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1、汽车制造技术现代制造工程(M odernManufacturingEngineering)2011年第 2期电动叉车势能回收液压系统的效率分析与仿真研究朱建新1 , 2,张秋阳1, 陈丽伟1( 1中南大学机电工程学院,长沙410083; 2湖南山河智能机械股份有限公司, 长沙410100)摘要 : 介绍电动叉车节能起升系统的设计方法与节能工作原理, 利用 AMESi m仿 真软件进行模型仿真,验证系 统的节能效果 , 计算系统的能量回收效率 , 运 用 AMES i m仿真软件的批 处理功能将系统各参数对节能效率的影响进行了分析 , 为电动叉车工作效率的进一步优化提供参考。关键词 : 电动叉车
2、 ; 起升节能系统 ; AMESim 仿真软件中图分类号 : TP319文献标志码 : A文 章编号 : 1671) 3133( 2011) 02)0039 )04Efficiency analysis and si m ulationstudy of hydraulicsyste m for recycli ngthe potenti al energy of electric forkliftZHU Jian -x in1, 2, ZHANG Qiu-yang1, CH EN L- i wei1( 1 College ofM echanicalEngineeri ng , Center S
3、outhUn iversity , Changsha410083 , Ch ina ;2H unan Sunward IntelligentM achinery Co . Ltd. , Changsha410100 , China)Abstrac t : The designmethod andenergy -saving principle of t he electric f orklift hydraulic lift syste m w as introduced . AMES i m wasused to verify the effectivenessof this system.
4、The recoveryrate wasalso co mputed . The batch analysesfunction ofAMESim wasapplied to study the influencesof syste m para meter t o the energyrecoveryrate , t h is providesa referenceto further optimizeof t heefficiency .K eyword s : electric f orklift ; hydraulic lift energy-sav ing syste m;AMESi
5、m si mulation0 引言电动叉车具有能量转换效率高、 噪声小、无废气排放和控制方便等优点, 在车间、仓库、食品、制药、微电子及仪器仪表等对环境条件要求较高的场合得到了广泛的应用 , 成为室内物料搬运的首选工具。但是目前蓄电池一次充电工作时间( shift life) 过短成为国内叉车产品的一个缺陷, 因此在努力提高叉车蓄电池蓄电容量的同时, 对于电动叉车的能量节约与回收再利用的研究显得极为迫切。进一步提高电池能量的使用效率成为当前 电动叉 车技术 研究 的重点 之一。由叉车的结构原理和工作特点所决定, 在叉车叉架提起重物上升时, 需要举升油缸向其提供驱动力, 即液压缸提供能量, 将液
6、压能转化为重力势能; 而在叉架提着重物下降时, 将其势能释放出来。这种势能相对于频繁工作的叉车来说尤其可观, 如不能有效利用,不仅造成能量的浪费, 还将导致液压油温度的升高,影响系统工作性能。因此应在叉车液压系统中设计储能装置 , 以便把货物下降过程中释放出的势能储存起来 , 并在下一个工作周期重新加以利用, 提高能量的利用效率 , 减少液压油温度的升高, 并同时达到使系统运行平稳、 工作可靠和安全的目的 1 。1系统设计在液压系统中能量回收方式可分为机械能量回收方式、电能量回收方式和液压能量回收方式等几种形式 2。以电能形式存储的方法其电路设计复杂, 对电路元器件要求高, 对电池寿命有一定的
7、影响; 而机械能量回收一般采用飞轮的形式, 这种方式机械结构庞大 , 不适合叉车的工作环境与工作要求; 采用蓄能器的方法只需要简单的油路便可实现势能的回收, 而且各个部件技术成熟、 工作可靠。文献 3 中, 液压升降机利用蓄能器对负载势能进行回收, 这种节能系统效率高 , 能很好地解决负载势能的回收与节流损耗油39名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 2011年第 2期现代制造工程(M odernManufacturi
8、ngEngineering)温升高的问题。本文主要针对国内S WE25型电动叉车进行研究与改进 , 将蓄能器运用到电动叉车上, 对蓄能器在电动叉车起升系统的节能特性进行仿真研究, 以便为该节能系统的实际应用提供理论基础。节能系统原理如图 1所示 , 举升重物时 ,多路换向阀9工作在上位 ,电磁阀12工作在下位 , 电磁阀15工作在右位 , 由举升油缸13推动重物上升, 同时蓄能器16将储存的能量释放出来 ,用于负载 G的提升 ,通过减小泵进出口压差,从而降低电动机6的负载 , 节省能量。重物下降时, 多路换向阀9工作在中位或下位, 电磁阀 12工作在上位 ,电磁阀15工作在左位 , 重物把液压
9、油压入蓄能器16 ,回收负载的势能以液压能的方式储存在蓄能器16中。图 1节能系统原理1 . 油箱2. 过滤器3、 7、 8、11 、14.单向阀4.定量泵5 . 溢流阀6 . 异步电动机9.多路换向阀(手动 )10. 限速阀12 、 15. 电磁阀13 . 举升油缸16.蓄能器本系统在原有起升系统的基础上进行改进, 其特点是 : 在电磁阀都关闭的情况下, 相当于原叉车起升系统功能 , 叉车可以正常进行举升、放下。蓄能器部分只是作为能量回收与再利用的附件。在节能的同时 ,也可以同时手动操作多路换向阀9 , 避免货叉下降过慢或因货叉重物太轻导致放不下来的情况。2 仿真模型及仿真结果为了验证此系统
10、是否节能, 在 AMES i m 仿真软件中建立了电动叉车液压系统模型,因本文只研究起升系统的节能特性, 所以将倾斜油路、转向油路都简化为直接连通油箱, 节能系统的AMES i m 仿真模型如图2所示。以湖南山河智能公司S WE25 型电动叉车为例 ,为了验证系统的能量回收与再利用特性, 在一次仿真中分别 对没有蓄能器释放能量和有蓄能器释放能量这 2种情况进行对比。用分段线性信号源来模拟手动多路换向阀的工作位置, 使在 0 12s之间多路换向阀工作在左位(相当于图1中的上位), 举升油缸举升重物 ; 在 13 22s之间, 多路换向阀工作在中位, 电磁阀 12打开、 电磁阀15关闭, 重物下放
11、 , 蓄能器蓄能。举升油缸行程曲线如图3所示。电动机转矩曲线如图4所示。在23 32s重物 再次举升 , 同时蓄能器释放能量 , 因电动机转速为变频调速,可以设为恒定不变,则可得到电动机消耗功率曲线, 如图 5所示。图 2节能系统的AMESi m仿 真模型图 3举升油缸行程曲线通常 情 况 下 电 动 机 转 速 设 为 215 103r/m in 。模型其他参数设置: 泵的排量为18cc/ rev , 泵的机械效率为0198, 泵的容积效率为0192, 限速阀最大流量为 48L /m in, 举升油缸活塞杆直径为 45mm, 无 杆腔40名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - -
12、- - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 朱建新 , 等:电动叉车势 能回收液压系统的效率分析与仿真研究2011年第 2期图 4电动机转矩曲线图 5电动机消耗功率曲线直径为 50mm , 活塞行程设为115m, 在垂直起升状态下 ,负载假设为额定负载, 因为举升油缸是通过链条与滑轮提升重物, 对于215t重物 , 其举升油缸实际负载对应的质量应为5 103kg , 重力作用方向与水平倾角为90b 。 蓄 能 器 充气 压 力 为20bar, 充 气 容 积 为5185L ,
13、其他参数与模型取默认值。进行仿真后得到举升油缸行程位移曲 线 (见图3)、 电动 机转矩 曲线(见图 4)和电动机消耗功率曲线(见图 5)。由图 3所示可知 , 重物经过1216s便到达最高位置 ;从 1216 13s重物保持在最高位置, 液压泵处于溢流状态 ; 从 13 2112s重物下放 ; 从 23 3514s是第 2次上升过程, 因为有蓄能器提供的能量, 泵的进出口压差减小 , 从而使电动机的负载转矩也变小, 但随着蓄能器内部压力的减小, 能量逐渐释放完, 电动机转矩逐渐上升到额定转矩, 在整个过程中电动机的转速不变 , 所以上升时间与上一次基本一致, 而且与理论计算值相差不大。由此可
14、见, 电动机所需功率也将减小 ,起到了一定的节能效果。3 效率分析与优化从理论上分析,由泵的功率P泵= T泵X泵= $p泵q , T泵为泵的转矩 , X泵为泵输出角速度, $p泵为泵的进出口压力差 , q为 泵的流量可知, 在 流量一定的情况下 ,调节泵的进出口压力差的大小可以控制泵的功率消耗 , 蓄能器提供的瞬时压力增大了泵的进口压力,在负载不变的情况下, 减小了泵的进出口压差, 降低了电动机功率消耗。从以上的仿真可知, 第 2次举升时, 从 23 2913s阶段, 电动机消耗功率明显低于首次举升时的功率 , 节能效果明显。第1次举升时 , 蓄能器处于初始状态, 不能释放能量, 此时电动机所
15、消耗的能量是实际举升重物所需能量E1, 第 2次举升时 , 蓄能器把上一次重物下放时所存储的能量释放出来, 降低电动机负载 , 此时电动机所消耗的能量便是节能系统举升重物时所需的能量E2。下面将准确计算此系统所能节省的能量。电动机功率P电为:P电= T电X电= T电n电/( 2P )式中 : T电为电动机转矩; X电为电动机角速度; n电为电动机的转速。起升系统满载一次举升电动机消耗的能量E电为:E电=QP电dt则节能效率G为:G=( 1-E2E1) 100 %=( 1-QP1dtQP2dt) 100 %式中 : P1为 0 1216s时间段举升电动机功率 ; P2为23 3514s时间段举升
16、电动机功率。对功率曲线 (见图 5)进行积分便得到能量。针对图 5所示曲线 ,先把数据导出 ,利用计算处理软件MAT-LAB 或 Excel可求得第1次举升所需能量E1= 129kJ ,第 2次所需能量 E2= 100kJ ,则节能效率为22 14 % ,由此可知此系统节能效果明显。在额定负载下, 如果不考虑势能回收 , 则所有势能都通过节流损失转化为热量, 总势能 E3达到 7315kJ ,这部分能量将导致系统元器件与油液温度的升高 ,从而影响系统工作性能。从理论上推导可知, 蓄 能器的充气容积、 充气压力和负载压力等都对能量回收效率有影响, 而且这些参数对重物的下降时间都有影响, 为了对节
17、能效率和工作性能进行优化, 笔者利用AM ESim 批处理功能对相应参数进行修改, 并从仿真曲线上得出最优效率参数。蓄能器有效充气容积对电动机转矩的影响如图6所示。经过计算, 举升油缸无杆腔有效容积为5185L,所以蓄能器有效充气容积至少大于5185L。从图 6所示曲线容易得出, 当充气容积接近举升油缸无杆腔容积时 , 能量回收最多 ,即重物从最高下降到底部时, 此时油液体积正好为蓄能器的最大有效充气容积, 此时能量回收最大 , 批处理结果如表1所示。同理对于负41名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 -
18、 - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 2011年第 2期现代制造工程(M odernManufacturingEngineering)载的变化、预充气压的变化影响都可以采用这种方法进行优化。图 6蓄能器有效充气容积对电动机转矩的影响表 1蓄能器有效工作容积与能量节能效率的关系参数参数值有效容积/L5185678910节能效率/%2214181918171612141813 194 结语通过 Am esi m 仿真软件不仅可以验证模型的正确性 ,同时可以看出蓄能器压力、蓄能器容积 , 以及负载大小等内部元器件参数对节能效率的影响。从以上分析可知 ,
19、 当负载为最大额定负载时, 蓄能器有效充气容积约等于举升油缸无杆腔容积时, 效率最优。所以利用蓄能 器对重物重力势能进行回收的方法是可行的 , 而且能量回收的效率达到20 % 左右 , 为提高电动叉车蓄电池一次充电工作时间提供新的技术保证。参 考 文 献: 1李云霞 .电动叉 车液压起 升节能 系统中 液压蓄 能器的选择计算 J. 流 体传动与控制 , 2009( 2). 2李云霞 .基 于 AMESi m的电 动叉车 液压起 升节 能系统的仿真研究 J. 机床与液压 , 2009( 37). 3阮学云 .升降机势能回 收液压 系统分 析 J. 液 压与气动 , 2009( 4). 4张峥明 ,胡军科 , 葛 玉柱 . 一种液 压功率 回收试 验系统的工作特性及回收效率研究 J. 现代 制造工程 ,2010( 5).作者 简介 : 朱建新 , 教授 , 硕 士生 导师 , 主 要从事 机电液 一体 化研究。张秋阳 , 硕士研究生, 主要从事机电液一体化研究。E -m ai:l 252779702 qq . co m收稿日期 : 2010-07-25名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -