（车辆工程专业论文）电动叉车液压起升系统节能研究.pdf

中文摘要 中文摘要 随着经济的发展 近几年全球叉车需求量持续增长 电动叉车是叉车的一大 种类 在当前能源危机的情况下 随着世界叉车保有量的迅速增大 研制节能型 叉车已成为中国及世界叉车工业技术开发的新热点 因而研究节能型电动叉车具 有巨大的市场价值和现实的社会效益 本文针对电动叉车起升系统货叉下行时负载势能浪费的状况 进行了液压起 升系统的节能研究 使电动叉车起升系统在货叉下行过程中的负载势能充分回收 和储存 并在货叉上行过程中充分释放用以提升负载 从而达到节能的目的 该 系统采用节能系统中常用的皮囊式蓄能器作为能量储存装置 采用两个轴向柱塞 泵 马达和电动机同轴连接作为能量转换装置 实现了降低电动叉车装机功率和能 耗的目的 本文分析了电动叉车液压起升节能系统的工作原理 以合力c p d 3 0 型叉车为 背景阐述了电动叉车液压起升节能系统的设计原理 包括液压泵 马达 蓄能器和 电动机的选择 进行了理论能耗分析与节能计算 得到了电动机可以减少的装机 功率 节能系统节约的能量 节能系统的节能效率 在a m e s i m 4 2 0 环境下成功 建立了电动叉车液压起升系统的仿真模型 并对其进行了计算机仿真分析 在验 证了仿真模型正确的基础上 对仿真模型进行了进一步的仿真研究 研究了系统 主要液压元件参数变化对节能系统的影响 为合理地选择节能系统元件参数提供 了可靠的理论依据 本文从理论和仿真两方面对节能系统进行了详细 全面的研究 取得了一些 很有价值的结论 为指导进一步的研究工作提供了理论基础 关键词电动叉车 液压起升系统 节能 蓄能器 a m e s i m 仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y t h eg l o b a ld e m a n do ff o r k l i f t sh a sc o n t i n u e dt o i n c r e a s ei nr e c e n ty e a r s e l e c t r i cf o r k l i f ti so n et y p eo ff o r k l i f t s i nt h ec u r r e n te n e r g y c r i s i ss i t u a t i o n w i t l lt h er a p i di n c r e a s eo ft h ew o r l df o r k l i f tt o t a la m o u n t s m a k i n g e n e r g y s a v i n gf o r k l i f ts t u d yh a sb e c o m ean e w h o ts p o tf o rt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n to f f o r k l i f ti n d u s t r yi nc h i n aa n dt h ew o r l d s t u d yo ne n e r g y s a v i n ge l e c t r i cf o r k l i f th a s t r e m e n d o u sm a r k e tv a l u e sa n dr e a l i s t i cs o c i a lb e n e f i t s l 0 a dp o t e n t i a le n e r g yi sw a s t e dw h e nt h ef 0 r ko ft r a d i t i o n a le l e c t r i cf o r k l i f tl i f t i n g s y s t e mm o v e sd o w n w a r d s i nt h i sp a p e r t h ee l e c t r i c f o r k l i f t h y d r a u l i cl i f t i n g e n e r g y s a v i n gs y s t e mi ss t u d i e d t h ee n e r g y s a v i n gs y s t e mc a nr e t r i e v ea n ds t o r et h el o a d p o t e n t i a le n e r g yd u r i n gt h ef o r k m o v i n gd o w n w a r d sa n dt h e nr e l e a s ei td u r i n gt h ef o r km o v i n g u p w a r d s s oa st oa c h i e v et h ep u r p o s eo fs a v i n ge n e r g y t h ee n e r g y s a v i n gs y s t e mi n c l u d e s a na c c u m u l a t o rt h a ts t o r e sa n dr e l e a s e sp r e s s u r eo i lw h i c hi s c o m m o n l yu s e di n h y d r a u l i cs y s t e m a n da ne n e r g yc o n v e r s i o nd e v i c et h a tc h a n g e st h el o a dp o t e n t i a l e n e r g yi n t oo i lp r e s s u r ee n e r g y i no r d e rt oa c h i e v et h ea i mo fl o w e r i n ge l e c t r i cf o r k l i f t i n s t a l l e dm o t o rp o w e ra n de n e r g yc o n s u m p t i o n t h ee n e r g yc o n v e r s i o nd e v i c ec o n t a i n s t w op i s t o nh y d r a u l i cp u m p m o t o r sa n dam o t o r c o n n e c t e db yac o m m o ns h m i nt h i sp a p e r t h ew o r k i n gp r i n c i p l e so ft h ee l e c t r i cf o r k l i f th y d r a u l i cl i f t i n g e n e r g y s a v i n gs y s t e mp a p e ra r ea n a l y z e d a g a i n s tt h eb a c k g r o u n do fh e l ic p d 3 0 e l e c t r i cf o r k l i f t t h e d e s i g np r i n c i p l e s o ft h ee l e c t r i cf o r k l i f t h y d r a u l i cl i f t i n g e n e r g y s a v i n gs y s t e ma r ee l a b o r a t e do n i n c l u d i n g t h e h y d r a u l i cp u m p m o t o r s a c c u m u l a t o ra n dm o t o rs e l e c t i o n t h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fe n e r g yc o n s u m p t i o na n d e n e r g y s a v i n gc a l c u l a t i o na r eg i v e n t h er e d u c e di n s t a l l e dm o t o rp o w e r s a v i n ge n e r g y a n de n e r g y s a v i n ge f f i c i e n c yo ft h ee n e r g y s a v i n gs y s t e ma r eg i v e n u s i n ga m e s i m t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h ee l e c t r i cf o r k l i f th y d r a u l i cl i f t i n ge n e r g y s a v i n gs y s t e mi s s u c c e s s f u l l yb u i l ta n ds i m u l a t e d am o r ea c c u r a t ed y n a m i cs i m u l a t i o no fh y d r a u l i c s y s t e mi sa c h i e v e d b a s e do nt h ev e r i f i c a t i o no f t h ec o r r e c ts i m u l a t i o nm o d e l f u r t h e r s i m u l a t i o n s t u d y i sc a r r i e do u t t h ee f f e c t so ft h em a i nh y d r a u l i cc o m p o n e n t s p a r a m e t e r sc h a n g e so ne n e r g y s a v i n gs y s t e ma r es t u d i e d w h i c hp r o v i d e sar e l i a b l e t h e o r e t i c a lb a s i sf o rr e a s o n a b l ec h o i c e so fc o m p o n e n tp a r a m e t e r so ft h ee n e r g y s a v i n g s y s t e m 刀i ep a p e rr o u n d l yr e s e a r c h e st h ee n e r g y s a v i n gs y s t e mf r o m6 d 曲t h e o r ya n d i i i 山东大学硕士学位论文 s i m u l a t i o ni nd e t a i l a c h i e v e saf e wv a l u a b l ec o n c l u s i o n sa n dr e s u l t s p r o v i d e s t h e o r e t i c a lb a s i sf o rf u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d se l e c t r i cf o r k l i f t h y d r a u l i cl i f t i n gs y s t e m s a v i n ge n e r g y a c c u m u l a t o r a m e s i ms i m u l a t i o n i v 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本 论文不包含任何其他个人或者集体已经发表或撰写过的科研成 果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明 确方式标明 本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 老云霞 日期 沙哆f 纠 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留 使用学位论文的规定 同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版 允许论文被查阅和借阅 本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 杰矗莨导师签名 麴 日期 渺夕j 第1 章绪论 詈曼曼曼曼曼量曼曼曼曼量皇曼曼曼曼曼皇皇量蔓兰量曼量皇曼寰曼舅皇曼曼曼篁曼曼皇皇曼曼皇曼舅曼皇曼皇曼曼曼曼量曼量曼量曼喜量量皇量曼皇量量量曼量曼量量量曼量量量量皇曼 1 1 叉车行业发展概述 第1 章绪论 叉车是应用十分广泛的流动式装卸搬运机械 是物料搬运机械 国外称为工业 车辆或地面运输车辆 的一种 叉车又名铲车 万能装卸车或自动装卸车 它是由 在无轨底盘上加装专用装卸工作装置构成的 叉车广泛用于车站 港口码头 机 场 仓库以及工矿企业等部门 用来实现机械化装卸 堆垛和短距离运输 是物 流系统不可缺少的机械设备 1 9 1 7 年美国c l a r k 公司生产出世界上第一辆叉车 l 捌 从全球叉车行业的发展 周期看 叉车行业处于成熟期 1 9 9 0 年全球叉车销量达5 5 8 万台 达到历史最高 之后的几年中 由于西方经济的衰退 全球叉车销量基本保持在5 5 6 0 万台 进 入2 1 世纪之后 全球叉车销量开始走入上升通道 2 0 0 0 年达至t j 5 9 万台 2 0 0 1 年5 8 3 8 万台 2 0 0 7 年叉车年销量达至l j 9 0 7 万台 近几年 随着全球经济的发展 全球各地 区叉车需求量都在增加 目前 全世界大约有2 5 0 多家叉车生产企业 世界上三个 最大的叉车销售市场依次是欧洲 北美和亚洲 其中 欧洲和北美都是成熟的市 场 需求量已趋于稳定 亚洲是一个不断成长中的市场 在这个市场中中国的贡 献最大 我国的叉车生产是解放后才开始的 在5 0 年代先后由沈阳电工机械厂和大连 叉车厂分别仿制苏联产的1 5 t 平衡重式电动叉车和5 t 内燃叉车开始 随后生产厂家 与产品的产量和种类规格逐渐增多 7 0 年代形成规模 改革开放以来 国外叉车 制造商纷纷进入中国市场 林德 小松 现代 三菱 丰田 t c m 和海斯特等著 名制造商均在我国设立独资或合资公司进行叉车生产销售 外资的进入给整个行 业带来了良好的发展环境 提高了产品的科技含量 我国现有叉车生产厂家约1 0 0 余家 主要企业5 0 余家 产品品种达1 0 0 0 余种 已形成以安徽叉车集团公司 杭 州叉车有限公司为主的重点企业 3 我国叉车行业产销量连续几年持续增长 2 0 0 7 年叉车行业保持了强劲发展态势 年销量达1 5 2 4 1 5 台 我国叉车行业1 9 9 9 2 0 0 7 年 销量对比如图1 1 所示 4 5 我国叉车销量年增长率如图1 2 所示 根据叉车行业统 计的数据显示 中国叉车行业发展平稳 呈现理性增长 目前我国叉车已形成了 山东大学硕十学位论文 相对集中的市场格局 初步形成高 中 低三个层次 中高端 高端市场被以林 德为代表的跨国巨头占领 中端 中低端市场以安徽合力叉车和杭州叉车等为主 导 低端市场以浙江如意 虎力等民营企业为首 格局基本稳定 从目前市场来 看 中低端占据着国内市场 从长远发展来看 中国叉车行业必将走向技术化 高端化 随着国民经济的发展 各行各业对叉车的需求量逐年增加 尤其是近几 年物流热刺激市场需求 叉车市场拓展空间巨大 图1 11 9 9 9 2 0 0 7 年中国叉车市场销量对比 图1 22 0 0 0 2 0 0 7 年中国叉车销量增长情况 叉车按构造特点分为直叉平衡重式 插腿式 前移式以及各种特种叉车等 其中平衡重式叉车是使用最广泛 用量最大的品种 叉车按动力装置可分为内燃 叉车与电动叉车两大类 内燃叉车发动机功率大 作业速度快 爬坡能力强 但 是内燃叉车振动和噪音都很大 排气污染也较严重 电动叉车主要以蓄电池为动 力 也称电瓶叉车 它振动小 噪音低 不会排出有害气体而污染环境 外形比 相同规格的内燃叉车小 使用成本低 操作灵活 特别适合于在工作环境清洁性 要求很高的室内 车站 港1 3 机场 工厂和密集型仓库内使用 6 7 j 发达国家使 用电动叉车的比例在逐年上升 产量约占叉车总产量的4 0 德国 意大利等一些 西欧国家的电动叉车所占比例达到7 5 美洲电动叉车也占叉车总量的5 1 且有 不断增长的趋势 我国电动叉车的使用比例与发达国家比较还有很大差距 仅占 2 4 左右 8 以2 1 图1 3 为2 0 0 0 2 0 0 7 年电动叉车销量情况 图l 4 为2 0 0 0 2 0 0 7 年电动叉 车销量占叉车销量的百分比 从图中可以看出 近几年电动叉车销量逐年增长 增速平稳 根据 b p 世界能源统计 提供的数据 1 3 1 2 0 0 3 年世界石油总储量约为 2 第1 章绪论 1 1 5 万亿桶 在全球石油储量不断增长的前提下 以日前的开采速度计算 全球的 石油储量可供生产4 1 年 从i e a i n t e r n a t i o n a le n e r g ya g e n c y 的有关数据我们知道 目前我国已位于全球第二大石油消耗国 14 至0 2 0 l o 年我国将成为全球最大石油 消耗国 1 6 1 7 1 可想而知 石油在未来会面临严重的供给约束 在以后较长的一段 时间 随着石油供应短缺的局面将会越来越严重 石油的紧缺将成为限制汽车 内燃叉车使用的主要因素 随着国内用户健康环保意识的增强 国家节能减排政 策实施力度的加大 以及医药 食品等重点对车辆环保性能要求更高的行业中叉 车普及率进一步提高 中国电动叉车市场势必得到空前增长 所以对电动叉车的 研究和开发成为当务之急 目前全球汽车巨人正联合致力于电动汽车的研究 电 动汽车的动力 传动 控制 安全等技术在叉车上的应用 将会使电动叉车整机 性能有一个质的变化 图1 32 0 0 0 2 0 0 7 年中国电动叉车销量对比图1 4 中国电动叉车销量占叉车销量的百分比 叉车市场的激烈竞争促进了叉车技术的发展 现代叉车设计中正在大量地 不断地应用各种新技术 提高产品的性能和品质 以满足市场的需要 现代叉车 技术发展的主要趋势是 充分考虑舒适性 安全可靠性和可维护性 产品专业化 系列化 多样化 大量应用新技术 完善操控系统 重视节能和环保 全面提升 产品的性能和品质 3 l l 1 2 叉车节能技术 节约能源 保护环境一直是当今社会最关心的热点问题 随着世界叉车保有 量的迅速增大 研制节能型叉车已成为中国及世界叉车工业技术开发的新热点 国内外叉车企业围绕叉车节能降耗已经做了很多工作 各种节能型叉车相继推出 3 越求恤窨 翠排以凄衄 摹褂以蒋哥 山东大学硕士学位论文 大致分以下两个方面来介绍 1 2 1 内燃叉车节能技术 为提高产品的节能效果和满足日益苛刻的环保要求 这方面的研究主要集中 在如何降低发动机的燃油消耗上 1 采用新技术降低发动机油耗 丰田4 y e c s 电 子控制新型汽油发动机采用电子控制燃料喷射系统和三元排气净化装置 降低了 发动机的燃油消耗1 17 2 设计液压系统时考虑降低系统的功率损失 降低发动机 的燃油消耗 合力g 系列叉车通过优化液压管路设计 降低管路的压力损失 通过 系统压力的调整及负荷传感技术的应用 进一步降低液压系统的工作温度 同等 情况下的试验表明 g 系列叉车的液压油温能降低5 8 从而降低了发动机的燃 油消耗f 1 7 捌 1 2 2 电动叉车节能技术 随着电子技术的不断发展 电动叉车这一集电子技术和机械制造技术于一体 的产品发展速度日新月异 国内外大型叉车企业围绕电子技术展开了节能方面的 研究 大体分为以下六种节能技术1 2 0 2 1 1 1 交流驱动技术瞄 2 3 目前此项技术处于起步阶段 交流电机运用于叉车具 有以下特点 一是叉车运行速度高 工作装置起升速度高 二是由于它采用高效 控制器及具有再生制动功能 因此比传统直流电机叉车可节能3 0 三是全封闭电 机 轴承及多盘制动器免维护 目前 采用交流驱动控制技术的叉车企业主要有 丰田 b t r a y m o n d 林德 永恒力和克拉克公司 以丰田a c 交流动力系统为例 与丰田公司以往车辆相比 行驶速度提高了3 0 装卸速度提高了6 5 延长有效 工作时间4 0 在动力再生制动功能中 有停止加速再生功能 刹车再生功能 前 后转向再生功能 坡道再生功能 因此大大地节约了动力能源 但交流电机与电 控匹配还有很多技术难点需要不断克服和解决 2 液压泵电机控制技术 采用液压泵电机控制器 可设定电机转速 控制货 叉速度 实现门架其升 前进 后退的无级调速 可节能约2 0 如t c m 蓄电池叉车 已采用 我国合力叉车也已采用 3 制动能量再生技术 近年来 国外一些电动叉车开始配有制动能量回收装 置 制动能量再生电子系统 以林德e 2 0 为例 当初次或轻轻踩下制动器时 牵 4 第1 章绪论 引电机变成一台发电机 将电能补充回电瓶 这种制动系统延长了每次充电后的 工作时间 一般可延长5 l o 同时减少了机械制动器的磨损 降低了使用成 本 对于频繁起制动的叉车来说尤为重要 4 负载势能回收技术 目前 国外一些技术先进的国家生产的叉车已经具有 利用货物下降时的势能来进行补充电能以延长蓄电池使用周期的措施 可节能5 5 电子转向技术 采用电子转向系统与动力转向系统相比可节能2 5 它可 根据叉车使用工作状况 适时控制电机转速 是叉车节能降噪的有效措施 6 液压脉冲控制技术 液压泵脉冲控制器能够根据液压回路的反应 自动平 衡电机速度与用油量 从而节约电能 1 3 课题提出的背景及意义 叉车起升机构由起升油缸 滑轮 起重链条 叉架等组成 叉架用来安装货 叉 或其他取物装置 货物的重力以及货叉和叉架的重力由起重链条支持 起重 链条的前端与叉架连接 其后端固定在外门架上 或油缸体上 门架是起升机构 的骨架 是叉架运动的导轨 滑轮轴安装在起升油缸活塞的上部 滑轮通过轴承 空套在滑轮轴上 可以自由转动 这样就构成了以链条为挠性件的省时滑轮组 在液压力推动下 起升油缸活塞上升时 滑轮轴一同上升 滑轮则边上升边转动 代动链条前端上升 使叉架连同货叉和货物上升 当油缸内液压油通油箱时 在 货物重力及货又和叉架重力的作用下 迫使油缸活塞下降 叉架和货物也随之下 降1 2 4 2 5 1 电动叉车液压起升系统工作过程 货叉起升时 电机做功 带动液压泵使液 压油流入起升油缸 在液压力推动下 起升油缸活塞上升 当起升油缸内液压油 通油箱时 在货物重力及货叉和叉架重力的作用下 迫使起升油缸活塞下降 叉 架和货物也随之下降 以叉车堆垛货物为例 出现机率最高的工序是 将货物从 高处取下 然后将其堆垛至另一个方位的货架 步骤为 叉车将货物从高处取下 然后降至最低点 叉车进入行驶状态 到指定位置制动 再将货物举升或放置 叉车承载货物从高点降至最低点这个过程中 液压油自起升油缸流回至油箱 即 货叉下降时 负载势能 货物 货叉 叉架和内门架的势能 转化为液压油的内能 被损失掉了 5 山东大学硕十学位论文 如何有效的将电动叉车货叉下降时浪费的负载势能回收并再利用是本课题研 究所在 以达到节能的目的 目前应用液压蓄能器是液压节能系统中普遍采用的 方法 这方面的研究主要有 1 回收车辆制动能量 国夕l m a n n e s m a n nr e x r o t h v o l v o m i t s u b i s h i 公司都曾开发使用过液压储能的公共汽车混合动力驱动系统 国 内北京理工大学 湖南大学 山东理工大学等也做了这方面的研究 公共汽车节 油率可超过3 0 2 5 1 2 回收电梯下行重力势能 自1 9 9 8 年来浙江大学一直在做 这方面的研究 成绩显著p 6 4 0 3 回收液压抽油机下冲程阶段势能 哈尔滨工业 大学针对油田采油所做的节能研究己成功用于实剐4 3 4 回收液压挖掘机转台 制动能量 如小松大型挖掘机上的小松k h e r 系统m 4 5 1 这些研究证明液压蓄能器 用来做能量回收装置效果很好 因而利用蓄能器作为储能元件 将电动叉车货叉 下降时浪费的负载势能回收并再利用是可行的 蕊对能源危机 节能型叉车符合发展趋势 叉车在全球的数量巨大 因而研 究叉车的节能方法具有巨大的市场价值和现实的社会效益 虽然采用蓄能器节能 在叉车上还没有成熟的应用方法 可以肯定的是采用蓄能器来回收叉车负载势能 的方案具有非常好的工程应用前景 1 4 本文的主要工作和内容安排 本文对电动叉车起升节能系统进行研究 采用液压储能技术实现电动叉车起 升系统货叉下降时负载势能回收并在货叉上升时再利用 提出系统设计方案 对 节能系统进行能耗分析 得出该节能系统的节能效率 利用a m e s i m 仿真软件对 节能系统的运行过程进行仿真分析 利用a m e s i m 仿真软件对节能系统的仿真模 型做进一步的仿真研究 分析某些元件参数对节能系统节能效果的影响 本文的章节内容安排如下 第一章简述叉车的发展概况 当前国内外叉车节能方面的研究现状 提出课 题的研究意义 第二章制定电动叉车液压起升系统的节能方案 针对不同运行工况 进行电 动叉车液压起升节能系统节能原理分析 第三章进行电动叉车液压起升节能系统的分析设计 对节能系统进行理论计 算 确定元件参数 分不同运行工况对节能系统进行能耗分析 节能计算和能量 6 第1 章绪论 i l l 转换装置 电机 液压泵 马达 轴上的力矩分析 第四章利用a m e s i m 软件对所设计的节能系统进行仿真建模与仿真分析 对 比仿真结果与理论计算结果 说明节能方案的正确性 第五章利用a m e s i m 软件对节能系统仿真模型进行仿真研究 分析单向节流 阀对节能系统的动态影响 分析节能系统主要元件参数变化对节能系统的影响 主要研究蓄能器和液压泵 马达参数变化对节能系统的影响 7 山东大学硕士学位论文 第2 章电动叉车液压起升节能系统节能原理分析 2 1 传统电动叉车负载势能回收系统节能原理 前面提到 国外一些技术先进的国家生产的叉车已经具有把利用货物下降时 的势能来进行补充电能而延长蓄电池使用周期的措施 一般可节能5 e 1 2 1 国外这 些势能回收的技术大致如图2 l 所示 回收原理是 货物下降时 液压泵变为液压 马达 电动机变为发电机 将负载的势能转化为电能对蓄电池充电 把电能转化 为化学能 这种能量回收系统存在能量转换过程效率低的问题 4 6 1 图2 1 蓄电池回收势能示意图 2 2 采用蓄能器的电动叉车液压起升节能系统节能原理 采用蓄能器回收负载势能是本课题研究的电动叉车起升系统所用的能量回收 方式 将负载势能转化为液压能储存起来 与前面提到的蓄电池回收负载势能所 不同 蓄电池卜一直流电机卜叫液压泵 马达2 卜 叫起升油缸h 势能 液压泵 马达1h 液压能h 蓄能器 图2 2 蓄能器回收势能示意图 2 2 1 采用蓄能器节能技术的发展 蓄能器是在液压系统中储存和释放压力能的元件 它在液压系统中的应用主 要分为储蓄液压能用和缓和冲击及消除脉动用 4 7 1 2 0 世纪三四十年代 液压技术快速发展 并且在短时间内 液压设备以其独 有的优势在很多领域内迅速与电器设备 机械设备并驾齐驱甚至取代了这些设备 因此对于蓄能器的研究也一直受到重视 并在理论创新和技术应用两个方面取得 了很多成绩 从2 0 世纪7 0 年代开始 研究人员开始注重蓄能器基础理论 诸如参 8 第2 章电动叉车液压起升节能系统节能原理分析 数选择公式和频率计算公式 等的研究 并不断使其发展和完善 7 0 年代末期 汽 车节能技术的发展推动了蓄能器和蓄能器节能技术的研究 利用蓄能器在液压系 统中节能的功用开始引起重视 8 0 年代 蓄能器的结构 种类 形式及功用开始 多样化 研制各种类型的蓄能器成为主要研究内容 9 0 年代 新型计算机软件 硬件和控制技术的发展为液压系统和智能型液压元件的研究提供了先进的研究工 具和研究手段m 引 现在蓄能器各方面的研究理论与应用比较成熟 蓄能器在液压 系统节能设计中是普遍采用的方法 2 9 1 1 3 1 3 6 1 4 1 1 4 9 5 1 1 2 2 2 本文负载势能回收方式与传统负载势能回收方式的比较 传统负载势能回收方式为蓄电池储能 以电能方式储存能量 蓄电池储能功 率密度低 充放电频率小 不能迅速转化吸收大量功率 不利于负载频繁变化的 叉车起升系统进行能量回收和利用 本文负载势能回收方式为液压储能 以液压能的方式储存能量 液压蓄能器 将能量吸收为压力能来储存能量 其损失只取决于温度变化过程 当温度趋于稳 定一致时 其损失为零 因此液压蓄能器的能量损失是较小的 液压蓄能器储能 的优点是功率密度比蓄电池储能的功率密度大 能迅速转化吸收大量功率 2 6 1 1 4 2 1 本文蓄能器能在起升液压缸上行的短时间内提供所需要的足够能量 易于实现液 压能与势能的相互转化 同时 液压蓄能器储能可较长时间储能 部件技术成熟 工作可靠 整个系统实现技术难度小 便于实现商业化应用 2 2 3 节能系统工作原理 图2 3 为电动叉车液压起升节能系统 l e s 的工作原理图 电动叉车起升系 统的工作周期分为两部分 即货叉上行过程和下行过程 节能系统中心思想如下 通过蓄能器和由蓄能器回路液压泵 马达1 主回路液压泵 马达2 同轴刚性连接的电 动机3 组成的能量转换装置 可以在货叉上行过程中 为主回路电机轴提供附加动 力 而在货叉下行过程中将负载以及叉架 货叉 内门架的势能通过能量转换装 置转换为压力能储存在蓄能器中 下面根据叉车负载情况 按空载 半载 满载三种典型工况完整描述本课题 电动叉车液压起升节能系统节能原理 1 空载上行 9 山东大学硕七学1 1 c 7 论文 将换向阀及起升电动机开关调至上行位置 蓄能器回路液压泵 马达1 工作在 马达 工况 向电机轴提供驱动货叉上行的驱动力矩 主回路液压泵 马达2 工作 在 泵 工况 由于液压缸负载力矩小 而蓄能器回路提供的附加力矩大 如果 蓄能器提供的附加力矩减去液压缸负载力矩后 还能够提供力矩来完成起动加速 过程 则电动机正向转动处于空载制动状态 不输出功率 液压泵 马达2 1 作在 泵 工况正方向转动 当出口压力大于负载压力时 顶开单向阀 推动货叉加速上行 因为电动机转速恒定 加速完成后货叉匀速上行至用户所需要的高度 1 蓄能器回路液压泵 马达l2 主回路液压泵 马达23 电机4 补油泵5 补油电机 6 蓄能器7 起升液压缸8 单向节流阀9 主回路换向阀l o 溢流阀1 1 单向阀 1 2 蓄能器回路换向阀1 3 补油刨路换向阀1 4 压力表1 5 过滤器1 6 油箱 图2 3 电动叉车液压起升节能系统原理图 2 半载上行 将换向阀及起升电动机开关调至上行位置 蓄能器回路液压泵 马达1 工作在 马达 工况 向电机轴提供驱动货叉上行的驱动力矩 主回路液压泵 马达2 1 作 在 泵 工况 由于负载较重 而蓄能器回路提供的驱动力矩不足 电动机正向 转动处于工作状态 输出功率 液压泵 马达2 工作在 泵 工况正向转动 当出口 压力大于负载压力时 顶开单向阀 推动货叉加速上行 因为电动机转速恒定 加速完成后货叉匀速上行至用户所需要的高度 由于随着货叉上升高度的增加 蓄能器提供的附加力矩逐渐减小 电动机的工作状态和输出功率可能是在变化的 l o 第2 章电动叉车液压起升节能系统节能原理分析 i ii 鼍曼皇量曼曼皇曼量曼曼皇曼曼量曼曼曼曼曼曼皇皇曼皇曼曼曼皇皇鼍曼曼曼量曼曼舅 皇曼曼曼皇曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼皇皇曼曼量量量量量曼曼皇皇蔓量曼量曼量曼量量量 3 满载上行 将换向阀及起升电动机开关调至上行位置 蓄能器回路液压泵 马达l 工作在 马达 工况 向电机轴提供驱动货叉上行的驱动力矩 主回路液压泵 马达2 1 作 在 泵 工况 由于负载重 而蓄能器回路提供的驱动力矩不足 电动机正向转 动处于工作状态 输出功率 液压泵 马达2 1 作在 泵 工况正向转动 当出口压 力大于负载压力时 顶开单向阀 推动货叉加速上行 因为电动机转速恒定 加 速完成后货叉匀速上行至用户所需要的高度 4 空载下行 将换向阀及起升电动机开关调至下行位置 主回路液压泵 马达2 1 作在 马 达 工况 电动机反向转动 蓄能器回路液压泵 马达l 工作在 泵 工况 由于货 叉下行的势能作用在电机轴上产生的驱动力矩不足以克服蓄能器回路的阻力力 矩 电动机必须提供与货叉下行的势能力矩同方向的驱动力矩 使货叉加速下行 由于有节流阀的作用 完成加速后货叉匀速下行至用户所需要的高度 液压泵 马 达l 工作在 泵 工况反向转动 当出口压力大予蓄能器内油液压力时 顶开单向 阀 使压力油储存至蓄能器中 5 半载下行 将换向阀及起升电动机开关调至下行位置 主回路液压泵 马达2 1 作在 马 达 工况 电动机反向转动 蓄能器回路液压泵 马达l 工作在 泵 工况 电动机 工作状态可能出现以下两种情况 1 液压缸负载力矩大于蓄能器回路提供的阻力矩货叉下行 电动机处于空载制 动状态 不输出功率 2 液压缸负载力矩不足以克服蓄能器回路提供的阻力矩货叉下行 还需要电动 机提供附加力矩 电动机处于工作状态 输出功率 由于有节流阀的作用 完成加速后货叉匀速下行至用户所需要的高度 液压 泵 马达1 反向转动工作在 泵 工况 当出口压力大于蓄能器内油液压力时 顶开 单向阀 使压力油储存至蓄能器中 6 满载下行 将换向阀及起升电动机开关调至下行位置 主回路液压泵 马达2 i 作在 马 达 工况 电动机反向转动 蓄能器回路液压泵 马达1 工作在 泵 工况 由于是 山东大学硕十学位论文 重载 液压缸负载力矩大于蓄能器回路提供的阻力矩货叉下行 电动机处于空载 制动状态 不输出功率 由于有节流阀的作用 完成加速后货叉匀速下行至用户 所需要的高度 液压泵 马达l 反向转动工作在 泵 工况 当出口压力大于蓄能器 内油液压力时 顶开单向阀 使压力油储存至蓄能器中 2 3 节能定义 节能 从能源的角度就是节约能源消费 即从能源生产开始 一直到最终消 费为止 在开采 运输 加工到转换 利用等各个环节上都要减少损失和浪费 提高其有效利用程度 节能 从经济的角度就是通过合理利用 科学管理 技术 进步和经济结构合理化等途径 以最少的能耗取得最大的经济利益 节能包括两 方面内容 一是节约能源 在能源的开采 开发 运输 储藏过程中 尽可能减 少不必要的损失 从源头杜绝浪费 节约天然资源 二是节约能量 在能源的转 换 利用过程中 不断提高能源转换效率 做到物尽其用 5 2 1 能源利用效率是衡量能量利用技术水平和经济性的一项综合性指标 它是指 能源中具有的能量被有效利用的程度 通常以叼表示 叩 罢x 1 0 0 l l 钋瑚 p 式中彳 有效利用能量 伊础给能量 c l 一损失能量 节能的目的是提高能源利用效率 一切能源的利用过程本质上都是能量的传 递和转换过程 能源有效利用的实质是 在热力学原则的指导下提高能量传递和 转换效率 做到最经济 最合理地利用能源 充分发挥能源的利用效果 为了提高能源利用效率 利用先进的科学技术 对现有的生产方法 生产流 程 生产工艺 生产设备等进行改建或者改造 是当前节能工作的主要内容 2 4 本章小结 l 对传统电动叉车负载势能回收系统节能原理进行了介绍 2 指出蓄能器节能技术的优点 制定了电动叉车液压起升系统的节能方案 1 2 第2 章电动叉车液压起升节能系统节能原理分析 对本文所研究的电动叉车液压起升节能系统原理进行了介绍 以三种工况 空载 半载 满载 分别进行了系统的工作原理分析 3 介绍了节能的定义 山东大学硕 学位论文 第3 章电动叉车液压起升节能系统的分析设计 3 1 起升机构的运动和受力分析 叉车起升机构的简图如图3 1 所示 在液压力推动下 起升油缸顶起滑轮 带动链条 链条牵引叉架 使叉架升降 从而实现货叉和货物的升降动作 由于 滑轮组的作用 货物的升降高度 即叉 架 货叉的升降高度 总是液压缸活塞行 程的两倍 升降速度也保持这种关系 2 4 1 即 h 2 s 图3 1 叉车起升机构运动简图 式中办 货物起升高度 m s 液压缸活塞行程 r n v 2 v 式中1 货物升降速度 州s k 液压缸活塞杆升降速度 m s 忽略叉架沿内门架运动的阻力 内门架沿外门架运动的阻力 1 0 0 粗略计算单个液压缸活塞起升时所需的顶推力为 委 2 m 2 m c m g 式中m 负载 货物 的质量 k g 丝 货叉和叉架的质量 k g 坂 内门架的质量 蚝 g 重力加速度 取9 8 活塞所受负载静压力为 f 三 2 m 2 m m g p r 2 一a2 r 一 1 4 3 1 3 2 计滑轮组效率 3 3 3 4 第3 章电动叉车液压起升节能系统的分析设计 本课题以合力c p d 3 0 型电动平衡重式叉车为研究对象 其主要技术参数如表 3 1 所示 5 3 1 表3 1c p d 3 0 型电动平衡重式叉车主要技术参数 额定起重量3 0 0 0 k g 载荷中心 5 0 0 m m 最大起升高度h 3 3 0 0 m m 起升速度 2 4 0 m m s 门架高度 2 2 0 0 m m 外形尺寸 长 宽 高 3 6 4 5 1 2 2 5 2 3 5 0 m m 起升电机功率 1 0 k w 行走电机功率 1 0 k w 转向电机功率 0 7 5 k w 叉车质量 4 7 0 0 k g 起升液压缸缸径d 5 6 r a m 活塞杆直径d 4 5 r a m 货叉厚度 长度 宽度 4 5 1 0 7 0 1 2 5 m m 起升液压泵排量 1 6 m l r c b t d f 416 a f h 额定转速 2 5 0 0 f f m i n 容积效率 o 9 液压缸最大工作压力的计算 满载时吩 3 0 0 0 k g m 2 8 2 k g 坂 15 0 k g 由公式 3 3 满载时单个液压缸活塞起升时所需的顶推力 f 3 0 0 0 吾 2 3 0 0 0 2 2 8 2 1 5 0 9 8 吾 6 5 7 9 7 2 3 2 8 9 8 6 n 液压缸的活塞有效工作面积为彳 型呈 三蔓掣 o 0 0 2 4 6 3 m z 44 由公式 3 4 液压缸最大工作压力p 一 手 淼 1 3 3 5 7 1 m p a 3 2 液压起升节能系统主要元件参数的确定 电动叉车液压起升节能系统参数 主要是由执行元件液压缸的工作参数确定 1 5 山东大学硕十学位论文 的 对本文所涉及的液压系统来说 有6 个关键元件 即液压泵 马达l 液压泵 马达2 补油泵 蓄能器 电动机 补油电动机 这6 个元件参数的选择不同 将 导致节能效果不同 3 2 1 液压泵 马达1 和液压泵 马达2 的选择 1 液压泵 马达的选择 从能量转换的性质来说 液压泵 液压马达的功能完全相反 两者结构上并 无原则上的区别 液压泵与液压马达从原理上讲是可逆式机械 即将液压油通入 液压泵 就可以变成液压马达 但是 若要液压泵作为液压马达来工作 结构上 必须要求液压油能够反向流动 由于液压泵和液压马达的工作特点不同 因而在 具体的结构细节上仍然存在不少差别 可以归纳为以下几点 5 4 5 6 1 液压马达输出轴的转向必须能正转和反转 因而要求其内部结构对称 2 液压马达速度范围需要足够大 特别对它的最低稳定转速有一定的要求 3 液压马达要求有较大的启动转矩 4 液压泵有自吸性能要求 5 液压马达除了进 出油口外 还有单独的泄漏油口 本课题节能系统中采用的两个液压泵 马达可逆元件的特点如下 1 需要正反 方向旋转 其中一个方向旋转可作为液压泵工作 另外一个方向旋转作为液压马 达工作 2 高压油口和低压油口在系统中是固定不变的 即不要求互换 上述两个 特点决定了在闭式静液压传动系统中广泛使用的双向泵无法满足要求 在实际应 用中 除了轴向柱塞泵与马达可以互逆使用外 其他的都不可以i s 4 针对本课题节能系统的具体特点和市场上成熟马达产品的情况 重点研究柱 塞泵 马达在本课题节能系统中的适用性 液压泵流量 q q 疗 叼 1 0 岫 6 0 3 5 式中g 起升液压泵的排量 m l r 甩 起升液压泵的额定转速 r m i n 叩 起升液压泵的容积效率 液压马达流量 1 6 第3 苹电动叉下液压起升节能系统的分析设计 q q 以 1 0 6 6 0 叩 3 6 式中g 起升液压马达的排量 m l t 珂 起升液压马达的额定转速 r m i n 7 起升液压马达的容积效率 由公式 3 5 原起升液压泵的流量q 一1 6 x 2 5 0 0 x o 9 xl o 6 6 0 0 0 0 0 6 m 3 s 去q 三 0 0 0 0 6 2 原系统活塞杆所能达到的最大起升速度1 s 一 寺 百面丽 0 1 2 1 8 m s 由公式 3 1 液压缸活塞杆行程为s 去厅 去 3 3 0 0 4 5 1 6 2 7 5 m 货物提升帆货叉上行悯 毒 篇1 2 1 3 3 6 s a s 咄 u i 葛 由公式 3 2 原系统能达到的最大起升速度1 一 o 1 2 1 8 x 2 0 2 4 3 6 m s 以此原叉车最大起升速度为依据选择液压泵 马达2 通过对比选择计算 最后确定上海高压油泵厂的2 5 c y l 4 1 b 为液压泵 马达2 北京华德液压工业集团有限公司的a 2 f 1 0 为液压泵 马达l 2 货叉能达到的最大起升速度及最大下降速度 由公式 3 5 液压泵 马达2 做液压泵时的最大流量为 q 2 2 5 x 1 5 0 0 x 0 9 2 x 1 0 6 0 o 0 0 0 5 7 5 m 3 s 翻 二 0 0 0 0 5 7 5 一 活塞杆所能达到的最大上升速度1 s 嘲2 专r j 蔽丽 0 1 1 6 7 m s 由公式 3 2 节能系统能达到的最大起升速度1 一 0 1 1 6 7 x 2 0 2 3 3 4 m s 可见 节能系统的最大起升速度与原系统的最大起升速度0 2 4 3 6 m s 接近 货物提升州货叉上行 扣毒 器 1 3 9 5 s 1 5 m u o 由公式 3 6 液压泵 马达2 做液压马达时的最大流量为 q 2 2 5 1 5 0 0 x 1 0 6 6 0 0 9 2 o 0 0 0 6 5 8 m 3 s 吉q 2去 0 0 0 0 6 5 8 活塞杆所能达到的最大下降速度1 s 懈 兰r 2 2 瓦丽 0 1 3 3 6 m s 1 7 山东大学硕十学位论文 货物下降恻货叉下行 罴