【摘要】：為降低液壓挖掘機的能量消耗,提出一種基于液壓蓄能器和平衡油缸的動臂勢能回收系統(tǒng)。以節(jié)能性為優(yōu)化目標,以滿足系統(tǒng)工作特性,減小蓄能器安裝體積和延長蓄能器使用壽命為約束條件,對平衡系統(tǒng)的關鍵元件——液壓蓄能器的工作壓力、額定體積和充氣壓力等參數(shù)進行優(yōu)化設計,分析不同的蓄能器體積和工作壓力對系統(tǒng)節(jié)能效率的影響,確定最優(yōu)的液壓蓄能器參數(shù);利用AMESim建立有無平衡單元的2種系統(tǒng)仿真模型,以3個比例節(jié)流閥和1個比例溢流閥代替?zhèn)鹘y(tǒng)多路閥對動臂的工作過程進行控制,并據(jù)此搭建了某1.5t液壓挖掘機動臂勢能回收系統(tǒng)試驗平臺。研究結(jié)果表明:仿真結(jié)果與試驗結(jié)果吻合,系統(tǒng)的參數(shù)選擇合理,仿真模型較準確;在所選取的液壓蓄能器參數(shù)滿足動臂操控性能和系統(tǒng)工作特性的前提下,動臂上升階段,有平衡系統(tǒng)的無桿腔壓力比無平衡系統(tǒng)的降低約2.5MPa,液壓泵的出口壓力降低約1MPa;動臂上升和下降工作周期內(nèi),勢能回收和釋放的整個工作周期的效率約為29%。
【圖文】：

制閥兩端的壓差發(fā)生變化而影響執(zhí)行器的操控性；③動臂油缸在驅(qū)動模式時所需壓力一般大于回收模式時所需壓力，故液壓蓄能器的壓力難以直接釋放到油缸。亦有采用液壓平衡思想的能量回收與再利用系統(tǒng)［１０－１２］，，但更多的是提出一種節(jié)能思想或結(jié)構(gòu)，并未對此展開深入的探討和試驗研究。針對以上問題，本文中提出一種基于液壓蓄能器和平衡油缸的液壓挖掘機動臂勢能回收和再生的一體化系統(tǒng)，確定蓄能器與系統(tǒng)節(jié)能效率匹配的最佳工作參數(shù)，并通過仿真分析和試驗驗證系統(tǒng)的節(jié)能特性。１系統(tǒng)工作原理圖１為基于液壓蓄能器和平衡油缸的液壓挖掘機動臂勢能回收系統(tǒng)原理示意，由上車機構(gòu)、動力單元、液壓驅(qū)動單元和平衡單元四部分組成，其中液壓驅(qū)動單元以３個比例節(jié)流閥和１個比例溢流閥代替原有的多路閥。圖１基于平衡油缸和蓄能器的動臂勢能回收系統(tǒng)Ｆｉｇ．１ＰｏｔｅｎｔｉａｌＥｎｅｒｇｙＲｅｃｏｖｅｒｙＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＢａｌａｎｃｅＣｙｌｉｎｄｅｒａｎｄＨｙｄｒａｕｌｉｃＡｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ１５４中國公路學報２０１７年

力越小，驅(qū)動油缸的無桿腔壓力越低，節(jié)能效果越好；反之，蓄能器的壓力過低，平衡油缸對動臂重力的平衡作用不明顯，則系統(tǒng)節(jié)能效果不明顯。動臂下降過程中，如果蓄能器的初始工作壓力太高，隨著動臂的下降，液壓蓄能器壓力逐漸上升，使平衡油缸的回油背壓升高，而使得動臂下降困難，需要增加驅(qū)動油缸有桿腔壓力來迫使動臂下降，從而增加系統(tǒng)的能量損耗，即出現(xiàn)過平衡。為防止出現(xiàn)過平衡而導致動臂操控性變差和額外的能量消耗，有平衡系統(tǒng)的蓄能器最大工作壓力不能超過無平衡系統(tǒng)時動臂驅(qū)動油缸無桿腔的最高工作壓力。圖２為傳統(tǒng)１．５ｔ液壓挖掘機動臂下放時的驅(qū)動油缸無桿腔壓力變化曲線。從圖２看出，動臂下降時，驅(qū)動油缸無桿腔最大壓力為４．３ＭＰａ，因此蓄能器最高工作壓力需滿足ｐ２≤４．３ＭＰａ。圖２無平衡系統(tǒng)動臂下放時驅(qū)動油缸無桿腔壓力曲線Ｆｉｇ．２ＰｒｅｓｓｕｒｅＣｕｒｖｅｏｆＮｏｎ－ｒｏｄＣｈａｍｂｅｒｏｆＤｒｉｖｉｎｇＣｙｌｉｎｄｅｒｗｉｔｈＢｏｏｍｄｏｗｎＷｉｔｈｏｕｔＢａｌａｎｃｅＳｙｓｔｅｍ（２）單位體積的能量密度液壓挖掘機的裝機空間有限，因此有必要提高液壓蓄能器的儲能密度。影響蓄能器儲能密度的主要參數(shù)有額定容積、最低與最高工作壓力等。蓄能器的儲能Ｅ計算式為Ｅ＝∫ＶＶ０ｐｄＶ＝ｐ１Ｖ１１－［ｎ１（－ｐ１ｐ）２１－ｎ］ｎ＝ｐ０Ｖ０１－［（ｎＶ０）Ｖｎ－１－］１（２）根據(jù)式（２）可以得到以下結(jié)論：增大蓄能器的額定容積能增大蓄能器存儲的能量，但增大蓄能器的容積要受到空間的限制；對一個選定的氣囊式蓄能器，在絕熱條件下，為了使蓄能器的儲能效果最
【作者單位】： 華僑大學機電及自動化學院;
【基金】：國家自然科學基金項目(51505160,51205140) 高校產(chǎn)學合作科技重大項目(2013H6015) 流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室開放基金項目(GZKF-201517) 福建省自然科學基金項目(2015J01206) 華僑大學中青年教師科研提升資助計劃項目(ZQN-YX201)
【分類號】：TU621

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本文編號：2546034