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分析并聯(lián)式混合動力液壓挖掘機能量回收與動力匹配技術(shù)

2020-11-20 04:21董永平
裝備維修技術(shù) 2020年5期

董永平

摘要:目前液壓挖掘機已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工程和礦產(chǎn)領(lǐng)域,其作為施工現(xiàn)場的主要設(shè)備,性能直接影響機械工程的效率和成本。本文主要研究液壓挖掘機工作過程中動臂下降和整車回轉(zhuǎn)的能量回收問題,希望能夠降低液壓挖掘機的使用功率,科學(xué)高效的節(jié)省能量消耗。

關(guān)鍵詞:液壓挖掘機;能量回收;動力匹配;動臂

前言:近年來,混合動力技術(shù)的迅速發(fā)展令傳統(tǒng)液壓挖掘機朝著新的方向開始發(fā)展,目前在液壓挖掘機的系統(tǒng)機構(gòu)以及控制策略等方面都取得了較大的進步,能夠顯著降低液壓挖掘機的能耗,提高作業(yè)效率。

一、液壓挖掘機可回收能量分析

(一)動臂能量回收技術(shù)的工作原理

并聯(lián)式混合動力液壓挖掘機主要采用發(fā)動機以及發(fā)電機并聯(lián)的方式進行驅(qū)動液壓泵,其中發(fā)動機的動能直接傳輸給液壓泵和馬達。而液壓挖掘機工作裝置主要由三部分構(gòu)成,即動臂、斗桿以及鏟斗,由于其具有頻繁往返運動以及慣性較大等特點,經(jīng)常導(dǎo)致液壓挖掘機在下放的過程中,勢能與動能完全轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑫r液壓系統(tǒng)迅速升溫,令系統(tǒng)內(nèi)密封元件受損,影響其使用壽命,導(dǎo)致液壓系統(tǒng)發(fā)生頻繁故障,降低系統(tǒng)工作效率。如果對液壓系統(tǒng)采取冷卻處理,則會導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部能耗增加,因此在液壓機下降工作時,如果在其前端安置能量回收裝置,能夠有效地降低整個系統(tǒng)的溫度,避免設(shè)備發(fā)生故障,同時還可以回收利用系統(tǒng)產(chǎn)生的能量,降低內(nèi)燃機的輸出功率,減少液壓系統(tǒng)的能源消耗。動臂系統(tǒng)的主要工作原理,首先是令其動臂下降,進行挖掘工作,在鏟斗負載之后提升動臂,然后鏟斗卸載負荷,動臂下降,最后動臂回復(fù)原位,對于液壓挖掘機而言,主要以控制動臂達到控制系統(tǒng)的目的,利用傳感器監(jiān)測動臂實際位移與理論位移之間的差值,將兩者之間的差值作為控制路閥的開口,令實際位移與理論位移保持一致,因此動臂能夠回收較多能量,回收價值較高,約占全部能量的二分之一。另外,混合動力液壓挖掘機安裝了能夠進行能量回收的再生動臂,與傳統(tǒng)的動臂系統(tǒng)相比較,能量回收更高效。由于動臂系統(tǒng)工作中會產(chǎn)生能量浪費,因此必須加強提高挖掘機的效率,將動臂下降工作過程中產(chǎn)生的勢能,進行回收再次利用[2]。例如,當(dāng)挖掘機中液壓缸的運行方向與其承載的重力方向一致時,油液將從高壓腔傳送至低壓腔,令主泵輸出流量幾乎為零,同時,由于負載較低,導(dǎo)致出口的高壓油液其液壓被浪費,因此液壓挖掘機能將能量回收后再利用。目前動臂系統(tǒng)再生功能已經(jīng)是我國混合動力挖掘機中應(yīng)用最廣泛的。

(二)回轉(zhuǎn)制動能量回收技術(shù)的應(yīng)用研究

由于液壓挖掘機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作效率低、工作時間較長等缺陷,因此為了提高回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的效率,必須縮短制動間距,液壓挖掘機其設(shè)備安裝中存在補油的單向閥門,因此無需動臂進行能量再生,其自身就可以回收油液。同時回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的蓄能器具有能量大、密度高、能量回收轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)少、效率高等特點,因此其較適合回收回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的能量,其與動臂回收系統(tǒng)的原理類似,但最主要的區(qū)別在于儲存能量的元件不同,混合動能通常采取超級電容作為儲能元件,而普通的油液混合則使用蓄電器作為儲能元件,利用馬達作為系統(tǒng)內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換元件,因此有效的避免了機械能向電能的轉(zhuǎn)換,提高了挖掘機的效率,減少了能量的損失,而回轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作時,其蓄電池和液壓泵驅(qū)使馬達運行,通過變速箱帶動系統(tǒng)內(nèi)部的轉(zhuǎn)臺,使其正常轉(zhuǎn)動,同時角位移傳器檢測工作裝置的回轉(zhuǎn)位移,通過控制器運算出的數(shù)據(jù),控制蓄電器以及馬達輸出的能力,確保能量數(shù)值一致,避免造成能量浪費。除此之外,液壓馬達在不同的載荷方式下,其回收能量的能力不同,但是在同一個模式下,制造的能量基本是一個固定值,例如,回轉(zhuǎn)制動時,系統(tǒng)內(nèi)部所有能量沖擊馬達,使馬達轉(zhuǎn)動,而當(dāng)液壓馬達與液壓泵相連時,在忽略效率的背景下進行計算,可以看出兩者之間的速度和扭矩是一致的,因此可以通過調(diào)節(jié)馬達的排量改變液壓泵輸出的壓力,在壓力不超過安全閥設(shè)定的壓力時,馬達排量越小,其輸出的壓力越大,從而有助于蓄能器回收系統(tǒng)內(nèi)部的能量。

二、液壓挖掘機動力匹配技術(shù)

(一)單泵恒功率控制技術(shù)的應(yīng)用研究

液壓挖掘機動力匹配技術(shù)本質(zhì)上屬于機電一體化,能連接液壓系統(tǒng)、PLC以及發(fā)動機,同時將三者組成一個完整的系統(tǒng),有助于機械作業(yè)環(huán)節(jié)中系統(tǒng)安全穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。當(dāng)前工程施工中,大型機械設(shè)備往往單日作業(yè)時間長,因此這種動力匹配技術(shù),能最大限度的減少技術(shù)人員的工作量,提高其工作效率,同時避免人為失誤的可能,基于上述優(yōu)勢,目前動力匹配技術(shù)在液壓挖掘機設(shè)備中廣泛應(yīng)用。其工作原理主要是通過單泵恒功率控制技術(shù),即通過變量系統(tǒng)中的PLC系統(tǒng),控制變量泵的排量,當(dāng)挖掘機進行挖掘作業(yè)時,改變系統(tǒng)內(nèi)部彈簧的彈力進而調(diào)節(jié)變量的數(shù)值,這種方式能夠有效的控制變量泵輸出的流量,產(chǎn)生不同的流量,一旦系統(tǒng)中的壓力數(shù)值達到彈簧壓力設(shè)定值時,變量泵數(shù)值相應(yīng)的進行調(diào)整,開始變小,當(dāng)系統(tǒng)的壓力值與第二根彈簧的壓力值相同時,排量變化的函數(shù)圖像呈現(xiàn)曲線的變化趨勢,由此可以觀察出,當(dāng)曲線值最大時,常數(shù)與系統(tǒng)內(nèi)部的離散值保持一致,不僅有效的避免了液壓挖掘機超載導(dǎo)致的熄火問題,同時能夠提高發(fā)動機的功率,有效的減少能量的損失,有利于能量的回收再利用。

(二)定量泵控制技術(shù)的應(yīng)用研究

在傳統(tǒng)的液壓挖掘機設(shè)計中,尤其是小型挖掘機,通常采用定量泵的設(shè)計方式,定量泵主要的工作原理是通過推拉膜片,進行控制定量泵中液體的排出,如如果向后拉膜片時,出口閥就會下降,則其與球座之間可以連接的更加緊密,而當(dāng)隔膜被拉回時,隔膜與泵頭之間處于真空狀態(tài),進口球閥上升,液體則被吸走,如果向前推動膜片時,由于入口閥門與球座之間密封良好,液體無法通過,而當(dāng)向前推出口隔膜時,液體則會被排出。而對于大型挖掘機在液壓系統(tǒng)中安裝定量泵,容易導(dǎo)致系統(tǒng)中的機械泵性能受損,降低挖掘機的功率,導(dǎo)致整個挖掘機的性能受損,因此定量泵控制技術(shù)不適用于大型的液壓挖掘機。液壓挖掘機動力匹配技術(shù)應(yīng)用愈加廣泛,但是該技術(shù)當(dāng)前仍舊存在較多的技術(shù)問題,即當(dāng)前機械一體化技術(shù)在液壓技術(shù)、發(fā)動機的配置、控制系統(tǒng)等技術(shù)應(yīng)用上發(fā)展不夠成熟,需要企業(yè)加強資金投入,促進技術(shù)人員不斷進行科技創(chuàng)新,還有液壓挖掘機動力匹配技術(shù)在實際應(yīng)用中缺乏條件,因此工程領(lǐng)域的技術(shù)人員,應(yīng)主動借助國內(nèi)外先進的技術(shù),攻克液壓挖掘機的技術(shù)難題,液壓挖掘機的能量回收及其動力匹配控制技術(shù),是我國當(dāng)前工程領(lǐng)域的核心技術(shù),能提高機械設(shè)備的工作效率。

結(jié)束語:總而言之,由于工程機械設(shè)備中往往采用內(nèi)燃機將熱能轉(zhuǎn)化成動能的能量輸送方式,容易導(dǎo)致其對自然環(huán)境污染較重,因此節(jié)能減排技術(shù)的研究和應(yīng)用勢在必行,本文研究并聯(lián)式混合動力液壓挖掘機的工作原理以及其能量回收特點,希望對液壓挖掘機的研究人員具有一定的借鑒意義。

參考文獻:

[1]龐琳娜.液壓挖掘機的節(jié)能技術(shù)分析[J].內(nèi)燃機與配件,2020(05):215-216.

[2]閆磊,聶陽文,胡星.基于液壓挖掘機動臂勢能回收的動臂降速控制仿真研究[J].工程機械,2020,51(03):29-33+6-7.

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