负载下的液压挖掘机大臂势能回收系统设计

程晓融+贺利乐+张平+杨明宇

摘要：针对目前普通挖掘机存在的工作装置下放时势能无法回收，造成能量损失以及因系统发热而降低液压系统的可靠性和寿命等问题，设计了一种势能回收系统。通过ADAMS软件进行动力学分析，获得了动臂在下降过程中液压缸所受的动态负载曲线，将其施加到能量回收系统试验台，以研究在此过程中动臂下降的稳定性以及能量回收效率。仿真结果表明，该系统回收效率较高，可控性好，还可有效地减少环境污染，延长机械的使用寿命。

关键词：液压挖掘机；能量回收；动态负载；仿真

中图分类号：U415.51文献标志码：BDesign of Booms Potential Energy Recovery System for Hydraulic

0引言

近年来，随着基础设施建设力度在全国各地的加大，挖掘机在道路、建筑、水利及矿山等工程领域的应用日益增多，成为了目前应用最广泛的工程机械之一，但同时它也是一种耗油高、排放差、对环境污染严重的工程机械[12]。普通挖掘机20 s内就可以完成一个工作循环，在每个循环中，动臂、斗杆和铲斗等都有一次下降，在此过程中产生的势能除了少部分以动能的形式继续存在外，其余的大都以热能的形式耗散[3]，若不对这部分势能加以回收，将造成液压系统的发热，降低液压系统的可靠性和寿命。所以对动臂、斗杆和铲斗等下降的势能进行回收，对延长挖掘机的寿命、提高能量的利用率具有重要意义[4]。

目前，国内外学者对于液压系统的势能回收已经有了一定的研究，也取得了相应的成果。瑞典Innas公司将液压变压器应用于挖掘机液压系统中，回收回油的液压能[5]；美国卡特比勒公司和新卡特比勒三菱株式会联合提出了一种可以用于势能回收的液压系统[6]。在国内，张彦庭采用配合油电混合动力驱动系统的方法开展液压马达能量回收[7]；吉林大学陈明东提出了以铲斗中分别盛装不同重量的重物来研究动臂变负载下的能量回收效率[8]。但现有势能回收问题研究中，都没有考虑挖掘机在实际工作中单次动臂下降过程中液压缸受力是一个动态过程，而是分别用某几个恒定的力来模拟动臂液压缸所受到的外负载，这显然与挖掘机实际工作状况不符；另外对于动臂下降的稳定性对其势能回收的影响也缺乏分析研究。针对上述问题，本文根据挖掘机的实际工作状况，结合所设计的动臂能量回收试验系统，进行基于动态负载的液压挖掘机动臂势能回收系统仿真研究。

1挖掘机动臂势能回收

液压挖掘机动臂系统是涵盖了机械、电子、电气、液压以及测控系统在内的一整套综合系统。对其进行建模并分析时需要多种软件的配合，如SimulationX、Solidworks和ADAMS等的协作仿真。

1.1液压挖掘机工况分析

液压挖掘机的工作过程呈现循环往复的周期性特点，最为典型的工作循环主要由以下工况组成：挖掘工况、满斗举升回转工况、卸载工况、空斗返回工况。如图1所示，可见驱动机构液压泵的需求转矩呈周期、规律、突变特性，其中一个周期约为15 s。其中，0～2 s为动臂下降阶段，此时可以回收动臂势能，2～5 s为挖掘作业阶段，5～9 s为带载提升阶段，9～12 s为带载回转阶段，12～15 s为卸载回转阶段[9]。

1.2动臂势能回收系统原理

普通挖掘机工作时，在动臂下降阶段，动臂液压缸无杆腔中的压力油通过多路阀后，直接流回油箱，其下降速度由多路阀回油口的开度来控制。在此过程中，动臂下降产生的势能除了少部分转化成动臂的动能外，其余大都将通过节流消耗在多路阀阀口上，以热能的形式耗散，这种能量损失不仅降低了燃油的经济性，而且转化成的热能还会降低液压系统的可靠性和寿命。

为了解决大量动臂势能损失问题，本文提出一种新型动臂节能系统，系统原理如图2所示。

2液压挖掘机刚性动力学分析

在现有对势能回收的研究中，存在的关键问题是没有考虑单次动臂下降过程中液压缸受力状态是一个动态过程，而是以某几个恒定的力来分别模拟动臂液压缸所受到的外负载，这显然不符合挖掘机实际工作情况。本文运用ADAMS软件对挖掘机动臂下降过程进行仿真，将得到的液压缸所受的动态负载曲线，施加到能量回收系统试验台，研究在此过程中的能量回收效率。

2.1液压挖掘机的三维建模

根据某型号液压挖掘机设计图纸的要求，在Solidworks中建立各部件的三维实体模型并进行装配，再导入ADAMS，从而获得建立其运动学微分方程所需要的零件质心的位置、质量及转动惯量等参数。ADAMS中建立的三维模型如图3所示。

2.2动臂下降过程受力仿真

仿真过程采用标准的挖掘流程：挖掘—提升—旋转—下降—放铲—旋转回位。本次研究对象的铲斗容量为02 m3，以Ⅳ级土为挖掘对象，容重为20 000 N·m-3，可算出挖掘结束后满载铲斗的重力是40 kN。设定动臂首先从挖掘位置满斗上升至最高点，这一过程为0～7 s，然后7～95 s为动臂满斗的下降过程，即动臂、斗杆和铲斗复合动作从最高点下降至卸料起始点，动臂液压缸活塞下降032 m，耗时25 s。

针对该仿真过程，可以从后处理模块PostProcessor中获得动臂液压缸受力点的受力曲线，如图4所示。由此可证明，动臂在下降过程中由于自身重力、部件之间的连接以及液压油所受压力变化等因素存在刚性冲击，受力会有波动或者突变。

3挖掘机动臂势能回收仿真与分析

3.1基于SimulationX的液压系统仿真模型的建立

运用SimulationX软件对图2所示的动臂势能回收系统，建立仿真模型如图5所示。在模型中，外载荷由质量模块mass以及外加力模块source施加，动态负载由curve1模拟。仿真中液压缸的目标下降速度设定为04 m·s-1，由sensor、curve2、function2、function3、、PID五个信号模块以及变量马达PumpMotorVar综合控制。信号数学曲线在SimulationX 的信号编辑窗口中可以进行方便的导入或者编辑。endprint

3.2动臂液压缸变负载模拟

将动臂下降过程液压缸受力点的受力曲线（图4）中7～95 s的受力情况，通过SimulationX中的信号编辑窗口导入到curve1模块中，如图6所示。此时系统仿真模型中的外加力模块source则会随着curve1模块中力的变化而变化。

3.3仿真结果及分析

3.3.1动臂液压缸速度分析

图7所示为动臂液压缸下降速度仿真曲线。可看出动臂从0 s开始下降；在下降初始阶段速度有微小波动，速度从0开始逐渐增大到07 m·s-1左右；随后衰减并趋近于稳态值042 m·s-1；接近动臂下降结束，即25s时，动臂速度逐渐减小为0，挖掘机进行卸料。可见仿真结果所得动臂液压缸速度与挖掘机实际工况的速度04 m·s-1相符，速度超调量在允许范围内。系统采用动臂下降速度对回收马达排量进行反馈控制，避免了动臂在下降过程中失控所带来刚性冲击，同时又解决了传统节流调速产生的能量损失问题。

3.3.2超级电容回收能量分析

超级电容充电电压如图8所示。

4结语

通过对液压挖掘机工况的分析，本文提出了一种液压挖掘机动臂下降势能回收系统。并通过ADAMS软件对挖掘机实际工作过程进行仿真，得到动臂在单次下降过程中，液压缸所受动态负载曲线，将其施加到能量回收系统试验台，以研究在此过程中的能量回收效率。通过动臂下降速度对回收马达排量的反馈控制，解决了动臂下降失速所带来刚性冲击，避免了传统节流调速产生的能量损失问题。最后的仿真结果显示，该系统节能效果显著，具有较高的能量回收率，这对后续进行回收能量再利用的方案设计与研究奠定了良好的基础。

参考文献：

[1]郝天奇.混合动力挖掘机动臂势能的闭式液压回收系统研究[D].长春：吉林大学，2011.

[2]任小青.液压挖掘机节能技术的发展综述[J].机床与液压，2009，37（8）：248250.

[3]欧阳小平.液压变压器研究[D].杭州：浙江大学，2005.

[4]美国卡特彼勒公司.用于回收势能的液压系统：中国，101278130A[P].20081001.

[5]张彦廷，王庆丰，肖清.混合动力液压挖掘机液压马达能量回收的仿真及试验[J].机械工程学报，2007，43（8）：218223.

[6]陈明东.液压挖掘机动臂下降势能回收技术研究[D].长春：吉林大学，2013.

[7]林潇，管成，裴磊.混合动力液压挖掘机动臂势能回收系统[J].农业机械学报，2009，40（4）：96101.

[8]张树忠，邓斌，柯坚.基于液压变压器的挖掘机动臂势能再生系统[J].中国机械工程，2010，21（10）：11611166

[9]柯坚，李培，于兰英，等.混合动力挖掘机动臂节能系统研究[J].机械设计与研究，2011，27（6）：109112.

[责任编辑：杜卫华]endprint

3.2动臂液压缸变负载模拟

将动臂下降过程液压缸受力点的受力曲线（图4）中7～95 s的受力情况，通过SimulationX中的信号编辑窗口导入到curve1模块中，如图6所示。此时系统仿真模型中的外加力模块source则会随着curve1模块中力的变化而变化。

3.3仿真结果及分析

3.3.1动臂液压缸速度分析

图7所示为动臂液压缸下降速度仿真曲线。可看出动臂从0 s开始下降；在下降初始阶段速度有微小波动，速度从0开始逐渐增大到07 m·s-1左右；随后衰减并趋近于稳态值042 m·s-1；接近动臂下降结束，即25s时，动臂速度逐渐减小为0，挖掘机进行卸料。可见仿真结果所得动臂液压缸速度与挖掘机实际工况的速度04 m·s-1相符，速度超调量在允许范围内。系统采用动臂下降速度对回收马达排量进行反馈控制，避免了动臂在下降过程中失控所带来刚性冲击，同时又解决了传统节流调速产生的能量损失问题。

3.3.2超级电容回收能量分析

超级电容充电电压如图8所示。

4结语

通过对液压挖掘机工况的分析，本文提出了一种液压挖掘机动臂下降势能回收系统。并通过ADAMS软件对挖掘机实际工作过程进行仿真，得到动臂在单次下降过程中，液压缸所受动态负载曲线，将其施加到能量回收系统试验台，以研究在此过程中的能量回收效率。通过动臂下降速度对回收马达排量的反馈控制，解决了动臂下降失速所带来刚性冲击，避免了传统节流调速产生的能量损失问题。最后的仿真结果显示，该系统节能效果显著，具有较高的能量回收率，这对后续进行回收能量再利用的方案设计与研究奠定了良好的基础。

参考文献：

[1]郝天奇.混合动力挖掘机动臂势能的闭式液压回收系统研究[D].长春：吉林大学，2011.

[2]任小青.液压挖掘机节能技术的发展综述[J].机床与液压，2009，37（8）：248250.

[3]欧阳小平.液压变压器研究[D].杭州：浙江大学，2005.

[4]美国卡特彼勒公司.用于回收势能的液压系统：中国，101278130A[P].20081001.

[5]张彦廷，王庆丰，肖清.混合动力液压挖掘机液压马达能量回收的仿真及试验[J].机械工程学报，2007，43（8）：218223.

[6]陈明东.液压挖掘机动臂下降势能回收技术研究[D].长春：吉林大学，2013.

[7]林潇，管成，裴磊.混合动力液压挖掘机动臂势能回收系统[J].农业机械学报，2009，40（4）：96101.

[8]张树忠，邓斌，柯坚.基于液压变压器的挖掘机动臂势能再生系统[J].中国机械工程，2010，21（10）：11611166

[9]柯坚，李培，于兰英，等.混合动力挖掘机动臂节能系统研究[J].机械设计与研究，2011，27（6）：109112.

[责任编辑：杜卫华]endprint

3.2动臂液压缸变负载模拟

将动臂下降过程液压缸受力点的受力曲线（图4）中7～95 s的受力情况，通过SimulationX中的信号编辑窗口导入到curve1模块中，如图6所示。此时系统仿真模型中的外加力模块source则会随着curve1模块中力的变化而变化。

3.3仿真结果及分析

3.3.1动臂液压缸速度分析

图7所示为动臂液压缸下降速度仿真曲线。可看出动臂从0 s开始下降；在下降初始阶段速度有微小波动，速度从0开始逐渐增大到07 m·s-1左右；随后衰减并趋近于稳态值042 m·s-1；接近动臂下降结束，即25s时，动臂速度逐渐减小为0，挖掘机进行卸料。可见仿真结果所得动臂液压缸速度与挖掘机实际工况的速度04 m·s-1相符，速度超调量在允许范围内。系统采用动臂下降速度对回收马达排量进行反馈控制，避免了动臂在下降过程中失控所带来刚性冲击，同时又解决了传统节流调速产生的能量损失问题。

3.3.2超级电容回收能量分析

超级电容充电电压如图8所示。

4结语

通过对液压挖掘机工况的分析，本文提出了一种液压挖掘机动臂下降势能回收系统。并通过ADAMS软件对挖掘机实际工作过程进行仿真，得到动臂在单次下降过程中，液压缸所受动态负载曲线，将其施加到能量回收系统试验台，以研究在此过程中的能量回收效率。通过动臂下降速度对回收马达排量的反馈控制，解决了动臂下降失速所带来刚性冲击，避免了传统节流调速产生的能量损失问题。最后的仿真结果显示，该系统节能效果显著，具有较高的能量回收率，这对后续进行回收能量再利用的方案设计与研究奠定了良好的基础。

参考文献：

[1]郝天奇.混合动力挖掘机动臂势能的闭式液压回收系统研究[D].长春：吉林大学，2011.

[2]任小青.液压挖掘机节能技术的发展综述[J].机床与液压，2009，37（8）：248250.

[3]欧阳小平.液压变压器研究[D].杭州：浙江大学，2005.

[4]美国卡特彼勒公司.用于回收势能的液压系统：中国，101278130A[P].20081001.

[5]张彦廷，王庆丰，肖清.混合动力液压挖掘机液压马达能量回收的仿真及试验[J].机械工程学报，2007，43（8）：218223.

[6]陈明东.液压挖掘机动臂下降势能回收技术研究[D].长春：吉林大学，2013.

[7]林潇，管成，裴磊.混合动力液压挖掘机动臂势能回收系统[J].农业机械学报，2009，40（4）：96101.

[8]张树忠，邓斌，柯坚.基于液压变压器的挖掘机动臂势能再生系统[J].中国机械工程，2010，21（10）：11611166

[9]柯坚，李培，于兰英，等.混合动力挖掘机动臂节能系统研究[J].机械设计与研究，2011，27（6）：109112.

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