庫的“回零” 運行是利用I／O Link軸的“參
考點返回功能”建立的零點 ，將1號刀事先手動
調整到換刀位置，并將此位置的機械坐標值存儲在參
考點的機床坐標值參數(shù)144或145中。在手動模式
下，通過操作面板上“刀庫回零”按鍵，刀庫回到
所設定的刀庫原點。
5 結束語
用FANUC 13is0．5／6000伺服電機代替刀庫原來的
電機，不僅提高了刀庫的換刀速度，還保證了換刀的
可靠性，避免因刀庫中的傳感器故障發(fā)生錯誤。在換
刀過程中通過PMC窗口功能，保證刀庫在運轉過程
中的安全。實踐證明：利用FANUC系統(tǒng)的I／O Link
軸控制刀庫伺服電機可大大提高換刀效率和換刀的可
靠性，同時還可以提高刀庫的換刀精度。
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(上接第104頁)
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