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大型液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的研究

文檔作者：孟志明賀元成鄭庭文檔來(lái)源： 1．四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 2．瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年07月20日
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2015年5月
第43卷第10期
機(jī)床與液壓
MACHINE T00L&amp;amp; HYDRAULICS
Mav 2015
Vo1．43 No．10
DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2015．10．033
大型液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的研究
孟志明 ，賀元成。，鄭庭
(1．四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川自貢643000；
2．瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川瀘州646000)
摘要：以某單位提供的挖掘機(jī)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)試驗(yàn)分析各液壓節(jié)能回路的節(jié)能效果。設(shè)計(jì)新型能量回收系統(tǒng)，觀測(cè)
其節(jié)能效果。總結(jié)了大型挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)常見(jiàn)的能耗問(wèn)題，針對(duì)存在的問(wèn)題從不同方面介紹了液壓節(jié)能技術(shù)的現(xiàn)狀并對(duì)液
壓節(jié)能的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了說(shuō)明。
關(guān)鍵詞：能耗分析；動(dòng)臂勢(shì)能；能量回收；仿真分析
中圖分類(lèi)號(hào)：TH137．7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-3881(2015)10-102—3
Research on Energy Saving Technologies for Hydraulic System of
Large Hydraulic Excavator
MENG Zhiming ，HE Yuancheng ，ZHENG Ting
(1．College of Mechanical Engineering，Sichuan University of Science&amp;amp;Engineering，
Zigong Sichuan 643000，China；
2．Department of Mechanical Engineering，Luzhou Vocational and Technical College，
Luzhou Sichuan 646000，China)
Abstract：By the experimental platform of an excavator provided by a compan y，the hydraulic energy—saving effect of each loop
was analyzed through experiment．A new energy recovery system was designed，and its energy saving effect was observed．The common
energy consumption problems of the hydraulic system of large hydraulic excavator were summarized．Aiming at the problems existed，
from different aspects，the status and development trends of hydraulic energy-saving technology were introduced an d described．
Keywords：Energy consumption analysis；Arm potential energy ；Energy recover；Simulation analysis
自從1978年第二次石油危機(jī)爆發(fā)之后，尤其是
這幾年，石油的價(jià)格已大幅度上揚(yáng)。同時(shí)化石燃料的
不斷消耗必然導(dǎo)致油氣價(jià)格更高。另外化石燃料的大
量應(yīng)用也導(dǎo)致了全球的氣候變暖、環(huán)境惡化。尤其是
2003年之后人們的環(huán)保意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)．減少CO。等
溫室氣體的排放備受人們的關(guān)注。2012年之后我國(guó)
的沙塵暴跟霧霾天氣越來(lái)越嚴(yán)重。我國(guó)政府對(duì)環(huán)境的
治理越來(lái)越重視，同時(shí)加大了節(jié)能及提高能效等方面
的投入。工程機(jī)械作為一種高能耗的機(jī)械設(shè)備，節(jié)能
就顯得尤為重要。目前化石燃料的利用率已經(jīng)成為工
程機(jī)械重要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。
1 大型挖掘機(jī)的能耗分析
由于挖掘機(jī)的工作范圍廣。世界上各種土方工程
約有65％～70％的土方量由挖掘機(jī)來(lái)完成．這使挖掘
機(jī)在各類(lèi)工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。但由于挖掘機(jī)前
端工作裝置質(zhì)量大。在工作時(shí)動(dòng)臂下降不僅造成能量
損失，而且損耗的能量會(huì)轉(zhuǎn)化成液壓系統(tǒng)中液壓油的
內(nèi)能，導(dǎo)致液壓油溫升高，嚴(yán)重影響挖掘機(jī)的工作效
率跟使用壽命。挖掘機(jī)的耗油量高、排放尾氣質(zhì)量
差，這已經(jīng)引起該行業(yè)的廣泛關(guān)注。
日本神鋼機(jī)械公司對(duì)大型液壓挖掘機(jī)的能量利用
與做了如下統(tǒng)計(jì)(如圖1)：大型挖掘機(jī)最終對(duì)能量
的利用率只有20％。機(jī)構(gòu)系統(tǒng)能耗較小，能量大部
分都損失在液壓系統(tǒng)之中。液壓系統(tǒng)的能量利用率只
有30％左右，這也是導(dǎo)致挖掘機(jī)效率低下的一個(gè)重
要原因。因此液壓系統(tǒng)具有較大的節(jié)能空間，同時(shí)也
是挖掘機(jī)節(jié)能發(fā)展的一個(gè)重要方向。
醫(yī)墓戛三莖 垂蕈 垂 囊曩垂 囊囊 總20效％率
有效功率
lOO
圖1 大型液壓挖掘機(jī)能量利用分布
分析液壓系統(tǒng)常見(jiàn)的能耗現(xiàn)象，主要有以下幾個(gè)
收稿日期：2014—04—15
基金項(xiàng)目：四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013GZX0151)；四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金科研項(xiàng)目(GK201310)
作者簡(jiǎn)介：孟志明(1988一)，男，碩士，主要從事液壓技術(shù)方面的學(xué)習(xí)工作。E-mail：sun．0922@163．com。
第1O期 孟志明等：大型液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的研究 ·103·
方面：(1)溢流損失。大型液壓挖掘機(jī)系統(tǒng)中溢流
現(xiàn)象一般出現(xiàn)在過(guò)載工況下，此時(shí)泵的輸出壓力超出
安全閥的設(shè)定壓力，液壓系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)溢流現(xiàn)象；
(2)沿程損失。沿程損失主要是因?yàn)轲ば阅Σ廉a(chǎn)生
的壓力損失．這是不可避免的，但可以通過(guò)選擇合適
的材料和優(yōu)化管路的設(shè)計(jì)來(lái)減少沿程壓力損失；(3)
匹配損失。由于挖掘機(jī)在工作過(guò)程中負(fù)載變化快，尤
其是在小負(fù)載高轉(zhuǎn)速的情況下更不容易匹配，只能設(shè)
計(jì)新型的快速反應(yīng)回路例如負(fù)載敏感系統(tǒng)等； (4)
動(dòng)能和勢(shì)能損失。動(dòng)能和勢(shì)能損失主要體現(xiàn)在液壓挖
掘機(jī)的動(dòng)臂和斗桿工作過(guò)程中，尤其是大型液壓挖掘
機(jī)動(dòng)臂質(zhì)量較大。其蘊(yùn)含的動(dòng)能和慣性能大，節(jié)能效
果非?？捎^。
2 新節(jié)能方案
近幾年。技術(shù)人員針對(duì)液壓系統(tǒng)中存在的溢流損
失、匹配損失、沿程損失等設(shè)計(jì)了很多新型的控制回
路和新式元件，取得了明顯的節(jié)能效果。作者針對(duì)動(dòng)
臂勢(shì)能設(shè)計(jì)了新型的節(jié)能方案。
2．1 系統(tǒng)原理
圖2為新式節(jié)能方案。該方案的能量回收原理
為：當(dāng)動(dòng)臂下降時(shí)液壓缸中無(wú)桿腔的液壓油流經(jīng)馬達(dá)
2，經(jīng)過(guò)液壓變壓器帶動(dòng)變量泵3，使液壓油經(jīng)過(guò)單
向閥9進(jìn)人到蓄能器20中，儲(chǔ)存動(dòng)臂下降時(shí)的勢(shì)能。
動(dòng)臂下降的速度由液壓泵2的排量決定?？刂葡到y(tǒng)通
過(guò)信號(hào)控制變量馬達(dá)3的轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制液壓泵2的轉(zhuǎn)
速．從而達(dá)到調(diào)節(jié)液壓泵2的排量的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)
對(duì)動(dòng)臂下架速度的控制。另外無(wú)桿腔的液壓油流經(jīng)再
生閥26流回動(dòng)臂有桿腔，實(shí)現(xiàn)了流量再生，進(jìn)而達(dá)
到節(jié)能的目的。
1、卜變量泵卜液壓馬達(dá)4一二位三通閥 5、6、7一二位
二通閥8、9、16一單向閥10、ll、l2、l3、I4、l5一油箱
I7、18、l9_-溢流閥 2o--1~能器 2l、22、23、24__壓力傳
感器25一梭閥 26一流量分配閥
圖2 新節(jié)能方案原理圖
2．2 建模與仿真分析
2．2．1 新系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型分析
文中采用氣體式蓄能器，由波義爾定律得蓄能器
總?cè)莘e 可由公式(1)計(jì)算出：
P =p： =p =k (1)
式中：P 、P：、P，分別為蓄能器儲(chǔ)能前的充氣壓力、
系統(tǒng)工作最高壓力和蓄能器的最低工作壓力；V，、
、 分別為氣室容積、最高工作壓力下的氣體體
積和最低工作壓力下的氣體體積；n為指數(shù)。
當(dāng)蓄能器處于平衡時(shí)：
(m dQ坩Q)
=p 初 (2)
蓄能器連續(xù)性方程：
Q=一面dV (3)
式中：P末、p初分別為蓄能器蓄能后壓力以及初始狀
態(tài)壓力；m為蓄能器內(nèi)液體當(dāng)量質(zhì)量；A截為蓄能器
油液腔截面積；Q為蓄能器吸油流量。
利用液壓變壓器相連的泵與馬達(dá)力矩方程：
(p ?-p )一(pb -pbi)=．， + + (4)
其中：P mi，P ，P i，pk分別為馬達(dá)和泵的進(jìn)出口壓
力；．，為馬達(dá)和泵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；r為當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼；
為摩擦力矩。
當(dāng)動(dòng)臂下降時(shí)動(dòng)臂液壓缸所受的力平衡為：
P無(wú)A無(wú)-A有P有=F—Bx 一Ff-mo (5)
式中：P無(wú)，p有分別為動(dòng)臂無(wú)桿腔和有桿腔油液壓力；
A蕪，A有分別為動(dòng)臂液壓缸有桿腔跟無(wú)桿腔的有效面
積；F為動(dòng)臂所受到的外負(fù)載； ， ”分別為動(dòng)臂下
降的速度和加速度；B為動(dòng)臂缸活塞的黏性阻尼；Ff
為缸活塞所受摩擦力。
2．2．2 與現(xiàn)有系統(tǒng)比較
分別建立現(xiàn)有系統(tǒng)及新系統(tǒng)的AMESim模型，如
圖3—4所示。
④
圖3 現(xiàn)有系統(tǒng)
· 104· 機(jī)床與液壓 第43卷
圖4 新系統(tǒng)
新方案中蓄能器的初始?jí)毫腕w積分別設(shè)為8O 能效果。
MPa、10 L?；厥障到y(tǒng)中 ：
馬達(dá)和泵的效率定位若
0．8，容積效率為0．85。疊 ：
仿真時(shí)間跟步長(zhǎng)分別為 ，4
10 s跟0．1 s。仿真過(guò)程 o0
中兩系統(tǒng)所加負(fù)載相同，
如圖5所示
0 2 4 6 8 lO
時(shí)間，s
圖5 所加負(fù)載
通過(guò)仿真對(duì)比圖6可看出：兩系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能現(xiàn)
差無(wú)幾，新系統(tǒng)可滿足液壓缸的運(yùn)動(dòng)需求。圖7顯示
出同一時(shí)刻兩系統(tǒng)的能耗，明顯看出新系統(tǒng)節(jié)能效果
優(yōu)于現(xiàn)有系統(tǒng)。動(dòng)臂在完成一個(gè)工作過(guò)程中雖然速度
控制方面相差無(wú)幾，但節(jié)能效果相當(dāng)明顯。而且新系
統(tǒng)利用能量回收回路控制動(dòng)臂的下降速度。避免了節(jié)
流閥調(diào)節(jié)動(dòng)臂下降速度消耗能量導(dǎo)致油溫升高的現(xiàn)
象，延長(zhǎng)了液壓元件的使用壽命，提高了系統(tǒng)效率。
e
●
邑
寇
300
2S0
-'200
寢150
盤(pán)100
50
0
0 0 2 4 6 8 10
時(shí)間，|
圖6 液壓缸伸縮速度對(duì)比 圖7 兩系統(tǒng)能耗對(duì)比
新系統(tǒng)是在現(xiàn)有流量再生回路的基礎(chǔ)上提出的。
在原有基礎(chǔ)上增加了能量回收回路。文中對(duì)現(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)
行了數(shù)學(xué)建模和AMESim仿真分析．并與原有回路的
仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，得出新回路比原有系統(tǒng)的能量
利用率提高了15％，這反映出新方案具有較好的節(jié)
3 液壓節(jié)能技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
隨著科技的發(fā)展。越來(lái)越多的數(shù)字技術(shù)和軟件技
術(shù)整合到液壓節(jié)能技術(shù)中。液壓節(jié)能技術(shù)正在向著智
能化、高性能、穩(wěn)定高效的方向發(fā)展，從目前國(guó)內(nèi)外
液壓節(jié)能技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，主要有以下特點(diǎn)：
(1)新動(dòng)力系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，近幾年以電力驅(qū)動(dòng)的
混合動(dòng)力系統(tǒng)在液壓機(jī)械得到廣泛應(yīng)用。
(2)采用高精度新型液壓元件，減少液壓元件
中液壓油的泄漏，提高元件的使用壽命。
(3)結(jié)合電控技術(shù)改進(jìn)傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)，以減
少節(jié)流損失、溢流損失和沿程壓力損失。
(4)采用更加先進(jìn)的控制方式，提高控制的準(zhǔn)
確性。
(5)動(dòng)力源輸出功率控制更加智能化，采用電
子控制系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力源的輸出功率與工作狀況進(jìn)行綜合
控制，使兩者達(dá)到最佳匹配。
(6)提高液壓油的凈化處理能力，控制液壓油
的泄漏
4 結(jié)論
對(duì)液壓系統(tǒng)可能存在的能耗進(jìn)行了分析。針對(duì)能
耗問(wèn)題分別從液壓元件和液壓系統(tǒng)介紹了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)
的節(jié)能技術(shù)，并根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)推測(cè)了液壓節(jié)能技術(shù)的
發(fā)展方向。隨著大量的計(jì)算機(jī)元素融入到液壓節(jié)能技
術(shù)中，現(xiàn)在液壓節(jié)能技術(shù)已不只是單純地達(dá)到節(jié)能的
目的，人們把更多的精力放在提高液壓系統(tǒng)的綜合指
標(biāo)上。
(下轉(zhuǎn)第126頁(yè))
· 126· 機(jī)床與液壓 第43卷
4 換刀部分PMC程序設(shè)計(jì)
飛碟式刀庫(kù)的換刀控制由換刀宏程序和PMC控
制程序兩部分共同完成，在換刀宏程序中用M55作
為PMC程序的入口，執(zhí)行相關(guān)的換刀動(dòng)作。使用I／O
Link軸作為刀庫(kù)伺服電機(jī)控制?？梢岳肐／O Link
軸的ATC／轉(zhuǎn)臺(tái)控制功能代碼完成刀庫(kù)的選刀，通過(guò)
定義功能代碼中的指令數(shù)據(jù)1完成自動(dòng)選刀或手動(dòng)按
一下轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)刀位。自動(dòng)選刀部分梯形圖如圖6所
示，其中x和Y的地址都從60開(kāi)始．A0008．1為z
軸到達(dá)參考點(diǎn)1后主軸未定位報(bào)警，A0008．2為刀庫(kù)
未在換刀點(diǎn)(參考點(diǎn)2)以上的位置選刀報(bào)警。
圖6 刀庫(kù)自動(dòng)換刀PMC程序
刀庫(kù)的“回零” 運(yùn)行是利用I／O Link軸的“參
考點(diǎn)返回功能”建立的零點(diǎn) ，將1號(hào)刀事先手動(dòng)
調(diào)整到換刀位置，并將此位置的機(jī)械坐標(biāo)值存儲(chǔ)在參
考點(diǎn)的機(jī)床坐標(biāo)值參數(shù)144或145中。在手動(dòng)模式
下，通過(guò)操作面板上“刀庫(kù)回零”按鍵，刀庫(kù)回到
所設(shè)定的刀庫(kù)原點(diǎn)。
5 結(jié)束語(yǔ)
用FANUC 13is0．5／6000伺服電機(jī)代替刀庫(kù)原來(lái)的
電機(jī)，不僅提高了刀庫(kù)的換刀速度，還保證了換刀的
可靠性，避免因刀庫(kù)中的傳感器故障發(fā)生錯(cuò)誤。在換
刀過(guò)程中通過(guò)PMC窗口功能，保證刀庫(kù)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程
中的安全。實(shí)踐證明：利用FANUC系統(tǒng)的I／O Link
軸控制刀庫(kù)伺服電機(jī)可大大提高換刀效率和換刀的可
靠性，同時(shí)還可以提高刀庫(kù)的換刀精度。
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(上接第104頁(yè))
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