（机械设计及理论专业论文）液压挖掘机工作装置势能回收系统研究.pdf

摘要 节能减排技术是工程机械领域一个重要的研究方向，本文以2 3 t 液压挖掘机 为研究对象，以蓄能器作为能量存储单元，提出了一种主辅动力源流量直接耦 合式的液压挖掘机工作装置势能回收系统，以改善挖掘机的燃油性和排放性，分 析了影响系统势能回收利用的主要参数，建立了工作装置动力学模型和液压系统 数学模型。基于主泵负载及储能装置压力状态，提出了一种液压挖掘机的差动能 量回收与能量释放控制策略，仿真结果表明，具有势能回收系统的液压挖掘机其 能量利用率得到了显著提高，且系统的动力性和操作性基本不受影响，也体现了 势能回收系统研究的重要性和良好的应用前景。论文主要可分为以下几部分： ( 1 ) 绪论。首先介绍了液压挖掘机工作装置势能回收系统的研究背景和研 究意义，并阐述了液压挖掘机节能技术国内外的研究现状，针对现有研究的不足 引入本论文的内容和重点。 ( 2 ) 液压挖掘机工作装置势能回收系统结构研究。比较分析不同方案的节 能性和经济性，确定系统方案并设计液压原理图。根据液压挖掘机系统参数，对 液压系统元件进行选型与参数匹配，充分发挥各部件性能，提高系统效率。 ( 3 ) 液压挖掘机工作装置势能回收系统建模研究。基于复合恒功率负流量 控制液压挖掘机结构特点和工作性能，在m a t l a b s i m u l i n k 中建立工作装置动力 学模型和液压系统仿真模型，为继续研究系统控制策略奠定了良好的基础。 ( 4 ) 液压挖掘机工作装置势能回收系统控制策略研究。以系统节能为优化 目标，分析了影响系统势能回收效率的关键控制参数，提出了一种基于主辅动力 源出口压力的差动能量回收控制策略。仿真试验研究表明，具有势能回收系统的 液压挖掘机提高了系统能量利用效率，且不影响系统动力性能和操作性能，同时 也验证了控制策略的可行性。 ( 5 ) 液压挖掘机工作装置势能回收系统实验平台设计。设计了实验平台液 压系统，并阐述了实验平台的系统功能、工作原理、结构布局和实验平台的结构 设计情况，为进一步深入研究提供了良好试验平台。 关键词：液压挖掘机差动流量分配能量回收利用节能控制 a b s t r a c t t 0i i n p r o v ef i l e le c o n o m y 撼、e n 豁锄v 拍n m e l l t a lp e m 臌眦c eo f2 3 t 讹d i t i o n a le x c a v a t c 憾， as c h 锄eo fb o o mp o t e n t i a le n e r g yr e c o v e 呵w a sp r o p o s e d ，c o n s i d e r e de n e r g ys a 咖gt e c l l i l o l o g y 舔a ni n l p 0 i t a n tf i e l do fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n gr e s e a r c h t h em a i nd e s i g np a r a m e t e r so f 、o r k i i l g e q u i p m e n tp o t e n t i a le n e r g yr e c o v e 叮、耽铋a l y z e d ，锄dt h e 访n l l a lp r o t o t ) ，p i i l g a n dt h e m a m 锄a n cm o d e l so fh y d r a u l i cc o m p o n e n t sw e r ee 颤b l i s h e d b 舔e do nm ea p p r o a c ht h a tn o w d i s t r i b l l t i o ni s 捌v e d 丘o m1 h e0 u t l e td i f t i a lp r e s s u r eb e t 、e e nm a i np o w e rs o u r c e 锄d a u ) 【i l i a r y ，a na p p l i c a b l ec o n 廿o ls 昀t e g ) ro ft h eh y d r 挑l i ce 】【c a va _ 研w 蕊e n l p l o y e dt os a t i s 矽t h e l o a dp o w e r 唧i r e m e n t s ，w h i c ht o o ki n t oc o n c e r n0 ft t l er e c 0 v e f y 锄dr e u s eo fw o r k i l l g e q u i p m e n tp o t e n t i a le n e r g y n es i l n u l a l i o nr 豁u l t sm a i l i f c s 锄t h a tt h em i s eo fc i l e r g yu t i l 协i o n f a 畸ow a sn o t i c ea _ b l e ，w h i l et h eo p e r a 血ga n dp o w e rp e r f o r m a n c e sw e r ep r e s e n ，e d w h a t sm o r e ， t h ei m p o r t a n c ea n da9 0 0 dp r o s p e c to f l es y s t 啪w e r er e n e c t e d t h ep 印e rw a sd i 、，i d e di n t ot h e f 0 1 1 0 w i n gs e c t i o n s ： ( 1 ) t h er e s e a r c hb a c k 铲o u n d 柚ds i g n i f i c a n c eo ft 1 1 ep o t e n t i a l e 理r e c o v e r ys y s t 锄i n h y l 】胍i i ce x c a v a t o r sw e r ei n 仃o d u c e d a n db a s e do nt h ep i e s e n ts t u d y ，t h ec o n t e n t 锄dk e yp o i n t s o ft h i sp a p e rw e r ed r a w e d ( 2 ) c 伽叩a m t i v e l y 锄a l y z e dt l l ee i l e r g ys 撕n g s 觚de c 0 i l 劬i c s 锄o n gd i 仔硫m t0 p 石o n s ，m e s ) ，s t 锄w 醛d c t e m i i n c d 如dd e s i 印e d ，m e 姐、) l ，：h i l e ，s y s t 锄c o m p o n e n t s 惴s e l e c t c d 锄dm a t c h e d t 0m l lp l a yt l l ep 酬 嘶c i l a i l c e 蛆di m 】r o v et l l ee 伍c i e i l c y ( 3 ) b 嬲e do n1 h ec o 叫，r e h e i l s i v ec o n s t a l l t p o w e r 觚dn e g a t i v e - f l o wc o n 仃o lp e r f o 咖a n c e ，t h e m a m e m a t i cm o d e l so fw o r l ( i n gd e 访c 骼锄dh y d r 卸l i cc 伽叩o n t sw e 代b u i l t ，h i c hl a i da9 0 0 d f o u n d a t i o nf 0 rt l l ef b “h e rs t u d yo fc o n 旬r o ls 舰t e g y ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h ek e yc o 曲r o lp a 捌嗽自哪，弛印p l i c a b l ec o n 仃d ls 仃a t e 蹦o f 也eb 曲u l i c e x c a v a t o rw 懿e n l p l o y e dt 0o p 缸妇t l l ee n e r g ye m c i e n c y ，a p p r o a c h i n gm a tn o wd i s 砸b u t i o ni s d e r i 见r o mm e0 u t l e td i f t i a lp r e s s u r eb e 铆e e nm a i l lp o w e rs o u r c e 觚da m 【i l i a d ，t h e s i m u l 撕o nr e s u l t sm a n i f e s t e dt l l a tt l l er a i s eo fe n e r g yu t i l i z a t i o nr a t i ow 弱n o t i c ea _ b l e ，w h i l et l l e 0 p e r a t i n g 锄dd y n 枷cp e 舶n i l a n c 嚣w e r ep r e s e r v e d ，w l l i c hv e r i 匆n l ef e a s i b i l i t ) ，o ft h ec o n 仃0 l s 觚t e g y n 1 浙江大学硕士学位论文 液压挖掘机工作装置势能回收系统研究 ( 5 ) t l l eh y d r a u l i cs y s t e mo ft e s tb c hw 弱d e s i 印e d ，m e 锄w h i l e ，l h es y s t 锄缸l c t i o n ， w o r k i i l gp 血c i p l e ，s 蚋l c t l l r e 锄dl a y o mw e 陀d e s c r i b e d ，p r 0 访d i i l ga9 0 0 df 咖l d a d o nf 斫t l l e f h r t l l e rs t i l d y k e yw o r d s ：h y d r a u l i cc x c a v a t o r ；d i f 衔e n t i a lf l o wd i s t 曲们o n ；e n e r g yr e c 0 v e 巧； e i l e r g ) ，- s a v i n gc o n 仃0 1 i v 第1 章绪论 1 1 课题研究背景与研究意义 1 1 1 课题研究背景 液压挖掘机是进行经济建设、土石方施工的关键工程机械之一，随着我国基 础建设不断深入，市场对挖掘机的需求也不断增加。据中国工程机械工业协会挖 掘机械分会统计显示，2 0 1 1 年上半年，我国主要的2 5 家主机制造厂商销售各类 液压挖掘机数量近达1 2 6 万台，同比增长约3 0 5 ：另一方面，中国自主品牌挖 掘机销量占市场份额由去年的2 7 3 增长为3 2 7 【1 ，2 i 。从统计数据中可以看出， 国内挖掘机行业经过几十年的拼搏在国内市场已经占有一席之地，但是国内市场 充斥着许多国外知名品牌，有小松、日立、现代等日韩品牌，还有卡特彼勒、杰 西博( j c b ) 、凯斯、沃尔沃等欧美品牌，它们在国内挖掘机市场的地位依然是 不可撼动的【3 ，4 1 。究其原因是我国众多的挖掘机生产商技术水平与国际上那些知 名品牌还有着很大的差距。 据相关数据显示，国产挖掘机平均无故障期为5 0 0 1 0 0 0 小时，作业循环时间 1 4 1 6 秒，排放仅达到欧i i 标准；而国际挖掘机平均无故障期为1 5 0 0 2 0 0 0 小时， 作业循环时间1 0 1 2 秒，排放达到欧i i i 标准，于2 0 0 8 年，凯斯推出的小型液压挖 掘机排放达到欧标准。从以上数据，可以看出国产挖掘机与知名品牌还存在着 一定差距，随着欧排放标准的推行，将给国内挖掘机厂商带来新的技术挑战。 因此，国内挖掘机行业的崛起势必要提高自身的研发水平和自主创新能力，提高 产品技术含量；同时掌握挖掘机五大关键零部件的核心技术，摆脱产业结构链失 衡现状。其中节能减排就是一个重要环节，解决这一问题将进一步提高国产挖掘 机的燃油经济性和排放标准，增加国产挖掘机的市场竞争力。 1 1 2 课题研究意义 液压挖掘机可进行大功率、高灵敏度的各种作业，但其能量的总利用率大约 只有2 0 【5 】一直以来困扰着国内外相关学者和研究机构。挖掘机工作时，在不 计沿程阻力的条件下，液压系统的最高效率可达9 5 以上【6 1 ，但目前液压挖掘机 浙江大学硕士学位论文 液压挖掘机工作装置势能回收系统研究 正常工作时，其液压系统效率低下仅4 0 左右i _ 刀，采取适当的措施提高液压系统 效率，为解决系统节能问题提供了一条有效的途径。 另一方面，液压挖掘机在工作过程中具有明显地周期性，其动臂、斗杆和铲 斗都需要频繁举升下落，由于它们都具有较大的质量，因此，在工作过程中会释 放出大量能量，而这部分能量除了小部分是以动能的形式存在外，大部分都以热 能形式消耗在阀口上，造成系统发热，油温升高，降低液压油黏度，增加系统泄 漏，还会对敏感液压元件产生一定程度的破坏【8 】。因此，挖掘机动臂、斗杆和铲 斗势能回收，不仅可以避免能量不必要的浪费，还可以延长元件寿命。可见，为 提高节能减排效果，有必要对挖掘机动臂、斗杆和铲斗势能回收进一步深入研究。 就挖掘机动臂、斗杆和铲斗势能回收量而言，挖掘机动臂的势能可回收的能量最 大，因此，本文以挖掘机动臂为例进行研究。 1 2 国内外节能技术研究现状 1 2 1 液压挖掘机节能技术研究现状 研究液压挖掘机的节能减排问题，有必要了解液压挖掘机在工作时产生功率 损失的原因，总的来说，主要有以下几种形式p d 2 】： ( 1 ) 发动机内部功率损失 液压挖掘机上柴油发动机的能量利用率一般只有3 0 左右，而发动机的排放 往往与其能量利用率成正相关关系。因此，提高柴油发动机能量利用率是从源头 解决液压挖掘机节能减排途径。 ( 2 ) 液压系统功率损失 液压挖掘机上这部分功率损失主要有节流损失、溢流损失和沿程损失三种。 其中节流损失是由液压系统中流量和换向控制元件以及阻尼孔造成；溢流损失是 为了防止过载造成系统压力突变而破坏机械设备，开启安全阀造成；而沿程损失 是由液压油流经管路和接头而造成。 ( 3 ) 发动机与液压泵、负载不匹配引起功率损失 由于液压挖掘机的工况负载变化复杂，造成发动机与负载功率不匹配，引起 发动机工作在高油耗区域，降低发动机的工作效率，同时也增加了发动机排放。 另外，液压挖掘机在回转机构制动时，回转液压系统中的缓冲溢流阀会开启， 浙江大学硕士学位论文绪论 造成溢流损失；而工作装置在下降时，如上节所述，其势能将通过节流口损耗掉； 还有机械传动过程引起地摩擦损失等。 针对这些功率损失，国内外相关学者进行了不少有关节能减排的研究，目前 采取的措施主要有以下几个方面： ( 1 ) 改良柴油发动机 采用电喷发动机【1 3 】代替传统的机械调速发动机，使发动机喷油泵的循环供油 量和喷油提前角可控，根据液压挖掘机的工况确定发动机最佳工作曲线，优化发 动机燃油经济性和排放特性。 采用涡轮增压技术15 1 ，使柴油发动机排放的废气二次利用，增加汽缸燃烧 室的空气压力和密度，进而促使燃料燃烧地更彻底，增大发动机输出功率，降低 发动机的油耗和排放。 ( 2 ) 优化液压系统 负流量控制系统是在液压挖掘机多路阀中位旁路回油上安装流量检测装置， 利用检测压力信号调节变量泵排量，成反比例关系，并使中位回油流量保持一个 很小的恒定值，从而减小了液压挖掘机多路阀中位节流功率损失。 正流量控制系统是通过梭阀组筛选操作手柄先导压力最大值作为压力反馈 信号，并用此反馈信号调节变量泵排量，成正比例关系，当先导反馈压力为零， 变量泵不对负载输出流量，没有空流损失，因此极大地减少液压挖掘机多路阀中 位节流功率损失。 压力切断是解决工作装置过载造成溢流损失的方法，可与其他系统配合使 用。它有效地使泵输出压力高于设定的切断压力( 低于溢流压力) 时，将泵的排 量降至接近零，而系统压力满足负载要求，因此压力切断有效避免了这部分的溢 流损失。 负载敏感系统是通过选择执行元件工作压力最大值作为压力反馈信号，控制 变量泵排量，保证系统压力跟随负载压力变化，流量按阀口开度分配，没有溢流 损失，且具有良好的可操作性，即使不熟悉的司机也可很快上手。 ( 3 ) 发动机和泵的匹配控制 基于计算机控制技术，使发动机和泵的匹配控制更加优化，可根据挖掘机工 况的变化，自动调整泵和发动机，保证发动机输出功率满足负载需求的情况下， 使燃油消耗量最低。 浙江大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置势能回收系统研究 虽然通过以上这些途径可以在一定程度上提高挖掘机的节能性和排放性，但 是也存在着一些问题：由于挖掘机的负载变化剧烈，使得发动机工作效率无法得 到明显改善，发动机与泵的匹配不彻底，只能不断优化；而在液压系统的优化上， 也渐渐开始出现瓶颈。这些问题的存在使得液压挖掘机的节能技术一直难以取得 突破性进展，随着混合动力汽车的问世和商业化【1 6 之o 】，引起国内外工程机械领域 相关生产商和研究机构极大关注【2 1 之5 1 。引入混合动力技术使液压挖掘机在回收回 转机构制动能和工作装置重力势能成为了可能，为液压挖掘机的节能技术开辟了 一条新途径。 1 2 2 液压挖掘机能量回收研究现状 在混合动力挖掘机研制上最先起步的是日本，早稻田大学兼佳行等人对应用 于挖掘机械的串联式混合动力系统进行了研究，小松公司于2 0 0 4 年率先研制成功 世界上第一台以蓄电池作为能量存储单元的混合动力液压挖掘机试验机型 p c 2 0 0 8 0 ，与传统液压挖掘机相比，整机节能可达2 0 以上。随后神户制钢也提 出了一种具有能量回收系统的混合动力液压挖掘机系统，并对其进行了仿真和试 验研究口越9 】，此外凯斯、卡特皮勒、沃尔沃等公司也开展了这方面的研究。混合 动力系统按动力布置可分为串联、并联和混联三种模式，每种分布模式都有着各 自的优缺点，其中以神户制钢和小松的混合动力挖掘机最具有代表性。 神户制钢【2 9 3 1 】研发的是串联式混合动力挖掘机，其原理结构图如1 1 所示， 实验结果表明与普通挖掘机相比，可节油4 0 。在势能回收方面，采用泵马达 驱动方式。在动臂下降时，马达将回油的液压能转化为机械能直接用来与电动机 共同驱动泵，若回收的功率超过了泵的需求，则将多余的能量通过电动机转化为 电能存储于电池或超级电容中，从而实现对势能的回收。该结构的特点是可缩短 能量转化环节，但是对系统元件要求较高，控制策略也较复杂。 小松【3 2 3 3 1 研发的是并联式混合动力挖掘机，其原理结构图如图1 2 所示。在 势能回收方面，该系统采用了单独的液压马达发动机来回收势能。在动臂上升 时，由控制阀控制动臂油缸的动作，而下降时则液压马达和发电机在进行能量回 收的同时控制动臂下降速度。该结构的特点是相对较简单，独立性好，但是由于 液压马达并联于油路中，因此动臂上升时，控制阀处仍有较大的节流损失。 混联式混合动力挖掘机在理论上其特点是布置灵活度高，维护费用低，电池 浙江大学硕士学位论文绪论 使用量较小，排污量中等，总体效率很高，但是其控制系统和安装结构都较为复 杂，而且初始成本很高。 l 发动机目发电机 二： 逆 曲 变 器 _ l i 崔；电池1 一 图1 1 串联式混合动力液压挖掘机原理结构图 图l - 2 并联式混合动力液压挖掘机原理结构图 在国内，混合动力技术在工程机械上的应用也取得一定进展。2 0 0 9 年，三一 集团和詹阳动力在第十届北京国际工程机械展览与技术交流会( b i c e s ) 分别展 出了混合动力挖掘机s y 2 1 5 c 和j y l 6 2 l “3 4 】，报告指出三一集团的混合动力挖 掘机采用混合动力、发动机功率优化控制、电子控制正流量系统、工作装置轻量 化等节能技术，比传统挖掘机节能3 0 以上、作业效率提高2 5 以上。2 0 1 0 年， 山河智能自主研发s w e 2 3 0 s 型混合动力挖掘机1 3 引，整体节能效果在2 0 以上， 整机回转动作时的噪声指标降低5 0 以上。中联重科、徐工、柳工等挖掘机主 机厂也先后自主研发的混合动力挖掘机机型分别为z e 2 0 5 h 、z l 5 0 g 和8 6 2 型， 提高系统工作效率，减少污染物排放。另外，浙江大学【3 “1 1 、同济大学4 2 1 等高校 浙江大学硕士学位论文 液压挖掘机工作装置势能回收系统研究 也一直致力于混合动力挖掘机的研究和探索。浙江大学林潇在文献 3 7 ，4 1 】中针 对并联式混合动力液压挖掘机的发动机、电机、电池组进行了参数匹配研究，指 出优化后电池组充放电效率为9 0 以上，电机效率达8 0 以上；王冬云在文献【3 8 】 中对串联式和并联式混合动力挖掘机和普通挖掘机进行比较分析，研究表明混合 动力挖掘机比普通挖掘机在节能效果方面提高了3 5 以上，而并联式系统节能效 果优于串联式系统。同济大学刘刚在文献 4 2 】中针对液压挖掘机工况复杂且具 有周期性的特点，提出双模式转矩均衡控制策略，仿真表明并联式混合动力挖掘 机回收回转机构制动动能可节能4 5 。 混合动力技术按储能元件类型可分为油电混合动力和油液混合动力【4 3 4 5 1 ，其 中油电混合动力采用蓄电池或超级电容作为储能元件，而油液混合动力则是采用 蓄能器作为储能元件。由于油电混合动力系统能量转化环节多、成本较高、电池 寿命等问题，制约了油电混合动力挖掘机进一步发展。以蓄能器作为能量存储单 元，其功率密度大，可达到5 0 0 1 0 0 0w l ( g m 6 j ；另外，蓄能器的生产成本较低、 技术相对成熟，且具有吸收系统压力脉动等特点，使得油液混合动力系统更适用 于工况恶劣的环境中，因此，目前在车辆上油液混合动力越来越受到相关公司和 科研机构的重视，其中美国环保局e p a 【4 7 ，4 8 1 、e a t o n 公司【4 9 ，5 0 1 、m c h a d o 公司【5 1 1 、 m i c l l i g a j l 大学【5 2 5 3 1 、w i s c o n s i l l 刚大学、西南研究院【5 5 】等都对该技术深入研究， 并取得可喜的成果。2 0 0 4 年，美国环保局e p a 展示了第一辆油液混合动汽车 s u v ，并指出该车的燃油经济效率提高了5 5 ，而成本只增加了6 0 0 美元。同年， 英国黜c h a d o 公司研究报告指出与常规车辆相比，串、并联式油电混合动力车辆 和油液混合动力车辆节能效果分别为3 1 、3 4 、3 9 。在国内，上海交通大学 【5 6 1 、哈尔滨工业大学【5 7 1 、南京理工大学【5 8 5 9 1 、同济大学唧1 等科研机构在油液混 合动力系统应用上作出巨大贡献。2 0 0 7 年，上海交通大学研究表明，在相同工 况下，油液混合动力城市客车比常规城市客车节油2 5 8 ，并且减少有害污染物 排放3 5 以上。 在工程机械行业中，一些研究机构和生产商在研发油电混合动力挖掘机的同 时，也看到了油电混合动力挖掘机商业化的制约因素，渐渐开始转向研发油液混 合动力系统，其中浙江大学【6 l 】、哈尔滨工业大学【6 2 】、西安交通大学蚓等机构进 行探索性研究。在文献【6 l 】中，张敏杰对并联式油液混合动力系统进行动力匹配 研究，仿真表明与普通液压挖掘机相比，在相同工况下，并联式油液混合动力挖 浙江大学硕士学位论文绪论 掘机可节油达3 0 。在文献【6 2 】中，姜继海提出基于c p r 网络的油液混合动力 系统，尚未对此系统的节能性进行评估。在文献【6 3 】中，于安才采用油液混合动 力方式对回转装置的制动动能进行研究，仿真表明制动动能的平均能量回收率为 4 9 5 ，但没有对能量二次利用进行研究。综合以上分析，可以看出油液混合动 力技术在节能减排方面是一个新的研究方向，而该技术在挖掘机上的应用尚处于 起步阶段。 1 2 3 其他工程机械能量回收研究现状 除了液压挖掘机之外，基于油液混合动力技术实现对系统能量回收利用已经 成功应用于其他工程机械设备，比如立体车库【6 4 1 、起重机械【6 5 】、抽油机【匍、电 动叉车6 刀、剪叉式升降机蚓等。在文献【6 4 】中，臧发业基于二次调压技术在立体 车库的应用，实现对系统制动动能和重力势能回收，由仿真数据表明势能回收效 率为5 7 8 ，制动动能的回收效率为4 6 5 。在文献【6 6 】中，姜继海通过对抽油 机的势能回收利用，仿真研究表明与普通抽油机相比可节能2 6 4 。 图卜3 电动叉车液压起升节能系统原理图 在这些对系统能量回收利用的方案，有以下两种方案最具典型。在文献【6 7 】 中，提出了电动叉车液压系统起升系统节能方案，系统原理图如1 3 所示。能量 转换装置由蓄能器和主辅回路二次元件液压泵马达同轴刚性连接组成，在电动 叉车叉货上升时，蓄能器驱动辅助回路液压泵马达为电机轴提供附加动力；而 在叉车货叉下降时，将负载以及叉架、货叉、内门架的势能通过此能量转换装置 转为压力能储存于蓄能器中。此方案采用了两个二次元件液压泵马达并联构成 主辅动力源，虽然在对工作装置势能的吸收和利用上具有很好的灵活性，但是也 浙江大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置势能回收系统研究 使系统的能量传递过程变长，增加能量的额外损耗，另外由于二次元件的价格上 比较昂贵，因此该方案无法在生产实际中得到广泛应用。 文献 6 8 】中，提出了一种剪叉式升降机液压系统节能方案，其原理图如图1 4 所示。此系统的方案结构别具一格，其工作思路是：以蓄能器作为能量存储单元 回收系统势能，为了减少由方向阀内部泄漏所带来的工作装置缓慢下降，这里采 用了密封性好的球阀来控制液压缸运动方向。在工作装置下降时，将工作装置势 能转为液压能，并储存于蓄能器中；在工作装置上升时，蓄能器向变量泵供油， 减少了变量泵进出口压力差，使工作装置在上升过程中消耗系统功率减少，从而 实现节能目的。此方案液压系统结构简单，但是采用将蓄能器中的油液直接与泵 入口处相通，由于普通液压泵入口处无法承受高压液压油，而且蓄能器放油时， 泵入口压力突变，液压冲击较大，减少泵的使用寿命，因此，此系统比较适合蓄 能器存储压力不高的情况。 图卜4 剪叉式升降机液压节能系统原理图 1 3 现有研究的不足与课题的提出 综合以上针对液压挖掘机的节能减排问题，国内外学者从挖掘机产生功率损 失角度，分别提出了相应地减少功率损失的策略。目前液压挖掘机基于研发新型 柴油发动机、改进和优化液压系统以及发动机和泵功率匹配的节能减排技术已经 到了瓶颈阶段，想有新的突破需要从新的角度出发，才能使液压挖掘机的节能减 排得到大幅度改善。混合动力技术开创了液压挖掘机节能减排的新途径，使回收 浙江大学硕士学位论文 绪论 液压挖掘机回转机构制动动能和工作装置重力势能成为可能，就能量回收利用在 液压挖掘机上的研究目前存在着以下空白和不足之处： ( 1 ) 液压挖掘机的能量回收利用目前国内外相关生产商和研究机构主要是 以蓄电池或超级电容作为储能元件进行研究，一方面由于存在着能量转化环节， 每个环节都会有能量损失，从而抵消了一部分回收的能量；另一方面额外增加成 本高、电池寿命、可靠性等问题，使得此项技术难以实现批量生产。 ( 2 ) 以蓄能器作为辅助动力源，由于它具有功率密度大、成本较低、吸收 系统压力脉动等特点，目前主要还只是在车辆上进行研究应用，而在液压挖掘机 上，尚处于起步阶段，相关研究报告主要侧重于发动机、泵和蓄能器的功率匹配 上，而对能量回收研究甚少。 ( 3 ) 由于液压挖掘机的系统结构和工况复杂，使得一些能量回收方案不适 合应用于液压挖掘机上，同时也缺乏对能量回收利用的控制策略研究，不利于对 系统节能效果作出准确评估。 鉴于以上存在的不足作为切入点，本文以液压挖掘机工作装置势能回收作为 研究对象，设计了一套液压挖掘机工作装置势能回收系统、进行了相关部件的选 型和参数匹配，进而建立系统仿真模型，提出解决能量回收利用的相关控制策略， 并进行仿真试验研究。通过以上研究，寻求解决液压挖掘机能量回收的方案和控 制规律，并根据仿真数据指导课题的进一步深入。 1 4 课题研究内容 根据提出的课题，具体研究内容如下 ( 1 ) 液压挖掘机工作装置势能回收系统结构研究 借助于现有油电混合动力挖掘机势能回收系统结构，并结合液压挖掘机自身 液压系统结构和工况特点，设计以蓄能器作为能量存储单元的液压挖掘机动臂势 能回收系统方案，并详细介绍了系统工作原理和设计结构特点。 ( 2 ) 液压挖掘机工作装置势能回收系统选型与参数匹配 根据设计的液压挖掘机工作装置势能回收系统原理图，并以d e e r 3 2 3 e l z n 型液压挖掘机作为研究对象，确定系统基本性能参数以及能量回收系统、先导压 力控制系统相关元件选型与参数匹配，充分发挥各部件性能，提高系统效率和降 低系统成本，并为下一步系统仿真提供准确的技术参数，这是使仿真结果与实际 情况更加相符的基础。 9 浙江大学硕士学位论文 液压挖掘机工作装置势能回收系统研究 ( 3 ) 液压挖掘机工作装置势能回收系统建模研究 系统仿真模型是后续控制策略和仿真分析的基础，本文基于m a t l a b s i m u l i i l k 仿真环境，分析了此型挖掘机系统结构和特点，建立了工作装置的动力学模型以 及变量泵、动臂多路阀、液压缸、蓄能器和系统相关液压元件的数学建模，在不 影响控制策略仿真研究的提前下，对其中一些模型进行适当简化。 ( 4 ) 液压挖掘机工作装置势能回收控制策略研究 结合所设计的液压挖掘机工作装置势能回收系统以及液压挖掘机工况特点， 提出了一种基于主辅动力源出口压力差动流量分配的控制策略，并建立具有势能 回收系统的液压挖掘机整机模型，对系统控制策略进行仿真验证。除此之外，和 普通液压挖掘机进行对比分析，评估该方案的节能效果。 ( 5 ) 液压挖掘机工作装置势能回收系统实验平台设计与搭建 将设计的液压挖掘机工作装置势能回收系统方案和控制策略进行实验验证， 是必不可少的一部分，但由于时间所限，这里主要对此方案进行前期研究，并设 计了相应的实验平台液压系统和机械结构。 第2 章工作装置势能回收系统结构研究 2 1 工作装置势能回收系统结构设计 2 1 1 工作装置势能回收系统结构方案与分析 传统液压挖掘机的动力系统是由发动机、柱塞变量泵、多路阀、执行元件等 部件组成，引入混合动力系统思想，针对传统液压挖掘机，以蓄能器作为能量存 储单元，提出液压挖掘机工作装置势能回收系统的几种可行结构方案。 ( 1 ) 方案一 串联式液压挖掘机工作装置势能回收系统结构简图，如图2 1 所示，该系统 由发动机、变量泵、液压泵马达、能量存储装置蓄能器、多路阀、执行元件液 压缸等部件组成，与传统液压挖掘机相比，需要额外增加变量泵、蓄能器、液压 泵马达，并组成串联式动力源驱动负载变量泵来带动执行元件。当系统需要回 收势能或制动动能时，由控制器发出控制信号，使二次元件液压泵马达工作在 泵模式，将工作装置的势能或制动动能存储于蓄能器中。当挖掘机处于工作状态 时，则控制器发出相应信号，使二次元件液压泵马达工作在马达模式，并带动 变量泵2 驱动执行元件，此时二次元件的驱动力来自蓄能器和由发动机驱动的变 量泵1 ，实现对蓄能器回收的二次能量重新利用。 机械连接 巫h 蛩 爿液压泵马达 ： 能量存储装置 动力源系统 液压系统 图2 一l 串联式液压挖掘机工作装置势能回收系统结构简图 ( 2 ) 方案二 并联式液压挖掘机工作装置势能回收系统结构简图，如图2 2 所示，该系统 由发动机、变量泵、液压泵马达、能量存储装置蓄能器、多路阀、执行元件液 压缸等部件组成，系统动力源是由发动机和液压泵马达并联组成，并驱动负载 变量泵来带到执行元件。当回收系统中的重力势能或制动动能时，控制器使能量 浙江大学硕士学位论文 液压挖掘机工作装置势能回收系统研究 存储装置作出相应动作，液压泵马达工作于泵模式，向蓄能器中存储系统产生 的能量，并在挖掘机其他工况时利用这部分回收的能量。当液压挖掘机处于工作 状态时，控制器发出控制信号，使二次元件液压泵马达工作在马达模式，与发 动机并联向变量泵输出功，匹配负载需求，从而实际对蓄能器回收的能量进行二 次利用。 图2 2 并联式液压挖掘机工作装置势能回收系统结构简图 ( 3 ) 方案三 基于混合动力系统的串联式和并联式基本结构，根据挖掘机自身工况和液压 系统的特点，提出了有别于此两种结构的混合动力系统结构，如图3 3 所示，此 系统由发动机、变量泵、多路阀、执行元件和能量存储装置等部件组成。与传统 液压挖掘机系统结构相比，该系统只增加能量存储装置，系统动力源由发动机带 来变量泵和蓄能器并联驱动执行元件。当回收系统的重力势能或制动动能时，由 控制器使能量存储装置作出动作，并将系统产生的重力势能或制动动能存储于蓄 能器。当挖掘机处于一定工作状态时，控制器发出信号，能量存储装置按要求动 作，使蓄能器作为辅助动力源配合发动机，使变量泵和蓄能器输出流量在多路阀 之混合，并共同驱动执行元件。 ；匿d 娃 一 机械i i 匿吲藩。 i 匹二二司 = 匡巫爿巫 | | 1 能量存储装置片千1 动力源系统 液压系统 图2 3 节能型液压挖掘机工作装置势能回收系统结构简图 浙江大学硕士学位论文工作装置势能回收系统结构研究 以上三种油液混合动力挖掘机系统结构均是以蓄能器作为能量存储单元，除 了回收系统重力势能或制动动能以及稳定发动机输出功外，还可以削弱系统的压 力峰值，减少系统中压力限制元件发热，降低冷却功率消耗；同时利用蓄能器作 为辅助动力源配合发动机驱动执行元件，可有效地加速系统启动过程，提高系统 能量利用率。 2 1 2 工作装置势能回收系统结构方案比较 对于以上三种液压挖掘机工作装置势能回收系统结构方案的比较，这里主要 考虑系统的节能性和成本。在系统节能性方面，这里以系统效率作为评价指标。 串联式液压挖掘机工作装置势能回收系统动力传动路径比较长，先后分别经过了 发动机、变量泵、二次元件液压泵马达、变量泵、多路阀、执行元件，由发动 机、变量泵、二次元件液压泵马达组成驱动动力源，形成内部液压传动，能量 损失大，液压泵和二次元件液压泵马达的效率一般在8 0 一9 0 之间，因此此主 动力源传动效率为6 4 一8 1 。而后面两套方案，动力传动路径较短，先后经过发 动机、变量泵、多路阀、执行元件，由发动机与变量泵通过机械连接实现传动， 其动力源传动效率一般可在9 5 以上；在辅助动力源传动路上，方案二传动过程 先后经过了能量存储装置、二次元件液压泵马达、变量泵、多路阀、执行元件， 而第三套方案传动过程只经过了能量存储装置、多路阀、执行元件，减少了能量 经过二次元件液压泵马达和变量泵的能量损耗。综合以上对此三套液压挖掘机 工作装置势能回收系统方案在系统传动效率上的分析比较，可见方案二、方案三 优于方案一，而方案三略优于方案二。 就系统的成本而言，主要从实现系统额外增加成本、技术难度和复杂程度等 因素来考虑。正如前面所分析的，串联式液压挖掘机工作装置势能回收系统额外 增加了一个变量泵、一个二次元件液压泵马达和一套能量存储装置，并联式液 压挖掘机工作装置势能回收系统额外增加了一个二次元件液压泵马达和一套能 量存储装置，而节能型液压挖掘机工作装置势能回收系统只额外增加了一套能量 存储装置。虽然能量存储装置在不同系统中实现所需功能而构建的系统有所不 同，但是此三种系统使用的关键元件相差并不大，因此可认为此三套系统在能量 存储装置上所需成本、系统复杂程度和技术难度上大致相当，那么评估此三套系 统成本问题就主要讨论系统主动力源方面。串联式液压挖掘机工作装置势能回收 浙江大学硕士学位论文液压挖掘机工作装置势能回收系统研究 系统由于主动力源内部形成小液压系统，与其他两套相比增加的额外成本要高一 些，而且变量泵与二次元件之间往复运动而引起不必要的高压脉动和噪声，因此 在系统中往往需要增加吸收脉动和噪声装置，增加系统技术难度和结构复杂度； 方案二和方案三在主动力源方面，采用了原系统的发动机与变量泵机械连接传递 能量方式，效率较高，系统结构简单，但方案二与方案三相比，需要额外增加二 次元件液压泵马达，此元件成本也比较高，而且在系统安装时，需要与变量泵、 发动机同轴连接，这也给挖掘机系统布局带来一定难度。因此就成本方面，方案 二、方案三优于方一案，而方案三优于方案二。 综合以上对液压挖掘机工作装置势能回收挖掘机系统结构在节能性和成本 的分析来看，方案三为最优方案，方案二优于方案一。 2 1 3 工作装置势能回收液压系统设计与分析 通过分析液压挖掘机工作装置势能回收挖掘机系统结构方案的特点，本文以 方案三作为系统结构方案深入研究，并根据此方案的挖掘机工作和结构特点，考 虑到系统对动臂、斗杆和铲斗可回收的重力势能中，以动臂重力势能可回收量最 大，因此本文以回收动臂重力势能为研究目的，设计出液压挖掘机工作装置势能 回收系统液压原理图，如图2 4 所示。此系统由液压挖掘机原液压传动系统、能 量回收系统、先导压力控制系统和电子控制系统四部分组成。 液压挖掘机原液压传动系统这里是以动臂缸为执行元件的油路，主要包括了 油箱l 、柱塞泵2 、多路阀8 、动臂缸1 1 和动臂缸1 2 四部分；能量回收系统由 液控换向阀1 3 、液控换向阀1 4 、方向节流阀1 6 、安全阀1 7 、单向阀1 8 、蓄能 器1 5 、电液比例调速阀2 0 、单向阀2 1 等元件组成；先导压力控制系统由定量泵 3 、溢流阀4 、电磁比例减压阀6 、电磁换向阀5 等元件组成，其中定量泵3 属于 原挖掘机液压系统中元件：电子控制系统由核心部件电子控制器e c u 、压力传感 器7 、压力传感器1 9 等元件组成。 ( 1 ) 液压挖掘机工作装置势能回收系统工作原理 为了使所设计挖掘机势能回收系统能够更好地满足挖掘机的不同工况要求， 此系统可让液压挖掘机工作在普通工作模式和混合工作模式。下面具体说明此两 种工作模式： 浙江大学硕士学位论文工作装置势能回收系统结构研究 1 一油箱2 一变量泵3 一定量泵4 、1 7 一安全阀5 一电磁换向阀6 一电磁比例减压阀 7 、9 、1 9 一压力传感器8 一多路阀1 0 一电子控制系统1 1 、1 2 一动臂缸1 3 、1 4 一液控换向阀 1 5 一蓄能器1 6 一方向节流阀1 8 、2 1 一单向阀2 0 一电液比例调速阀 图2 4 液压挖掘机工作装置势能回收系统原理图 普通工作模式当此液压挖掘机工作装置势能回收系统处于普通工作模式 时，电磁换向阀5 失电，工作在右位；液控换向阀1 3 和液控换向阀1 4 的先导控 制口输入低压液压油，均工作在左位。此时液压系统主油路按照原工作方式运行， 当工作装置上升时，动臂多路阀8 工作在右位，变量柱塞泵2 输出高压液压油经 过动臂多路阀8 右位的p 口和b 口，液控换向阀1 3 和液控换向阀1 4 左位的e 口 和f 口，并进入动臂缸无杆腔，推动动臂动作，而动臂缸有杆腔压力油经过动臂 多路阀8 右位的a 口和t 口回到液压油箱；当工作装置下降时，动臂多路阀8 工 作在左位，变量泵2 输出高压油经过动臂多路阀8 左位的p 口和a 口，进入动臂 缸无杆腔，而动臂缸有杆腔压力油经过液控换向阀1 3 和液控换向阀1 4 左位的e 口和f 口，多路阀8 的b 口和t 口回到液压油箱。可以看出挖掘机在此工作模式 浙江大学硕士学位论文 液压挖掘机工作装置势能回收系统研究 下，蓄能器相关回路被堵死，蓄能器处于保压状态；先导压力控制系统中由于电 磁换向阀5 处于右位，定量泵3 输出的压力油经过电磁比例减压阀6 、电磁换向 阀5 调节变量泵排量的液压支路被堵死，那么定量泵输出压力油通过溢流阀4 回 油箱；变量泵的负流量控制口通过电磁换向阀5 与动臂多路阀8 的旁路回油流量 检测装置相通，并根据相应的检测压力调节变量泵排量，基本不影响原挖掘机负 流量控制特性。 混合工作模式当工作装置下降时，按系统设计要求需要回收工作装置的重 力势能，变量泵2 输出高压油经过动臂多路阀8 左位的p 口和a 口，进入动臂缸 有杆腔，而动臂缸无杆腔压力油经过液控换向阀1 3 和液控换向阀1 4 左位的e 口 和g 口、方向节流阀1 6 、单向阀1 8 ，向蓄能器1 5 补油，此时电液比例调速阀 2 0 关闭；此时先导压力控制系统的电磁换向阀5 位于右位，该先导系统的主油 路被堵死，同样定量泵输出流量通过溢流阀支路回油箱；变量泵负流量控口压力 来自多路阀8 的旁路回油流量检测装置，同样变量泵排量基本保持原系统的工作 特性。 当工作装置j 二升时，按系统设计要求需要释放回收的重力势能，控制器发出 信号打开电液比例调速阀2 0 ，将蓄能器中高压油与变量泵2 高压油混合输出经 过动臂多路阀8 庀位的p 口和b 口，进入动臂缸无杆腔，而动臂缸有杆腔压力油 经过液控换向阀1 3 和液控换向阀1 4 左位的e 口和f 口、动臂多路阀8 右位的a 口和t 口回到液压油箱，从而实现系统对蓄能器回收的重力势能二次利用；此时 先导压力控制系统的电磁换向阀6 位于左位，控制器发出信号开启电液比例减压 阀6 ，则定量泵输出流量经过电液比例减压阀6 、电磁换向阀5 与变量泵负流量 控制口相通，并调节变量泵排量，而多路阀8 旁路回油流量检测装置的压力信号 被电磁换向阀5 截断。 ( 2 ) 液压挖掘机工作装置势能回收系统特点分析 该液压挖掘机工作装置势能回收势能回收系统具有以下几个方面特点： a 、只通过控制液控换向阀1 3 和液控换向阀1 4 ，改变系统油路方向，实现系 统普通模式和混合模式的切换； b 、设置压力传感器1 9 ，防止蓄能器过充过排，同时设置安全阀1 7 和压力补 偿阀1 6 ，增加对蓄能器1 5 的机械保护，也可以削弱系统回路压