基于平衡油缸的动臂势能回收系统参数设计与试验

发布时间：2019-10-08 01:31

【摘要】：为降低液压挖掘机的能量消耗,提出一种基于液压蓄能器和平衡油缸的动臂势能回收系统。以节能性为优化目标,以满足系统工作特性,减小蓄能器安装体积和延长蓄能器使用寿命为约束条件,对平衡系统的关键元件——液压蓄能器的工作压力、额定体积和充气压力等参数进行优化设计,分析不同的蓄能器体积和工作压力对系统节能效率的影响,确定最优的液压蓄能器参数;利用AMESim建立有无平衡单元的2种系统仿真模型,以3个比例节流阀和1个比例溢流阀代替传统多路阀对动臂的工作过程进行控制,并据此搭建了某1.5t液压挖掘机动臂势能回收系统试验平台。研究结果表明:仿真结果与试验结果吻合,系统的参数选择合理,仿真模型较准确;在所选取的液压蓄能器参数满足动臂操控性能和系统工作特性的前提下,动臂上升阶段,有平衡系统的无杆腔压力比无平衡系统的降低约2.5MPa,液压泵的出口压力降低约1MPa;动臂上升和下降工作周期内,势能回收和释放的整个工作周期的效率约为29%。
【图文】：

原理图,平衡油,动臂,回收系统

制阀两端的压差发生变化而影响执行器的操控性；③动臂油缸在驱动模式时所需压力一般大于回收模式时所需压力，故液压蓄能器的压力难以直接释放到油缸。亦有采用液压平衡思想的能量回收与再利用系统［１０－１２］，，但更多的是提出一种节能思想或结构，并未对此展开深入的探讨和试验研究。针对以上问题，本文中提出一种基于液压蓄能器和平衡油缸的液压挖掘机动臂势能回收和再生的一体化系统，确定蓄能器与系统节能效率匹配的最佳工作参数，并通过仿真分析和试验验证系统的节能特性。１系统工作原理图１为基于液压蓄能器和平衡油缸的液压挖掘机动臂势能回收系统原理示意，由上车机构、动力单元、液压驱动单元和平衡单元四部分组成，其中液压驱动单元以３个比例节流阀和１个比例溢流阀代替原有的多路阀。图１基于平衡油缸和蓄能器的动臂势能回收系统Ｆｉｇ．１ＰｏｔｅｎｔｉａｌＥｎｅｒｇｙＲｅｃｏｖｅｒｙＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＢａｌａｎｃｅＣｙｌｉｎｄｅｒａｎｄＨｙｄｒａｕｌｉｃＡｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ１５４中国公路学报２０１７年

力曲线,腔压,蓄能器,动臂

力越小，驱动油缸的无杆腔压力越低，节能效果越好；反之，蓄能器的压力过低，平衡油缸对动臂重力的平衡作用不明显，则系统节能效果不明显。动臂下降过程中，如果蓄能器的初始工作压力太高，随着动臂的下降，液压蓄能器压力逐渐上升，使平衡油缸的回油背压升高，而使得动臂下降困难，需要增加驱动油缸有杆腔压力来迫使动臂下降，从而增加系统的能量损耗，即出现过平衡。为防止出现过平衡而导致动臂操控性变差和额外的能量消耗，有平衡系统的蓄能器最大工作压力不能超过无平衡系统时动臂驱动油缸无杆腔的最高工作压力。图２为传统１．５ｔ液压挖掘机动臂下放时的驱动油缸无杆腔压力变化曲线。从图２看出，动臂下降时，驱动油缸无杆腔最大压力为４．３ＭＰａ，因此蓄能器最高工作压力需满足ｐ２≤４．３ＭＰａ。图２无平衡系统动臂下放时驱动油缸无杆腔压力曲线Ｆｉｇ．２ＰｒｅｓｓｕｒｅＣｕｒｖｅｏｆＮｏｎ－ｒｏｄＣｈａｍｂｅｒｏｆＤｒｉｖｉｎｇＣｙｌｉｎｄｅｒｗｉｔｈＢｏｏｍｄｏｗｎＷｉｔｈｏｕｔＢａｌａｎｃｅＳｙｓｔｅｍ（２）单位体积的能量密度液压挖掘机的装机空间有限，因此有必要提高液压蓄能器的储能密度。影响蓄能器储能密度的主要参数有额定容积、最低与最高工作压力等。蓄能器的储能Ｅ计算式为Ｅ＝∫ＶＶ０ｐｄＶ＝ｐ１Ｖ１１－［ｎ１（－ｐ１ｐ）２１－ｎ］ｎ＝ｐ０Ｖ０１－［（ｎＶ０）Ｖｎ－１－］１（２）根据式（２）可以得到以下结论：增大蓄能器的额定容积能增大蓄能器存储的能量，但增大蓄能器的容积要受到空间的限制；对一个选定的气囊式蓄能器，在绝热条件下，为了使蓄能器的储能效果最
【作者单位】：华侨大学机电及自动化学院;
【基金】：国家自然科学基金项目(51505160,51205140) 高校产学合作科技重大项目(2013H6015) 流体动力与机电系统国家重点实验室开放基金项目(GZKF-201517) 福建省自然科学基金项目(2015J01206) 华侨大学中青年教师科研提升资助计划项目(ZQN-YX201)
【分类号】：TU621

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