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1、2018年第1期 液压与气动 71doi：10I 1832jissn10004858201801012基于平衡油缸的势能液压式存储和再利用研究叶月影1，林添良2。任好玲2(1集美大学诚毅学院机械工程系，福建厦门361021；2华侨大学机电及自动化学院，福建厦门361021)摘要：为提高液压挖掘机的能量使用效率，提出了一种基于平衡油缸的势能液压式存储和再利用系统。分析了平衡系统的工作原理，通过建立平衡系统的动臂下降速度控制数学模型，分析了平衡单元的加入对液压固有频率和阻尼比的影响。建立了系统的AMESim仿真模型，分析了不同的管道容腔体积、蓄能器充气压力和蓄能器体积对动臂下降速度稳定性及动态响应
2、特性的影响，从而确定平衡单元关键参数的合理取值范围；以某型号15 t型的挖掘机为研究对象，搭建了动臂势能回收试验平台，验证平衡系统的节能效率。结果表明：该方案在标准工况下的节能效率为21，能量回收效率为582。关键词：液压挖掘机；平衡油缸；液压蓄能器；能量回收中图分类号：THl37文献标志码：B文章编号：1000-4858(2018)01-0071-07Research on the Potential Energy Regeneration and Utilization inHydraulic Based on Balance CylinderYE Yueyin91，LIN Tianlia
3、n92，REN Hao1in92(1Department of Mechanical Engineering，College of Chengyi，Jimei University，Xiamen，Fujian 361021；2School of Mechanical Engineering and Automation，Huaqiao University，Xiamen，Fujian 361021)Abstract：In order to improving the energy efficiency of construction machinery，a potential energy r
4、egenerationand utilization in hydraulic based on balance cylinder for the boom is proposedThe working principle of the balance system is analyzedThe mathematical model of the boom down has been established to analyze the influenceon hydraulic natural frequency and damping ratio with energy recovery
5、unitTo determine the reasonable range ofkey parameters，the simulation model is built in AMESim and used to analyze the influence on response characteristics and stability of the boom down speed based on different volume of chamber，gas pressure of accumulator andthe volume of accumulatorA 15-ton hydr
6、aulic excavator is used to be the research object and a test platform toverify the energy efficiency of balance system is established based on itThe experimental results show that the energy recovery efficiency of the proposed energy regeneration and utilization system is 582under standard workingco
7、nditionsand the energy-saving efficiency of power system is 21Key words：hydraulic excavator，balance cylinder，hydraulic accumulator，energy regeneration引言一台液压挖掘机可完成多种作业，因而被广泛应用于建筑略对工程掘机能耗、矿业、机械等施工中。但随着可持续发展战机械节能减排提出的要求日益提高，液压挖高、效率低的顽疾已逐渐成为人们研究的焦点之一。液压系统效率仅为30是导致液压挖掘机效率低的主要原刮1I，因此，提高其液压系统效率对提高挖掘机的整体效率具
8、有较大的社会意义。对此，能够提高液压系统工作效率的多种节能技术相继出现，收稿Et期：201710-30基金项目：福建省中青年教师教育科研项目(JATl70910)作者简介：叶月影(1989一)，女，福建漳州人，助教，硕士，主要从事工程机械节能技术、电液控制技术方面的研究。万方数据72 液压与气动 2018年第1期如正负流量技术【2 J、负载敏感技术J、新型流量匹配技术。4。o、负载口独立控制系统。6 o和基于高速开关阀的液压控制技术【_纠等，但动臂势能和制动动能消耗在回油节流口上的问题并没有得到解决。为充分利用挖掘机动臂在举升后累积的重力势能，研究人员在液压系统中引入了能量回收单元旧。1 0|
9、。美国卡特彼勒o在液压挖掘机样机上安装了液压蓄能器来回收回转制动动能和动臂势能；德国亚琛大学MURRENHOFF等。1卜”o提出了一种动臂重力势能回收方案，该方案采用不同压力等级的液压蓄能器实现不同载荷下的动臂能量回收；吉林大学赵丁选等【141提出了一种基于自适应模糊控制的新型能量回收系统，采用液压蓄能器和单向阀对动臂势能进行回收再利用，研究表明该方案与无能量回收单元的动臂下降过程能耗相比，节能达148。以上采用液压蓄能器作为储能单元的能量回收系统。由于蓄能器直接与动臂驱动油缸的无杆腔相连，在回收过程中，液压蓄能器的压力随着回收过程而逐渐升高，从而导致速度控制阀口两端的压差发生变化，影响到执行
10、器的速度控制特性。为了消除蓄能器压力变化对速度操控性的影响，在动臂的原驱动油缸上并联1个平衡油缸，并将其与液压蓄能器相连，将蓄能器的压力变化转化为平衡油缸的力变化在动臂上直接和驱动油缸的输出力进行耦合，相当于驱动油缸驱动1个轻负载。芬兰坦佩雷工业大学的VIRVALO等刮采用1个平衡油缸和蓄能器组成的复合能量回收系统对起重机机械臂下放时的势能进行回收，该系统的能量回收与释放在同一回路得到实现，避免了中间转换环节的损耗；中南大学陈欠根等6川将平衡油缸的无杆腔直接与蓄能器相连，回收动臂下降能量并在上升过程中释放出来，在装机试验中液压挖掘机节油率达到20，具有较好的操作性和节能性。但这种增加平衡油缸的
11、方式主要应用于装载机、叉车等单向输出力且工况简单的工程机械，不适用于具有较多工作模式且需要双向输出力的挖掘机。因此，本研究对原挖掘机动臂增加1个平衡油缸，其两腔分别通过2个电磁换向阀与液压蓄能器相连，以保证在不同的工况下对动臂势能进行回收或将液压蓄能器内储存的能量进行释放。另外，为减少多路阀上的节流损失并根据负载需求对进口流量和出口流量进行独立调整，用3个比例节流阀和1个比例溢流阀来代替原来的多路阀。通过仿真研究该能量回收系统的关键参数的范围，使其适应挖掘机的多种工作模式要求，并通过实验研究来探究平衡单元的增加对系统控制特性的影响，进而研究平衡系统的节能效率和能量回收效率。1新型能量回收系统结
12、构方案图1所示为基于平衡油缸的势能液压式存储和再利用系统原理图，该系统将传统的多路阀用比例节流阀和比例溢流阀替换，增加能量回收单元，平衡油缸与驱动油缸刚性连接，工作原理为：1变频电动机2定量泵3安全阀46比例节流阀7比例溢流阀8、1215电磁换向阀9先到操作手柄10驱动油缸11平衡油缸16压力传感器17液压蓄能器图1 基于平衡缸的势能液压式存储和再利用系统原理图(1)势能回收：动臂下降时，控制无杆腔进油的比例节流阀5关闭，比例节流阀4的阀口打开与目标下降速度相对应的开度，通过控制动臂驱动油缸lO无杆腔回油流量大小进而控制动臂下放速度；比例节流阀6打开一定开度为驱动油缸10有杆腔补油防止吸空；能
13、量回收单元的电磁换向阀12和15通电，电磁换向阀13和14断电，动臂的部分重力势能以液压能的形式储存在液压蓄能器17中，此时驱动油缸10无杆腔的回油压力逐渐减小，减少了势能在节流口的损耗；(2)能量再利用I：动臂处于上升状态时，此时比例节流阀5的阀口开度与目标速度信号相对应，为驱动油缸10无杆腔提供流量，有杆腔通过比例溢流阀7卸荷，同时比例节流阀4和6关闭；能量回收单元的电磁换向阀12和15通电，电磁换向阀13和14断电，蓄能器17储存的高压油输入平衡油缸l 1的无杆腔辅助驱动油缸提升负载，平衡油缸有杆腔的液压油通过电磁换向阀12回油箱，由于平衡油缸11给驱动单元提供了部分动力，因此降低了定量
14、泵2的输出压力：万方数据2018年第1期 液压与气动 73(3)能量再利用II：动臂处于挖掘工况时，所需流量小而压力大，此时电磁换向阀13和14通电，电磁换向阀12和15断电，蓄能器17储存的高压油输入平衡油缸11的有杆腔，通过动臂给铲斗和斗杆增加挖掘力，此时变频电机1可以处于转速较低的怠速状态，以降低能耗；(4)安全使用：在动臂上升或下降时，为防止液压蓄能器17过充或过度释放而影响寿命，因此，蓄能器17有一个最高和最低工作压力的判断，当蓄能器17压力高于低于最高最低工作压力时，控制器变换输出信号切断电磁换向阀1215，使蓄能器17停止能量的回收和释放。2具有平衡油缸的势能回收系统建模为了研究
15、增加液压蓄能器和平衡油缸后对动臂下降过程速度控制特性的影响，本研究建立了动臂下降过程的速度控制数学模型，通过分析具有平衡油缸的势能液压式存储和再利用系统液压固有频率和阻尼比，获得影响动臂下降操控性的关键参数。1)液压蓄能器的力平衡方程8|：(风1咄)A。：ma警+6。警 (1)式中，P。为蓄能器人口压力，也是平衡油缸无杆腔压力；P。为蓄能器的充气压力；A。为蓄能器腔有效作用面积；m。为蓄能器内液体质量；z。为蓄能器内油液界面运动距离；b。为蓄能器内油液黏性摩擦系数。2)液压蓄能器的流量连续性方程：dy dxQa一吾一Aa吾 (2)式中，K为蓄能器的额定体积。3)比例节流阀4的流量方程9|：Q“
16、=Kq石“+KopLl (3)式中，玩为比例节流阀的流量增益；K。为比例节流阀的流量压力系数；戈“为比例节流阀4阀口开度位移；Pu为驱动油缸无杆腔压力。4)驱动油缸活塞的力平衡方程在动臂下降过程中，动臂主要依靠本身及负载的重量下降，因此，驱动油缸有杆腔的压力较小，与无杆腔压力相比可以忽略，在下降过程中驱动油缸活塞的力平衡方程为：一P L1A12=rtl玉1+bl秽1 (4)式中，A，为无平衡油缸时普通系统动臂油缸无杆腔的有效作用面积；m。为驱动油缸活塞及负载的等效质量；秽。为动臂下降速度；b，为动臂下降时驱动缸活塞的黏性阻尼系数。5)平衡油缸活塞的力平衡方程由于平衡油缸与驱动油缸在动臂上机械耦
17、合，因此两缸具有相同的运动速度，且从图1看出，在动臂下降过程中，平衡油缸有杆腔与油箱相通，因此有杆腔压力很低，可以忽略。平衡油缸活塞的力平衡方程为：一PblAl2=m2西l+b2vl (5)式中，m：为平衡油缸活塞及负载的等效质量；b：为动臂下降时平衡缸活塞的黏性阻尼系数。6)油液连续性方程驱动油缸和平衡油缸在动臂下降过程的油液连续性方程为：一90u。=A虿1面dx+鲁垡；害(6)式中，qi。、q。分别为流入和流出无杆腔的流量；A虿1d山x为由于活塞的运动而引起的流量；A虿t垡茜血dt为由于液压油的可压缩性而引起的流量。则驱动油缸无杆腔的油液连续性方程为：一Q“一Cic(pLl_pu)+c。p
18、Ll=一A虿1秽。+瓦EL百pLI(7)则平衡油缸无杆腔的油液连续性方程为：-Qa-c“pbl讯)+C。pbl=一Arl。+凄訾(8)式中，K为比例节流阀4与驱动油缸无杆腔间的容腔体积；K为液压蓄能器与平衡油缸无杆腔间的容腔体积；CC。分别为液压缸的内泄漏和外泄漏系数；届。为液压油的体积弹性模量；P阶Pb2分别是驱动缸和平衡缸的有杆腔压力，与无杆腔压力相比可以忽略。整理式(1)式(8)可得平衡系统的动臂下降速度传递函数：以小鼎+皋v4(2刚VLmjl+2鲋Vbm22+ 2【c+cec)警坻寿+半(9)万方数据74 液压与气动 2018年第1期则液压固有频率和阻尼比为：n 2 (10)。+ce半
19、嘶寿+半卜阿鬲瓦卢。Ai 卢。Ai(11)从式(9)一式(11)中可得，增加蓄能器和平衡油缸后，影响动臂下降速度特性的主要参数是蓄能器体积(体现在蓄能器的横截面积4。、蓄能器内液腔液体质量m。)、充气压力P。和容腔体积K(主要体现在管道长度)。从式(9)中可看出，增大蓄能器充气压力P。或减小蓄能器的容积K即减小蓄能器液腔油液质量，能够提高动臂下降响应速度；从式(10)和式(11)看出，减小液压蓄能器与平衡油缸无杆腔间的容腔体积K，能够提高动臂下降时系统的固有频率，但阻尼比减小，影响系统稳定性，因此有必要增加平衡油缸和液压蓄能器后，对动臂下降速度特性进行研究，确定合适的平衡单元参数。3具有平衡油
20、缸的势能回收系统仿真分析为评价增加平衡油缸和液压蓄能器后的能量回收系统稳定性和动臂下降过程的操控性，根据图1在AMESim中建立仿真模型如图2所示，主要包括上车机构、原驱动单元、平衡单元和控制系统等部分。仿真基本参数如表1所示，其中添加平衡单元后，对动臂下降过程有影响因素的管道长度、蓄能器的充气压力和体积基本参数如表2昕示：黪i凄蚌机：。V 。杠、 u_。蛰轻。彗罐。列1面一分酉鹚薹翕一一且。1f平衡单元6。蔓譬鞯#， 一一一10-一一P曲j。一一一#丁)L I控制系统图2 AMESim仿真模型表1仿真基本参数元件 参数 数值定量泵 排量mLr“ 32变频电动机 额定转速rrain1 1800
21、活塞直径ram 45驱动油缸平衡油缸 活塞杆直径ram 25最大行程mm loo表2平衡单元基本参数油管长度m 充气压力MPa 蓄能器体积L1O 1 331 平衡单元容腔体积对动臂下降速度的影响平衡单元容腔体积由连接管道直径和长度决定，由于管道直径已经根据系统工作压力和流量确定，因此研究容腔体积K对系统的影响即是研究蓄能器与平衡油缸无杆腔问的连接管道长度对系统的影响。在图2中，分别将平衡油缸与蓄能器之间的管路长度设为1，10，50 m，其他平衡单元参数如表2所示，分析动臂下降的速度动态响应和稳定性，动臂的目标速度为26 mms。由图3中可看出：随着管道长度增大，动臂下降速度的超调量增大，速度的
22、振动也增大。但不同管道长度对系统动态响应时间差异较小，尤其是管道长度在10 m以内时动臂下降速度几乎无差别。在液压挖掘机有限的安装空间里，单条管道长度可控制在10 m以内，因此蓄能器和平衡油缸无杆腔间的容腔体积对动臂下降速度的影响可以忽略。图3 不同管道长度下的动臂下降速度曲线32 充气压力对动臂下降速度的影响如图1所示，在动臂下降过程中，蓄能器压力即为、卜嘶油缸无杆腔压力，随着动臂下降，蓄能器压力会逐渐f-高，由于测试机型较小，无平衡油缸系统下，所测万方数据2018年第1期 液压与气动 75试的液压缸无杆腔压力约为4 MPa左右，因此，为避免出现过平衡而导致动臂下降困难，将充气压力分别设为1
23、0，20，30 MPa，其他平衡单元参数如表2所示。从图4看出，随着蓄能器的充气压力升高，动臂下降速度动态响应越快，但下降速度超调量减小，速度越快达到稳定值。从图4中可看出，充气压力为2 MPa和3 MPa时曲线几乎重合，差异较小，因此，对于15 t型的试验机型，平衡单元的蓄能器充气压力可选择在23、1I，。l越内图4不同充气压下的动臂F降速度曲线33 蓄能器体积对动臂下降速度的影响根据后面测试机型的吨位，计算得动臂油缸的有效体积变化量约为04 L，因此，蓄能器体积无需选择过大，将蓄能器的额定体积分别设为20、30、40 L，其他平衡单元参数如表2所示，研究蓄能器体积对动臂下降速度的影响如图5
24、昕示，、图5不同蓄能器体积下动臂下放速度曲线从图5看出，随着蓄能器体积增大，动臂下降速度响应变慢，超调变大，下降速度趋于稳定的时间延长，动臂下降的固有频率和阻尼比都相应减小。考虑到试验室采用的是某15 t的纯电动挖掘机综合试验平台，可回收油液的体积较小，因此3 L以内的蓄能器体积均可以满足要求。34能量回收系统适应多工况仿真挖掘机是典型的复杂多工况工程机械。图6所示为多工况下的相关参数曲线，其中，动臂位移为正，代表处于非挖掘工况；动臂位移为负，代表处于挖掘工况。一卜。 一 k一 。一：I5， U 、西， 山蒌一40 F下嘲 挖掘， 3j圈6多工况1、参数曲线从图6中可看出：动臂上升时，蓄能器压
25、力逐渐降低，说明蓄能器在上一周期回收的高压油释放到平衡油缸无杆腔，辅助动臂提升负载；当动臂处于静止状态时，蓄能器压力不变；当动臂下降时，蓄能器压力逐渐升高，部分重力势能被蓄能器吸收储存；仿真模型中利用给有杆腔压力一个压力阶跃来模拟外部干扰(101 1 s)，在干扰开始和结束时动臂速度均有一个突变，但在03 s内恢复平稳状态，此时蓄能器仍然处于回收能量状态，同时也吸收了部分的压力冲击，保证了系统的抗干扰能力；当铲斗开始挖掘时，系统处于高压小流量的需求状态，蓄能器的高压油释放出来提供部分高压，给系统提供了额外的挖掘力，降低了液压泵的输出高压。4试验研究为了研究基于平衡缸和液压蓄能器的势能回收系统的
26、节能效率和能量回收效率，根据仿真所获得的在某15 t纯电动液压挖掘机综合试验平台上进行相关测试，平衡系统测试平台如图7所示。试验平台各关键元件参数如表1所示，平衡单元参数选择如表3所示。位移传感器图7平衡系统试验平台uIdlIi如加mo枷珈专；枷万方数据76 液压与气动 2018年第1期表3平衡单元试验参数管道长度m 充气压力MPa 蓄能器体积L2 2 16为了使试验结果更具有可比性，试验中保持铲斗的带载情况相同，且每次试验都使铲斗和斗杆保持在相同的姿态。通过检测试验过程中定量泵的出口压力、蓄能器压力等参数，计算得到势能回收系统的能量回收效率和节能效率。图8为动臂势能回收系统中的蓄能器压力与动
27、臂位移曲线，从图中可看出，试验结果中蓄能器压力随动臂位移变化曲线与仿真曲线趋势一致，其中，15205 s时动臂处于上升状态，上一工作周期中蓄能器回收的高压油释放到平衡油缸，无杆腔辅助提升负载，蓄能器压力由55 MPa逐渐降低至30 MPa；205238 s时动臂静止在最高点，此时蓄能器无输出，压力基本保持不变；23830 s时动臂下降，部分重力势能转化为压力能回收至蓄能器，压力逐渐增大到55 MPa左右。表4是一个工作周期中动臂所具有的可回收能量和蓄能器所吸收能量的对比，蓄能器能够回收的能量约为990 J能量回收效率约为582。图8蓄能器压力和动臂位移曲线表4系统能量回收效率参数 能量J 回收
28、百分比可回收能量 1700蓄能器回收能量 990 582如图1工作原理分析可知，若蓄能器压力选择不合理，则必将影响到动臂的下降操控性，从图8动臂位移的下降过程可看出，在处于当前的蓄能器压力和体积情况下，动臂下降时间为62 s，处于合理的范围内，说明通过仿真得到的相关参数合理。图9为特殊工况下蓄能器和位移曲线，通过手柄的操控模拟外部剧烈变化的负载。从图中可看出，在复杂多变的工况下，该能量回收系统仍能实现较高的能量回收率，同时蓄能器起了吸收部分压力冲击的作用。图9定量泵出口压力由于在动臂上升过程中，平衡油缸和蓄能器提供了辅助动力，平衡掉部分负载，等效于驱动油缸只提升一个较小的负载，因此定量泵的输出
29、压力相应减小。如图8所示，在动臂上升过程中，势能回收系统的定量泵出口压力约为6 MPa，无平衡系统的定量泵出口压力约为10 MPa，压力降低约40；在动臂下降阶段，两种系统都是依靠动臂的重力势能下降的，因此液压泵的输出压力基本相同，都保持在较低压力。表5为动臂一个工作周期内，普通系统液压泵消耗能量和平衡系统液压泵消耗能量的对比，由表可以看出，平衡系统的节能效率越为2l。表5定量泵能量输出参数 能量J 节能效率普通系统 16050平衡系统 12600 215结论为提高工程机械的势能回收，提出一种基于平衡油缸的势能液压式存储和再利用系统，获得以下结论：(1)在原动臂液压系统的基础上，增加了平衡单元
30、用于辅助动臂提升负载，并在下降过程对部分动臂势能进行回收再利用，且进行了多工况仿真分析，证明所提出的能量回收和再利用系统能够适应挖掘机的多工况工作要求，且具有能量回收再利用功能；(2)增加了平衡油缸和液压蓄能器后的能量回收系统稳定性和动臂下降过程的操控性。受管道长度、蓄能器充气压力和蓄能器体积的影响，在合理匹配这几项万方数据动臂工作周期中，与同吨位的普通液压挖掘机相比，所 一Ma。hinery，2014，45(1)：2126提出的势能回收系统中蓄能器能够回收的能量约为 11tEi。eRcK。Ebilneirtgi。y。E：ffthic。ie9ntthHsy。d。r。audlii。c。Siyas
31、。t8Im。st。a。natdi。Rne。glenceonra-990 J，能量回收效率约为582，液压泵节能约21。 ferencet-。-n F1uid Pow。，zLink6ping：2005：25参考文献： 12 MuRRENHOFF H，SGRO s，VUKOVIc MAn Overview1 KAGOSHIMA M，KOMIYAMA M，NANJO T，et a1Devel- o，f，Energy saVingArchiecures for M。bile Applicai。ns。pment ofNew矗ybrid Excavat。r衙Kobel，c。Technol。gy ， 、cR
32、WTHAachenUniversity，2014：239一触二eview，2007，(另)：3942 “ 13 VIKOVICM，SGRO s，MURRENHOFF HsTEAM：a21 2篡早，寰譬：趋专。液压挖掘机节能控制方案的组合优 IHFoKlisticcApApr。o。ahc。h。t，02D。els4ig：2n5in。gE2x6clav砒or Syskms“he吼h竺I翌+篓业机械学餐，2002,33(4)-J-7 一14金立薹：赵子选：子磊茬：圣“液|羞套掘机节能参数自适擘N?Pe，ien,。GAO!朗g，G。Ao Y!。Opnm记乱ion甜m- 。蕞模磊PID函并芫T4J-?泵釜三磊辜箍二磊；：蔼Hydraulic ExcavatorsJTransactions of the Chinese Soci。 JIN bsheng，zHA0 Din帑uaIl，DING Desheng，et a1Enety for Agricultural Machinery，2002,33(4)：57ergysaving。PID Fuzzy c0：tmller with self-tuni二Parameters5刘伟，徐兵，杨华勇，等电子流量匹配液压系统节能特性 16 陈欠根，李百儒，宋长春，等新型液压挖掘机动臂势能万方数据