程曉融+賀利樂(lè)+張平+楊明宇

摘要：針對(duì)目前普通挖掘機(jī)存在的工作裝置下放時(shí)勢(shì)能無(wú)法回收，造成能量損失以及因系統(tǒng)發(fā)熱而降低液壓系統(tǒng)的可靠性和壽命等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種勢(shì)能回收系統(tǒng)。通過(guò)ADAMS軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，獲得了動(dòng)臂在下降過(guò)程中液壓缸所受的動(dòng)態(tài)負(fù)載曲線，將其施加到能量回收系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，以研究在此過(guò)程中動(dòng)臂下降的穩(wěn)定性以及能量回收效率。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)回收效率較高，可控性好，還可有效地減少環(huán)境污染，延長(zhǎng)機(jī)械的使用壽命。

關(guān)鍵詞：液壓挖掘機(jī)；能量回收；動(dòng)態(tài)負(fù)載；仿真

中圖分類號(hào)：U415.51文獻(xiàn)標(biāo)志碼：BDesign of Booms Potential Energy Recovery System for Hydraulic

0引言

近年來(lái)，隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度在全國(guó)各地的加大，挖掘機(jī)在道路、建筑、水利及礦山等工程領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多，成為了目前應(yīng)用最廣泛的工程機(jī)械之一，但同時(shí)它也是一種耗油高、排放差、對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重的工程機(jī)械[12]。普通挖掘機(jī)20 s內(nèi)就可以完成一個(gè)工作循環(huán)，在每個(gè)循環(huán)中，動(dòng)臂、斗桿和鏟斗等都有一次下降，在此過(guò)程中產(chǎn)生的勢(shì)能除了少部分以動(dòng)能的形式繼續(xù)存在外，其余的大都以熱能的形式耗散[3]，若不對(duì)這部分勢(shì)能加以回收，將造成液壓系統(tǒng)的發(fā)熱，降低液壓系統(tǒng)的可靠性和壽命。所以對(duì)動(dòng)臂、斗桿和鏟斗等下降的勢(shì)能進(jìn)行回收，對(duì)延長(zhǎng)挖掘機(jī)的壽命、提高能量的利用率具有重要意義[4]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于液壓系統(tǒng)的勢(shì)能回收已經(jīng)有了一定的研究，也取得了相應(yīng)的成果。瑞典Innas公司將液壓變壓器應(yīng)用于挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中，回收回油的液壓能[5]；美國(guó)卡特比勒公司和新卡特比勒三菱株式會(huì)聯(lián)合提出了一種可以用于勢(shì)能回收的液壓系統(tǒng)[6]。在國(guó)內(nèi)，張彥庭采用配合油電混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的方法開(kāi)展液壓馬達(dá)能量回收[7]；吉林大學(xué)陳明東提出了以鏟斗中分別盛裝不同重量的重物來(lái)研究動(dòng)臂變負(fù)載下的能量回收效率[8]。但現(xiàn)有勢(shì)能回收問(wèn)題研究中，都沒(méi)有考慮挖掘機(jī)在實(shí)際工作中單次動(dòng)臂下降過(guò)程中液壓缸受力是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，而是分別用某幾個(gè)恒定的力來(lái)模擬動(dòng)臂液壓缸所受到的外負(fù)載，這顯然與挖掘機(jī)實(shí)際工作狀況不符；另外對(duì)于動(dòng)臂下降的穩(wěn)定性對(duì)其勢(shì)能回收的影響也缺乏分析研究。針對(duì)上述問(wèn)題，本文根據(jù)挖掘機(jī)的實(shí)際工作狀況，結(jié)合所設(shè)計(jì)的動(dòng)臂能量回收試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行基于動(dòng)態(tài)負(fù)載的液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)仿真研究。

1挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收

液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂系統(tǒng)是涵蓋了機(jī)械、電子、電氣、液壓以及測(cè)控系統(tǒng)在內(nèi)的一整套綜合系統(tǒng)。對(duì)其進(jìn)行建模并分析時(shí)需要多種軟件的配合，如SimulationX、Solidworks和ADAMS等的協(xié)作仿真。

1.1液壓挖掘機(jī)工況分析

液壓挖掘機(jī)的工作過(guò)程呈現(xiàn)循環(huán)往復(fù)的周期性特點(diǎn)，最為典型的工作循環(huán)主要由以下工況組成：挖掘工況、滿斗舉升回轉(zhuǎn)工況、卸載工況、空斗返回工況。如圖1所示，可見(jiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)液壓泵的需求轉(zhuǎn)矩呈周期、規(guī)律、突變特性，其中一個(gè)周期約為15 s。其中，0～2 s為動(dòng)臂下降階段，此時(shí)可以回收動(dòng)臂勢(shì)能，2～5 s為挖掘作業(yè)階段，5～9 s為帶載提升階段，9～12 s為帶載回轉(zhuǎn)階段，12～15 s為卸載回轉(zhuǎn)階段[9]。

1.2動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)原理

普通挖掘機(jī)工作時(shí)，在動(dòng)臂下降階段，動(dòng)臂液壓缸無(wú)桿腔中的壓力油通過(guò)多路閥后，直接流回油箱，其下降速度由多路閥回油口的開(kāi)度來(lái)控制。在此過(guò)程中，動(dòng)臂下降產(chǎn)生的勢(shì)能除了少部分轉(zhuǎn)化成動(dòng)臂的動(dòng)能外，其余大都將通過(guò)節(jié)流消耗在多路閥閥口上，以熱能的形式耗散，這種能量損失不僅降低了燃油的經(jīng)濟(jì)性，而且轉(zhuǎn)化成的熱能還會(huì)降低液壓系統(tǒng)的可靠性和壽命。

為了解決大量動(dòng)臂勢(shì)能損失問(wèn)題，本文提出一種新型動(dòng)臂節(jié)能系統(tǒng)，系統(tǒng)原理如圖2所示。

2液壓挖掘機(jī)剛性動(dòng)力學(xué)分析

在現(xiàn)有對(duì)勢(shì)能回收的研究中，存在的關(guān)鍵問(wèn)題是沒(méi)有考慮單次動(dòng)臂下降過(guò)程中液壓缸受力狀態(tài)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，而是以某幾個(gè)恒定的力來(lái)分別模擬動(dòng)臂液壓缸所受到的外負(fù)載，這顯然不符合挖掘機(jī)實(shí)際工作情況。本文運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)挖掘機(jī)動(dòng)臂下降過(guò)程進(jìn)行仿真，將得到的液壓缸所受的動(dòng)態(tài)負(fù)載曲線，施加到能量回收系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，研究在此過(guò)程中的能量回收效率。

2.1液壓挖掘機(jī)的三維建模

根據(jù)某型號(hào)液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)圖紙的要求，在Solidworks中建立各部件的三維實(shí)體模型并進(jìn)行裝配，再導(dǎo)入ADAMS，從而獲得建立其運(yùn)動(dòng)學(xué)微分方程所需要的零件質(zhì)心的位置、質(zhì)量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)。ADAMS中建立的三維模型如圖3所示。

2.2動(dòng)臂下降過(guò)程受力仿真

仿真過(guò)程采用標(biāo)準(zhǔn)的挖掘流程：挖掘—提升—旋轉(zhuǎn)—下降—放鏟—旋轉(zhuǎn)回位。本次研究對(duì)象的鏟斗容量為02 m3，以Ⅳ級(jí)土為挖掘?qū)ο?，容重?0 000 N·m-3，可算出挖掘結(jié)束后滿載鏟斗的重力是40 kN。設(shè)定動(dòng)臂首先從挖掘位置滿斗上升至最高點(diǎn)，這一過(guò)程為0～7 s，然后7～95 s為動(dòng)臂滿斗的下降過(guò)程，即動(dòng)臂、斗桿和鏟斗復(fù)合動(dòng)作從最高點(diǎn)下降至卸料起始點(diǎn)，動(dòng)臂液壓缸活塞下降032 m，耗時(shí)25 s。

針對(duì)該仿真過(guò)程，可以從后處理模塊PostProcessor中獲得動(dòng)臂液壓缸受力點(diǎn)的受力曲線，如圖4所示。由此可證明，動(dòng)臂在下降過(guò)程中由于自身重力、部件之間的連接以及液壓油所受壓力變化等因素存在剛性沖擊，受力會(huì)有波動(dòng)或者突變。

3挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收仿真與分析

3.1基于SimulationX的液壓系統(tǒng)仿真模型的建立

運(yùn)用SimulationX軟件對(duì)圖2所示的動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)，建立仿真模型如圖5所示。在模型中，外載荷由質(zhì)量模塊mass以及外加力模塊source施加，動(dòng)態(tài)負(fù)載由curve1模擬。仿真中液壓缸的目標(biāo)下降速度設(shè)定為04 m·s-1，由sensor、curve2、function2、function3、、PID五個(gè)信號(hào)模塊以及變量馬達(dá)PumpMotorVar綜合控制。信號(hào)數(shù)學(xué)曲線在SimulationX 的信號(hào)編輯窗口中可以進(jìn)行方便的導(dǎo)入或者編輯。endprint

3.2動(dòng)臂液壓缸變負(fù)載模擬

將動(dòng)臂下降過(guò)程液壓缸受力點(diǎn)的受力曲線（圖4）中7～95 s的受力情況，通過(guò)SimulationX中的信號(hào)編輯窗口導(dǎo)入到curve1模塊中，如圖6所示。此時(shí)系統(tǒng)仿真模型中的外加力模塊source則會(huì)隨著curve1模塊中力的變化而變化。

3.3仿真結(jié)果及分析

3.3.1動(dòng)臂液壓缸速度分析

圖7所示為動(dòng)臂液壓缸下降速度仿真曲線?？煽闯鰟?dòng)臂從0 s開(kāi)始下降；在下降初始階段速度有微小波動(dòng)，速度從0開(kāi)始逐漸增大到07 m·s-1左右；隨后衰減并趨近于穩(wěn)態(tài)值042 m·s-1；接近動(dòng)臂下降結(jié)束，即25s時(shí)，動(dòng)臂速度逐漸減小為0，挖掘機(jī)進(jìn)行卸料?？梢?jiàn)仿真結(jié)果所得動(dòng)臂液壓缸速度與挖掘機(jī)實(shí)際工況的速度04 m·s-1相符，速度超調(diào)量在允許范圍內(nèi)。系統(tǒng)采用動(dòng)臂下降速度對(duì)回收馬達(dá)排量進(jìn)行反饋控制，避免了動(dòng)臂在下降過(guò)程中失控所帶來(lái)剛性沖擊，同時(shí)又解決了傳統(tǒng)節(jié)流調(diào)速產(chǎn)生的能量損失問(wèn)題。

3.3.2超級(jí)電容回收能量分析

超級(jí)電容充電電壓如圖8所示。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)液壓挖掘機(jī)工況的分析，本文提出了一種液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂下降勢(shì)能回收系統(tǒng)。并通過(guò)ADAMS軟件對(duì)挖掘機(jī)實(shí)際工作過(guò)程進(jìn)行仿真，得到動(dòng)臂在單次下降過(guò)程中，液壓缸所受動(dòng)態(tài)負(fù)載曲線，將其施加到能量回收系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，以研究在此過(guò)程中的能量回收效率。通過(guò)動(dòng)臂下降速度對(duì)回收馬達(dá)排量的反饋控制，解決了動(dòng)臂下降失速所帶來(lái)剛性沖擊，避免了傳統(tǒng)節(jié)流調(diào)速產(chǎn)生的能量損失問(wèn)題。最后的仿真結(jié)果顯示，該系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，具有較高的能量回收率，這對(duì)后續(xù)進(jìn)行回收能量再利用的方案設(shè)計(jì)與研究奠定了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]郝天奇.混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能的閉式液壓回收系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2011.

[2]任小青.液壓挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展綜述[J].機(jī)床與液壓，2009，37（8）：248250.

[3]歐陽(yáng)小平.液壓變壓器研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2005.

[4]美國(guó)卡特彼勒公司.用于回收勢(shì)能的液壓系統(tǒng)：中國(guó)，101278130A[P].20081001.

[5]張彥廷，王慶豐，肖清.混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)液壓馬達(dá)能量回收的仿真及試驗(yàn)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43（8）：218223.

[6]陳明東.液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂下降勢(shì)能回收技術(shù)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2013.

[7]林瀟，管成，裴磊.混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（4）：96101.

[8]張樹(shù)忠，鄧斌，柯堅(jiān).基于液壓變壓器的挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能再生系統(tǒng)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2010，21（10）：11611166

[9]柯堅(jiān)，李培，于蘭英，等.混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)臂節(jié)能系統(tǒng)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2011，27（6）：109112.

[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]endprint

3.2動(dòng)臂液壓缸變負(fù)載模擬

將動(dòng)臂下降過(guò)程液壓缸受力點(diǎn)的受力曲線（圖4）中7～95 s的受力情況，通過(guò)SimulationX中的信號(hào)編輯窗口導(dǎo)入到curve1模塊中，如圖6所示。此時(shí)系統(tǒng)仿真模型中的外加力模塊source則會(huì)隨著curve1模塊中力的變化而變化。

3.3仿真結(jié)果及分析

3.3.1動(dòng)臂液壓缸速度分析

圖7所示為動(dòng)臂液壓缸下降速度仿真曲線?？煽闯鰟?dòng)臂從0 s開(kāi)始下降；在下降初始階段速度有微小波動(dòng)，速度從0開(kāi)始逐漸增大到07 m·s-1左右；隨后衰減并趨近于穩(wěn)態(tài)值042 m·s-1；接近動(dòng)臂下降結(jié)束，即25s時(shí)，動(dòng)臂速度逐漸減小為0，挖掘機(jī)進(jìn)行卸料?？梢?jiàn)仿真結(jié)果所得動(dòng)臂液壓缸速度與挖掘機(jī)實(shí)際工況的速度04 m·s-1相符，速度超調(diào)量在允許范圍內(nèi)。系統(tǒng)采用動(dòng)臂下降速度對(duì)回收馬達(dá)排量進(jìn)行反饋控制，避免了動(dòng)臂在下降過(guò)程中失控所帶來(lái)剛性沖擊，同時(shí)又解決了傳統(tǒng)節(jié)流調(diào)速產(chǎn)生的能量損失問(wèn)題。

3.3.2超級(jí)電容回收能量分析

超級(jí)電容充電電壓如圖8所示。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)液壓挖掘機(jī)工況的分析，本文提出了一種液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂下降勢(shì)能回收系統(tǒng)。并通過(guò)ADAMS軟件對(duì)挖掘機(jī)實(shí)際工作過(guò)程進(jìn)行仿真，得到動(dòng)臂在單次下降過(guò)程中，液壓缸所受動(dòng)態(tài)負(fù)載曲線，將其施加到能量回收系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，以研究在此過(guò)程中的能量回收效率。通過(guò)動(dòng)臂下降速度對(duì)回收馬達(dá)排量的反饋控制，解決了動(dòng)臂下降失速所帶來(lái)剛性沖擊，避免了傳統(tǒng)節(jié)流調(diào)速產(chǎn)生的能量損失問(wèn)題。最后的仿真結(jié)果顯示，該系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，具有較高的能量回收率，這對(duì)后續(xù)進(jìn)行回收能量再利用的方案設(shè)計(jì)與研究奠定了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]郝天奇.混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能的閉式液壓回收系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2011.

[2]任小青.液壓挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展綜述[J].機(jī)床與液壓，2009，37（8）：248250.

[3]歐陽(yáng)小平.液壓變壓器研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2005.

[4]美國(guó)卡特彼勒公司.用于回收勢(shì)能的液壓系統(tǒng)：中國(guó)，101278130A[P].20081001.

[5]張彥廷，王慶豐，肖清.混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)液壓馬達(dá)能量回收的仿真及試驗(yàn)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43（8）：218223.

[6]陳明東.液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂下降勢(shì)能回收技術(shù)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2013.

[7]林瀟，管成，裴磊.混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（4）：96101.

[8]張樹(shù)忠，鄧斌，柯堅(jiān).基于液壓變壓器的挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能再生系統(tǒng)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2010，21（10）：11611166

[9]柯堅(jiān)，李培，于蘭英，等.混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)臂節(jié)能系統(tǒng)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2011，27（6）：109112.

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3.2動(dòng)臂液壓缸變負(fù)載模擬

將動(dòng)臂下降過(guò)程液壓缸受力點(diǎn)的受力曲線（圖4）中7～95 s的受力情況，通過(guò)SimulationX中的信號(hào)編輯窗口導(dǎo)入到curve1模塊中，如圖6所示。此時(shí)系統(tǒng)仿真模型中的外加力模塊source則會(huì)隨著curve1模塊中力的變化而變化。

3.3仿真結(jié)果及分析

3.3.1動(dòng)臂液壓缸速度分析

圖7所示為動(dòng)臂液壓缸下降速度仿真曲線?？煽闯鰟?dòng)臂從0 s開(kāi)始下降；在下降初始階段速度有微小波動(dòng)，速度從0開(kāi)始逐漸增大到07 m·s-1左右；隨后衰減并趨近于穩(wěn)態(tài)值042 m·s-1；接近動(dòng)臂下降結(jié)束，即25s時(shí)，動(dòng)臂速度逐漸減小為0，挖掘機(jī)進(jìn)行卸料?？梢?jiàn)仿真結(jié)果所得動(dòng)臂液壓缸速度與挖掘機(jī)實(shí)際工況的速度04 m·s-1相符，速度超調(diào)量在允許范圍內(nèi)。系統(tǒng)采用動(dòng)臂下降速度對(duì)回收馬達(dá)排量進(jìn)行反饋控制，避免了動(dòng)臂在下降過(guò)程中失控所帶來(lái)剛性沖擊，同時(shí)又解決了傳統(tǒng)節(jié)流調(diào)速產(chǎn)生的能量損失問(wèn)題。

3.3.2超級(jí)電容回收能量分析

超級(jí)電容充電電壓如圖8所示。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)液壓挖掘機(jī)工況的分析，本文提出了一種液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂下降勢(shì)能回收系統(tǒng)。并通過(guò)ADAMS軟件對(duì)挖掘機(jī)實(shí)際工作過(guò)程進(jìn)行仿真，得到動(dòng)臂在單次下降過(guò)程中，液壓缸所受動(dòng)態(tài)負(fù)載曲線，將其施加到能量回收系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，以研究在此過(guò)程中的能量回收效率。通過(guò)動(dòng)臂下降速度對(duì)回收馬達(dá)排量的反饋控制，解決了動(dòng)臂下降失速所帶來(lái)剛性沖擊，避免了傳統(tǒng)節(jié)流調(diào)速產(chǎn)生的能量損失問(wèn)題。最后的仿真結(jié)果顯示，該系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，具有較高的能量回收率，這對(duì)后續(xù)進(jìn)行回收能量再利用的方案設(shè)計(jì)與研究奠定了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]郝天奇.混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能的閉式液壓回收系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2011.

[2]任小青.液壓挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展綜述[J].機(jī)床與液壓，2009，37（8）：248250.

[3]歐陽(yáng)小平.液壓變壓器研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2005.

[4]美國(guó)卡特彼勒公司.用于回收勢(shì)能的液壓系統(tǒng)：中國(guó)，101278130A[P].20081001.

[5]張彥廷，王慶豐，肖清.混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)液壓馬達(dá)能量回收的仿真及試驗(yàn)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43（8）：218223.

[6]陳明東.液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂下降勢(shì)能回收技術(shù)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2013.

[7]林瀟，管成，裴磊.混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（4）：96101.

[8]張樹(shù)忠，鄧斌，柯堅(jiān).基于液壓變壓器的挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能再生系統(tǒng)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2010，21（10）：11611166

[9]柯堅(jiān)，李培，于蘭英，等.混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)臂節(jié)能系統(tǒng)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2011，27（6）：109112.

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