（机械电子工程专业论文）液压挖掘机动臂势能回收系统方案设计研究.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：。数虫建。 日期：丝f f 年上月卫日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：盈堕蕴导师签名丝! 之答侣期：剑年上月上e t 7 ， 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 能量回收是液压挖掘机节能降耗的一项有效措施。本文在对现有 能量回收方式进行分析的基础上，提出一种液压挖掘机动臂势能回收 系统，进行了系统方案设计和参数匹配方法的研究，并在a m e s i m 环境下建立系统的仿真模型，对系统进行了仿真研究。本文的主要研 究工作如下： 1 、动臂势能回收系统总体方案设计。对现有的能量回收方式进 行了分析，提出了一种基于蓄能器一液压马达一发电机的液压挖掘机 动臂势能回收系统。对系统方案进行了设计，分析了系统的工作原理。 即先通过蓄能器把液压缸回缩过程中的势能储存，再将蓄能器中的储 能通过液压马达驱动发电机发电，实现液压挖掘机动臂势能的回收。 设计了能量回收系统的控制方法，并且拟定了液压系统原理图。 2 、能量回收液压系统参数匹配方法研究。在a m e s i m 平台建立 了挖掘机的液压系统和工作装置的仿真模型，对挖掘机工作装置进行 了机电液综合仿真。仿真结果表明该模型能够有效的模拟液压挖掘机 的工作循环过程。根据仿真获得的液压挖掘机的工况，结合系统中各 个部件的特性，确定了能量回收系统参数匹配的目标，建立了蓄能器、 液压马达和比例控制阀的参数匹配方法，选择了具体参数和型号。参 数匹配满足了系统工况的需求，实现了能量回收系统与外负载的匹 配，提高了系统的效率。 3 、能量回收系统的仿真研究。建立了能量回收系统的仿真模型， 对能量回收系统进行了仿真研究，分析了蓄能器初始容积，蓄能器充 气压力，比例控制阀流量，以及液压马达排量等参数对能量回收系统 的影响。提出通过对液压马达转速进行p i d 控制，使马达输出转速能 够恒定在发电机高效区内，从而提高整个系统能量回收的效率。根据 仿真研究结果，分析了产生能量损失的各种因素。 4 、进行了蓄能器能量存储过程的实验研究，分析液压缸活塞杆 在不同负载作用下，将液压油充入蓄能器进行存储的过程。将实验数 据与仿真结果比较，验证了仿真建模方法的准确性和可靠性。 关键词：挖掘机，动臂势能，能量回收，a m e s i m ，建模，仿真 中南人学硕士学位论文 摘要 i i 中南人学硕i ：学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t e n e r g yr e c o v e r yi sa ne f f e c t i v em e t h o d t os a v ee n e r g yf o rh y d r a u l i c e x c a v a t o r b a s e do nt h ea n a l y s i so fc u r r e n te n e r g yr e c o v e r y , as y s t e mo f t h eb o o mp o t e n t i a lr e c o v e r yh a sb e e np r o p o s e di nt h i sp a p e r t h es y s t e m s c h e m eh a sb e e nd e s i g n e d ，a n dt h ep a r a m e t e rm a t c h i n gm e t h o dh a sb e e n s t u d i e d as i m u l a t i o nm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e du s i n ga m e s i m s o f t w a r e as i m u l a t i o nr e s e a r c ha b o u tt h es y s t e mo ft h eb o o mp o t e n t i a l r e c o v e r y h a sb e e nc a r r i e do u t t h em a i nw o r ko ft h i s p a p e r i s s u m m a r i z e di nt h ef o l l o w i n g ： 1 as y s t e mo ft h eh y d r a u l i ce x c a v a t o rb o o mp o t e n t i a lr e c o v e r yi s p r o p o s e d t h es y s t e ms c h e m e i sd e s i g n e d ，a n dt h es y s t e mw o r k i n g p r i n c i p l ei sa n a l y z e d t h ea c c u m u l a t o ro ft h es y s t e ms t o r e sp o t e n t i a l e n e r g yf r o mc o n s t r u c t i o no fb o o mh y d r a u l i cc y l i n d e rt h r o u g he n e r g y r e c o v e r y t h e nt h eg e n e r a t o rg e n e r a t e se l e c t r i c i t yb yd r i v i n gt h eh y d r a u l i c m o t o ru s i n gt h ee n e r g ys a v e di nt h ea c c u m u l a t o r h y d r a u l i ce x c a v a t o r b o o mp o t e n t i a lr e c o v e r yi sa c c o m p l i s h e d t h es y s t e mc o n t r o lm e t h o di s d e s i g n e da n d t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo ft h eh y d r a u l i cs y s t e mi ss k e t c h e d 2 t h em a t c ho fp a r a m e t e ri nt h eh y d r a u l i cs y s t e mo fe n e r g y r e c o v e r yh a sb e e na n a l y z e da n dd i s c u s s e d i nt h i st e x t ah y d r a u l i c e x c a v a t o rw o r k i n gs i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e da n ds i m u l a t e du n d e r a m e s i mb yu s i n gt h eh y d r a u l i cc o m p o n e n tl i b r a r ya n dt h ep l a n a r m e c h a n i s ml i b r a r y t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h em o d e ls i m u l a t e d h y d r a u l i ce x c a v a t o rc y c l i n gp r o c e s se f f i c i e n t l ya n dp r o v i d e ss t a n d a r df o r t h es y s t e mo fb o o mp o t e n t i a lr e c o v e r y a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nt o o b t a i nt h ew o r k i n gc o n d i t i o n so fh y d r a u l i ce x c a v a t o r s ，c o m b i n e dw i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u sp a r t so ft h es y s t e m ，t h ee n e r g yr e c o v e r ys y s t e m p a r a m e t e r sm a t c hg o a li sd e t e r m i n e d t h ep a r a m e t e rm a t c h i n gm e t h o d s o ft h ea c c u m u l a t o r , t h eh y d r a u l i cm o t o ra n dp r o p o r t i o n a lc o n t r o lv a l v e h a v eb e e ne s t a b l i s h e da n dt h es p e c i f i cp a r a m e t e r sa n dm o d e lh a v eb e e n s e l e c t e d p a r a m e t e rm a t c h i n gm e e t st h en e e d so ft h es y s t e mc o n d i t i o n ， a c h i e v et h em a t c ho fe n e r g yr e c o v e r ys y s t e ma n dt h ee x t e r n a ll o a d ，a n d i m p r o v e t h ee f f i c i e n c yo ft h es y s t e m 3 a c c o r d i n gt o t h ee n e r g ys i m u l a t i o nm o d e la n dt h ep r e s s u r eo f i i i 中南人学硕士学位论文 a b s t r a c t b o o mh y d r a u l i cc y l i n d e rb ys i m u l a t i o nr e s e a r c ho fe x c a v a t o r , t h ee n e r g y r e c o v e r ys y s t e m i ss i m u l a t e d t h ee f f e c to fa c c u m u l a t o rv o l u m e ， a c c u m u l a t o ri n f l a t i o np r e s s u r e ，t h ef l o wr a t eo fp r o p o r t i o n a lc o n t r o lv a l v e ， a n dt h ed i s p l a c e m e n to fh y d r a u l i cm o t o r a r ea n a l y z e d am e t h o do f u s i n g p i dc o n t r o l l e rt oc o n t r o lt h ed i s p l a c e m e n to fh y d r a u l i cm o t o ri sp r o p o s e d b yp i dc o n t r o l l i n g ，t h eo u t p u ts p e e do ft h em o t o ri s c o n s i s t e n ti nh i g h e f f i c i e n c yd o m a i no ft h eg e n e r a t o r , s ot h ee n t i r ee f f i c i e n c yo fs y s t e m e n e r g yr e c y c l e i s i m p r o v e d a c c o r d i n gt o t h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，a l l c a u s a t i o n s o fe n e r g yw a s t i n ga r ea n a l y z e d 4 t h ep r o c e s so fa c c u m u l a t o re n e r g yr e c o v e r yi st e s t ，i no r d e rt o r e v i e wt h ep r o c e s so fh y d r a u l i cc y l i n d e rp i s t o nr o dp r e s s i n gh y d r a u l i c f l u i di n t ot h ea c c u m u l a t o ru n d e rd i f f e r e n tp r e s s u r e t h ee x p e r i m e n t a ld a t a a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e d ，a n dt h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t y o ft h em e t h o do fb u i l d i n gs i m u l a t i o nm o d e li sv e r i f i e d k e yw o r d s ：h y d r a u l i ce x c a v a t o r , b o o mp o t e n t i a l ，e n e r g yr e c o v e r y ， a m e s i m ，m o d e lb u i l d i n g ，s i m u l a t i o n i v 中南大学硕 学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i jj i 乏i 第一章绪论1 1 1 课题研究意义1 1 2 液压挖掘机节能研究现状1 1 2 1 基于提高液压元件性能的节能研究2 1 2 2 基于改进系统结构和控制策略的节能研究3 1 2 3 基于能量回收的节能研究6 1 3 本课题的提出及研究内容10 1 3 1 本课题的提出1 0 1 3 2 本文主要研究内容l0 1 4 本章小结11 第二章动臂势能回收系统方案设计1 2 2 1 液压挖掘机工作循环过程分析12 2 2 能量回收方式分析13 2 2 1 无储能元件型能量回收1 3 2 2 2 有储能元件型能量回收1 3 2 3 能量回收系统设计1 5 2 3 1 系统方案设计l5 2 3 2 工作原理分析1 6 2 4 能量回收系统控制方法1 7 2 5 拟定液压系统原理图1 8 2 6 本章小结1 9 第三章能量回收液压系统参数匹配方法研究2 0 3 1 日立e x 2 0 0 5 型挖掘机主要技术参数2 0 3 2 结构运动参数的设定和计算2 1 3 2 1 参数设定和坐标设定2 1 3 2 2 不同坐标系之间的坐标转换2 2 3 3 挖掘机工作装置负载仿真研究2 3 3 3 1 仿真平台的选择2 3 3 3 2 挖掘机工作装置仿真模型的建立2 4 3 3 3 系统控制及仿真结果分析2 7 3 4 液压系统主要元件的参数匹配2 9 3 4 1 液压系统的工况分析2 9 3 4 2 蓄能器的参数匹配3 0 3 4 3 液压马达的参数匹配3 4 3 4 4 比例控制阀的参数匹配3 6 3 4 本章小结3 7 第四章能量回收液压系统仿真研究3 8 4 1 基于a m e s i m 的能量回收系统仿真模型的建立3 8 中南大学硕士学位论文 目录 4 1 1 仿真模型的创建3 8 4 1 2 仿真模型参数设置3 9 4 1 3 液压缸模拟负载力设置4 0 4 1 4 仿真结果分析4 0 4 2 蓄能器参数选取对能量回收系统的影响4 1 4 2 1 蓄能器初始容积对系统的影响4 l 4 。2 2 蓄能器充气压力对系统的影响4 2 4 3 比例控制阀对能量回收系统的影响4 4 4 4 液压马达排量对能量回收系统的影响4 6 4 5 马达输出转速的p i d 控制研究4 8 4 6 能量损失分析5 2 4 7 本章小结5 3 第五章蓄能器能量存储过程实验5 5 5 1 实验目的5 5 5 2 实验平台的建立5 5 5 3 数据采集系统的实现5 8 5 4 实验结果分析5 9 5 5 本章小结6 2 第六章总结与展望6 3 6 1 全文总结6 3 6 2 工作展望6 4 参考文献6 5 致谢7 0 攻读硕士学位期间主要研究成果7 l 中南大学硕十学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究意义 当前，液压挖掘机作为最为典型的机械设备，其用途极为广泛，在建筑、水 利、矿山、公路、铁路等基础建设中发挥着极其关键的作用【i 】。由于技术的不断 进步，近十年来国内的液压挖掘机数量几乎平均以每年3 0 的速度在增长【2 1 。由 于液压挖掘机数量的不断增加，大量挖掘机所消耗的能源以及排放的污染物等对 能源和环境造成了巨大的影响。因此，对液压挖掘机的节能性的要求成为人们不 断追求的目标【3 】。通过神钢建机公司进行的大量测试，结果表明( 如图1 1 所示) ： 在传统挖掘机中，仅有2 0 的发动机输出功率转变为有效功【4 1 。随着能源缺乏和 环境压力的同益增大，节能性成为评价液压挖掘机先进与否的关键标准之一。因 此，液压挖掘机的节能性引起人们越来越多的关注，逐渐变成挖掘机被用户所接 受的关键条件，也成为液压挖掘机企业生存与进步的先决条件。 r ：j 。：。i ：二+ 1 崾h y d 咖r a u l i c p ，u ，m p h h 撤y d r a 咖u l i 删cs y s t e m h 裟葛韶e 簪 a v a i l a b l e p o w e r 1 0 0 图卜1 功率流图 统计数据表明，由于液压回路引起的故障约占挖掘机使用中故障的4 0 左 右，而发动机引起的故障约占1 5 左右【5 】。当采用节能措施以后，可增加发动机 功率的利用效率，降低液压回路的功率损失，并且使动力源和负载所需功率更好 地进行匹配，从而降低发动机与液压元件的负荷强度，大大增加了挖掘机在运行 中的可靠性和稳定性1 6 j 。采用节能措施，将有助于减少元件发热，提高设备的可 靠性和使用寿命，降低挖掘机的装机功率，从而在某种程度上降低了设备的生产 和使用成本。另外，挖掘机在运行过程中，燃油成本约占机器寿命范围内使用成 本的2 5 矧丌。因此，在采用节能措施后，可以在取得有效地提高燃油利用率，降 低运行中的燃油成本的同时，也为环境保护做出一份贡献。 1 2 液压挖掘机节能研究现状 目前，液压挖掘机节能涉及的范围比较广泛，基本包括以下几个方面：提高 中南人学硕l 学位论文 第一章绪论 液压元件性能，改进系统结构和控制策略和能量回收再利用。 1 2 1 基于提高液压元件性能的节能研究 近几年来，液压挖掘机生产企业得到了快速进步，同时液压挖掘机性能也在 不断提高。液压回路为现代液压挖掘机的执行装置提供动力，而液压回路的液压 能则是由发动机提供的，再通过转换装置输出机械能。测试结果显示，能量通过 一系列转换和传递环节损失了大约3 0 ，从而降低了挖掘机的整体效率。因此， 对液压挖掘机的液压元件开展节能技术的研究是十分有意义的【引。在提高液压元 件性能方面，企业和专家学者们做了大量研究，也取得了很多成果。 荷兰学者a c h t e n ，e a j 等人开发了一种新型“浮杯”结构。在液压马达和液 压泵等元件上应用这种“浮杯结构具有工作效率高，结构轻便小巧，摩擦阻力 小，噪声及压力脉动小，启动转矩高，输出扭矩波动小，成本低等一系列显著优 剧9 , 1 0 。德国亚深工业大学的i f a s 等学者对采用“浮杯 结构的液压元件的测 试结果表明：采用“浮杯”结构的液压元件的工作效率非常高，最高能够达到 9 7 左右【】。如今，“浮杯”结构的应用非常普遍，能够大大提高液压元件的工 作效率。采用“浮杯 结构的液压泵物理样机如图1 2 所示。 图卜2 “浮杯”结构液压泵物理样机 1 9 9 6 年，i n n a s 制造出一台新型液压变压器( i h t ) 。相比传统液压变压器， i h t 非常巧妙地将液压泵和液压马达集为一体，构成独立的压力调节单元，通过 对配流盘角度的调节，能够对油源和负载之间的流量比进行控制，从而对输出压 力的大小进行调节。i h t 是按照恒功率曲线进行液压变压的，从理论上讲，除了 摩擦损失和泄漏损失外，没有任何的损失，即i h t 的输入功率与输出功率相同。 而在传统的阀控液压回路中，节流阀两端压力差造成节流损失，损失的功率为。 这正是i h t 与传统阀控液压回路的根本不同之处。图1 3 是i h t 与节流阀控制 2 中南人学硕i j 学位论文第一章绪论 压力变化曲线对比。i n n a s 的试验数据表明：在一定的配流盘旋转角度和供给压 力下，i h t 的效率最高能够达到8 9 ，远远高于传统阀控回路的效率 1 2 , 1 3 】。 i 。v 一 q t 曩q b - q a 图1 - 3i h t 与节流阀控制压力变化曲线对比示意图 目前，除了国际上的专业液压元件生产厂家，部分有实力的挖掘机生产厂家 也开始自主研究专用的液压元件，这对改善挖掘机的性能和节能起到了非常大的 推动作用【14 1 。 1 2 2 基于改进系统结构和控制策略的节能研究 液压系统的效率不仅受到液压元件性能的影响，还和系统结构和控制策略有 很大关系。为提高工作效率，对改善液压元件性能的研究已经开展了很多，并且 已经取得了非常显著的成果。但是，即使所有液压元件的性能都非常优异也并不 能确保使整体性能达到最优，因此将改进和优化系统结构和控制策略就显得特别 关键i l5 1 。常用的液压系统节能方式可分为流量匹配回路节能和功率匹配回路节 能两种方式【l 引。 1 、流量匹配回路节能研究 液压挖掘机多应用六通多路阀系统，因此系统存在空流损失和旁路节流损失 是无法避免地，并且挖掘机的操纵受到负载的干扰很大。为克服这些缺点，提出 了负流量控制系统和正流量控制系统，如图1 - 4 所示。 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 t a ) 4 ( a ) 负流量控制系统( b ) 正流量控制系统 卜六通多路阀2 一旁通油路3 一流量检测元件4 一操纵手柄 图i - 4 负流量控制系统与正流量控制系统 为了降低空流损失和旁路节流损失，负流量控制将旁路回油流量调节在较小 的值1 1 7 】。然而在负流量控制中，负载较大时，会显著减小多路阀阀芯的调速区， 从而引起液压挖掘机的动作粗暴。当多路阀旁路回油口完全关闭以后，负流量控 制作用将消失，流量调节也不再起作用。这些降低了液压挖掘机的操纵性能。 在正流量控制系统中，具有典型的容积调速特征，操纵手柄不但可以控制多 路阀的阀芯位移，也控制着液压泵的排量。这种系统无空流损失l l 引，因为当手 柄没有操作时液压泵的排量为零。该系统也会产生旁路节流损失，并且损失会随 着负载压力的升高而增加。这种系统也有旁路节流调速的特征，因此负载也会对 其控制特性产生较大影响。 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室的冯培恩等人通过组合优化现有 挖掘机正、负流量控制，提出一种新型的正、负流量组合控制方法。试验测试结 果显示：相比原方案，新型的正、负流量组合控制方案的节能性显著提高了，而 且仅需改造现有液压回路即能实现【1 9 1 ，成本很低。 2 、功率匹配节能研究 功率匹配研究的是调节能量传递过程中的各个环节，从而达到功率需求与供 给相匹配的目的。制约液压挖掘机燃油利用率的一项重要因素就是功率匹配1 2 。 近年来，学者们在改善功率匹配方面做了大量的工作，也提出多种功率匹配回路， 促进了挖掘机节能技术的发展，得到了液压挖掘机制造厂家和使用者的认可。 ( 1 ) 多泵多回路系统 上世纪6 0 年代以来，由于液压技术的迅猛发展，恒功率变量泵已经逐步取 代定量泵供油，因为恒功率变量泵能够根据不同工况而提供适当的动力。采用恒 功率变量泵的目的是充分利用发动机功率，从而提高了整体效率，达到了节能降 4 中南人学硕上学位论文第一章绪论 耗的目的 2 1 , 2 2 】。 双泵双回路能够在一定程度上降低由于负载不平衡而造成的压力补偿损失， 有助于达到液压回路节能的目的，但因为仍是由单泵驱动多个执行元件，因此无 法彻底避免压力补偿损失。尤其是由同一台液压泵驱动的各执行元件的负载差异 较大时，造成压力补偿损失也会比较大。在多泵多回路中，每个执行元件均由各 自的液压泵单独供油，因此能够减小甚至避免负载差异引起的压力补偿损失，并 且可以降低执行元件之间的干扰。 ( 2 ) 负荷传感控制系统 负荷传感控制能够根据负载的需求，调整泵的输出流量和压力，从而显著提 高液压回路的效率。早在1 9 6 0 年代，在挖掘机这样的机械设备上应用负荷传感 控制技术已被提出，但直到1 9 8 8 年在欧洲液压挖掘机才真正实现了负荷传感控 制。9 0 年代后，日本企业也开始开发负荷传感控制技术，并开发了一系列挖掘 机产品，如日立建机的e x 2 0 0 2 和小松公司的p c 2 0 0 6 等。按不同的方面负荷 传感控制有很多分类方法，如按主控制阀中位机能的类型，可分为闭心式负荷传 感控制( c l s s ) 和开心式负荷传感控制( o l s s ) ，不同的中位机能( 开式、闭 式) 代表不同类型的负荷传感控制【2 3 1 。液压挖掘机采用负荷传感控制的优点主 要有：节能效果显著；流量控制精度高，不受负荷压力的影响；各个执行元件可 以同步运动或以某种速比运动，相互之间不干扰。 ( 3 ) 恒功率系统 在挖掘机的使用中，操作者只能依靠丰富的实际经验来对当前工况作出判 断，来实现挖掘任务。在保持发动机高效工作的同时，又要对发动机的输出功率 充分地使用，那么则需要对液压泵进行恒功率控制。为提高液压挖掘机的控制性 能，现代液压挖掘机大多应用双泵双回路。在这类液压挖掘机的系统中恒功率控 制最容易实现【2 4 1 。 在恒功率控制中发动机的输出功率能够被液压泵充分利用，并能确保发动机 工作于最大功率点。因发动机位于其工作高效区，所以效率很高【2 5 】。但是由于 泵吸收的发动机输出功率并没有充分考虑负载的需要，所以会产生总功率的损 失。显然，恒功率控制没有考虑液压泵和执行元件之间的功率匹配问题，只是确 保了发动机和液压泵之间的达到功率的匹配【2 6 1 。 ( 4 ) 全局功率匹配系统 由于恒功率控制系统的种种不足，许多学者和挖掘机企业开始研究对发动 机、液压泵和执行元件进行全局功率匹配控制。 浙江大学杨华勇等学者将发动机一液压泵一负载这一动力传递链分成发动 机一液压泵和液压泵一负载两个环节【2 7 1 ，分别对两个环节实现局部功率匹配的 中南人学硕上学位论文第一章绪论 方法进行了研究，然后从系统和全局的角度分析了两个环节之间的功率匹配与协 调问题，提出了液压挖掘机全局功率匹配与协调控制的方法，给出了实现方案。 进行的研究对于开发新型液压挖掘机节能控制系统，提高工作效率，具有较大的 现实意义。 1 2 3 基于能量回收的节能研究 前文分析的节能技术仅仅能够降低液压回路的能量损失，而在液压挖掘机发 动机的输出功率一般是高于系统最大需求功率的，也就是有供过于求的情况发 生。如果能够回收挖掘机工作中的多余功率，负载下降的势能，以及制动时的动 能和惯性能损失等，不仅可以使液压系统的效率明显提高，又能够回收损失的能 量进行再利用。能量回收系统能够回收大质量负载的动能和势能，并能够储存在 蓄能器中或直接再利用，从而使传统的液压控制阀产生的节流损失得以避免【2 引。 1 、基于蓄能器的能量回收 最简单的能量回收再利用方法是采用蓄能器来储存和释放所回收到的能量。 美国卡特彼勒公司的专利( w 0 2 0 0 7 0 4 0 8 3 6 ) 提出了一种“势能回收再利用液压 系统” 2 9 1 ，其原理如图1 5 所示。该专利技术采用高压和低压两个蓄能器来完成 能量的回收再利用，在液压挖掘机领域有十分广阔的发展前景。 图i - 5 卡特比勒势能回收再利用液压系统原理图 6 图1 6c a th 3 3 0 b 挖掘机能量回收回路 另外一种能量回收再利用方法是用所回收的能量驱动液压系统中其它负载 工作。液压泵在回收下放重物或刹车时工作在马达模式，回收势能或制动能，并 转化为转矩驱动其它负载工作。美国s 、侧( s o u t h w e s tr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 研究 院的w e n d e l 为卡特彼勒公司的挖掘机c a th 3 3 0 b 开发了蓄能器式能量回收液压 系统，如图1 - 6 所示。因系统无节流损失并且能够回收重物下降时的势能或制动 能，试验结果表明：在标准负载的情况下最高能够降低4 6 的能量消耗。该方案 能够提高系统的总效率，并且降低发动机的装机功率 3 0 , 3 1 】。 2 、混合动力系统 目前，混合动力挖掘机已经经历了理论研究、系统仿真和台架试验等探索阶 段，接近或已经达到了试验样机的开发阶段。2 0 0 4 月，小松研制出世界上第一 台混合动力液压挖掘机的试验机型。日本神户建机、新能源与工业技术开发组织 ( n e d o ) 及神户制钢合作开发了一台命名为a c e r ag e o s p e c 的6 t 级混合动力 液压挖掘机，它采用了串联混合动力驱动【3 2 1 。 文献 3 3 】中提出了一种采用并联混合动力驱动的液压挖掘机方案，如图1 7 所示。其工作原理为：发动机输出的能量主要是用于驱动外载，多余的部分用于 发电机发电，不足的部分则由电动机补充，故相比串联式，发电机的装机功率可 以相对小一些，因此在配备相同发动机的情况下能够获得更大的输出功率，并且 驱动效率较高，油耗低，但是系统的布局则相对复杂，同时对与控制系统的要求 也较高。 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 传怒器 图1 - 7 并联式混合动力挖掘机系统 在该系统中利用电动机直接驱动转台，从而节省了原本应该消耗在液压马达 和液压控制阀上的能量；在动臂液压缸下降时，其重力势能先转化为液压能，通 过液压马达驱动发电机发电，并经过变频器逆变后储存在蓄电池中，给其他电动 机提供电力。这样能够在一定程度上节省能量，从而降低发动机的油耗。 图1 - 8 机械能合流系统的能量流图 浙江大学张彦廷等学者开展了混合动力液压挖掘机节能技术的研究，搭建了 液压挖掘机的模型，研究了发动机输出功率和能量损耗分配。从装机功率、燃油 消耗和系统实现这三方面，对比分析了液压挖掘机的串联和并联混合动力驱动， 仿真计算装机功率和油耗等指标，还对控制策略进行了研究和实验测试。最终选 择了并联混合动力+ 电驱回转+ 进出口独立调节的机械能合流能量回收方案，如 图1 8 所示，作为混合动力液压挖掘机节能系统的设计方案，。仿真研究显示： 8 中南人学硕j ：学位论文第一章绪论 采用此种节能方案以后，发动机的油耗降低为原系统的3 1 9 ，节能效果十分明 显f 3 4 1 。 3 、二次调节系统 在液压回路中，将机械能转换成液压能的液压元件称为一次元件，比如液压 泵，将液压能转换成机械能的液压元件称为二次元件，比如液压马达等【3 5 】。二 次调节系统的组成及工作原理如图1 - 9 所示。该系统的工作原理是通过改变二次 元件斜盘倾角来调节二次元件的排量，使其能够适应负载的需要，确保负载按照 预定的规律变化，即考虑动力系统与负载的功率匹配问题【3 6 1 。 卜二次元件2 一变量油缸3 一电液4 q 月t 阀 4 一恒压变量泵5 一蓄能器6 一安全阀 图1 - 9 二次调节静液传动系统工作原理图 由电液伺服阀3 来调节变量油缸2 的流量，由变量油缸2 来控制二次元件1 的排量。与二次元件同轴连接的光电编码器可以测出二次元件1 转速的变化，并 传输给控制部分；按照预定的控制算法，控制部分产生电液伺服比例阀3 的控制 信号，再使变量油缸的活塞杆发生移动，进而改变二次元件1 ( 变量液压泵) 的 斜盘倾角的方向和大小，最终改变变量液压泵的排量，确保系统可以稳定在某一 特定的工作状态。改变电液伺服阀的控制信号，可以使系统稳定在任何特定的转 速，还能够实现二次元件1 的无级调趔3 7 1 。 上世纪8 0 年代木，国内学者开始从事二次调节技术的研究。浙江大学、哈 尔滨工业大学、同济大学以及中国农机研究院等单位都不同形式的研究了二次调 节技术，但是在国内对二次调节技术的研究还处于试验阶段，距离在工程领域实 际应用还有很大的差距。 通过以上分析可知，液压元件技术已发展的比较成熟了，除非有重大技术突 破或进步，否则对于节能性的影响十分有限，而通过对系统结构的改善，对控制 策略的优化和采用能量回收技术是提升液压挖掘机节能性的有效措施。 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 本课题的提出及研究内容 1 3 1 本课题的提出 在液压挖掘机工作循环过程中，动臂上下摆动比较频繁，又因运动部件的惯 性较大，因此动臂下降和减速制动时会释放出大量能量。通常这一部分能量都消 耗在液压阀的阀口上，不仅造成了能量的浪费，还会造成系统的发热和元件使用 寿命的降低。为降低能量的损耗和减少系统发热量，以及提高元件的使用寿命， 能量回收是降低液压挖掘机能耗的一个有效方法。目前国内对于液压系统的势能 回收已有了一定的研究成果，但其势能回收系统对于液压挖掘机的势能回收不适 用，因此对液压挖掘机势能回收系统进行分析研究是十分有必要的。 本课题来源于8 6 3 计划“新型混合动力工程机械关键技术及系统开发与示范 应用”项目的子课题：基于混合动力的工程机械节能控制方法。本课题主要以液 压挖掘机的节能为目的，通过理论分析和仿真研究，来设计液压挖掘机的动臂势 能回收系统，分析该势能回收系统对液压挖掘机节能的影响规律，从而为节能型 液压挖掘机产品的开发提供设计依据。 1 3 2 本文主要研究内容 本论文共分为六章，各章的主要内容简述如下： 第一章绪论，分析了研究液压挖掘机节能技术的重要意义，概述了国内外液 压挖掘机节能方面的研究现状。提出本文课题，说明设计适合液压挖掘机动臂势 能回收系统的必要性和可行性。 第二章动臂势能回收系统总体方案设计。对现有的能量回收方式进行分析， 提出一种基于蓄能器一液压马达一发电机的液压挖掘机动臂势能回收系统。对系 统方案进行设计，分析系统的工作原理。设计能量回收系统的控制方法，并且拟 定液压系统原理图。 第三章能量回收液压系统参数匹配方法研究。在a m e s i m 平台建立挖掘机 的液压系统和工作装置的仿真模型，对挖掘机工作装置迸行机电液综合仿真。根 据仿真获得的液压挖掘机的工况，结合系统中各个部件的特性，确定能量回收系 统参数匹配的目标，建立蓄能器、液压马达和比例控制阀的参数匹配方法，选择 具体参数和型号。 第四章能量回收系统的仿真研究。对能量回收系统进行仿真研究，分析蓄能 器初始容积，蓄能器充气压力，比例控制阀流量，以及液压马达排量等参数对能 量回收系统的影响。提出通过对液压马达转速进行p i d 控制，使马达输出转速 能够恒定在发电机高效区内，从而提高整个系统能量回收的效率。 l o 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第五章进行蓄能器能量存储过程的实验研究，分析液压缸活塞杆在不同负载 作用下，将液压油充入蓄能器进行存储的过程。将实验数据与仿真结果比较，验 证仿真建模方法的准确性和可靠性。 第六章总结与展望，对全文主要内容和研究结果进行总结，并对下一步开展 的研究工作进行展望。 1 4 本章小结 本章分析了液压挖掘机节能研究的重要意义，介绍了基于提高液压元件性 能，改进系统结构和控制策略，以及采用能量回收的液压挖掘机节能研究现状。 在总结已有工作的基础，提出了本文课题，说明了设计适合液压挖掘机动臂势能 回收系统的必要性和可行性，并概述了本文所进行的主要研究内容。 中南大学硕上学位论文 第二章动臂势能回收系统方案设计 第二章动臂势能回收系统方案设计 本章将对现有的能量回收方式进行分析，提出一种基于蓄能器一液压马达一 发电机的液压挖掘机动臂势能回收系统。并对系统方案进行设计，分析系统的工 作原理，并拟定液压系统原理图。 2 1 液压挖掘机工作循环过程分析 如图2 1 所示，液压挖掘机的典型动作有铲斗装卸、斗杆收放、动臂的升降、 转台回转、整机行走以及其他辅助动作。 卜整机行走2 一转台回转3 一动臂升降4 一斗杆收放5 一铲斗装卸 图2 - 1 液压挖掘机的典型动作 液压挖掘机的典型工作循环过程如下【3 8 ，3 9 】： ( 1 ) 挖掘：液压挖掘机有三种完成挖掘动作的方式一铲斗单独挖掘、斗杆 单独挖掘以及铲斗和斗杆联合挖掘，该过程由铲斗和斗杆的联合动作来完成，有 时需要动臂动作的配合。 ( 2 ) 满斗举升回转：完成挖掘后，动臂带动铲斗满斗举升，同时回转马达 使回转平台到达卸载的地点，这一动作通过动臂和回转平台的联合动作完成。 ( 3 ) 卸载：驱动铲斗油缸和斗杆油缸完成铲斗的卸载，为了到达预定的卸 载地点，要配以动臂油缸的动作。这一过程主要由斗杆、铲斗和动臂的联合动作 来实现。 ( 4 ) 空斗返回：完成卸载以后，回转平台则反向转动，同时配以斗杆和动 臂的动作将铲斗放在下一个挖掘位置。该过程通过斗杆、动臂和回转平台的联合 动作来完成。 ( 5 ) 整机移动：液压挖掘机移动到下一个作业地点，为下一次挖掘作业做 好准备。 1 2 中南大学硕士学位论文第二章动臂势能同收系统方案设计 ( 6 ) 其他辅助动作。 2 2 能量回收方式分析 液压挖掘机的运动部件具有较大的质量，在挖掘机的每个作业循环中，动臂 都有一次下降的动作，此时系统会释放出大量的势能。在传统的挖掘机中缺少相 应的能量转换和存储装置，因此这些能量最后要消耗在各类液压阀阀口