２０１６年第６期 ｄｏｉ：１０．１ １８３２／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－４８５８．２０１６．０６．０２０ 液压与气动 ９７ 混合型液压挖掘机能量回收／释放系统 设计与研究 马文龙，张国俊，闫秀芳，王（内蒙古化工职业学院，内蒙古，呼和浩特鑫 ０１００７０） 摘要：全球化能源危机的加剧，对液压挖掘机的节能减排提出了更高要求。传统液压挖掘机能量利用 率低，针对该情况，设计了混合型液压挖掘机臂架的势能回 释放系统，可实现系统稳定运行下的能量回 释放最大化。建立了能量回 释放系统模型，并使用实际参数，利用ＡＭＥＳｉｍ和ＭＡＴＬＡＢ软件对系统 进行仿真。仿真结果表明，该系统可提高能量利用率，优化系统使用性能。 关键词：能量回收；臂架系统；挖掘机；混合动力系统 中图分类号：ＴＨ１３７；ＴＨ１２４ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１０００－４８５８（２０１６）０６－００９７－０５ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ／Ｒｅｌｅａｓｅ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｈｙｂｒｉｄ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｅｘｃａｖａｔｏｒ ＭＡ Ｗｅｎ－ｌｏｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｇｕｏ－ｊｕｎ，ＹＡＮ Ｘｉｕ—ｆａｎｇ，ＷＡＮＧ Ｘｉｎ （Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｏｈｈｏｔ，Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ ０１００７０） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｇｌｏｂａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｃｒｉｓｉｓ ｈａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｈｉｇｈｅｒ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｎｅｒｙ ｓｇａｖｉｎｇ ａｎｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｅｘｃａｖａｔｏｒｓ．Ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｅｘｃａｖａｔｏｒ ｅｎｅｒｇｙ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｉｓ ｌｏｗ，ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｈｙｂｒｉｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｅｘｃａｖａｔｏｒ ａｒｍ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｃｏｖｅｒｙ／ ｒｅｌｅａｓｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ｅｎｅｒｙ ｒｇｅｃｏｖｅｒｙ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｓｔａｂｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ／ｒｅｌｅａｓｅ ｍａｘｉｍｉｚａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ａｎｄ ｒｅｌｅａｓｅ／ｕｓｅ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ＡＭＥＳｉｍ ａｎｄ ＭＡＴＬＡＢ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｈｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｅｎ— ｅｒｇｙ，ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｃｏｖｅｒｙ，ｂｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ，ｅｘｃａｖａｔｏｒ，ｈｙｂｒｉｄ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ 引言 １混合型液压挖掘机 １．１混合型液压挖掘机 液压挖掘机作为典型的工程机械广泛应用于土方 工程 Ｊ。传统的液压挖掘机燃料消耗高、环境污染 大，液压系统中的部分液压能转化为热能由液压控制 阀散失，因此，其燃料利用率较低 。为了减少液压 挖掘机的能量损失，针对混合型液压挖掘机，在满足正 常工作控制前提下，本研究执行机构采用配有势能回 收／释放系统的电液制动器 Ｊ。通过采用新型液压回 路和蓄能器，回收并储存臂架势能。此外，为了实现节 传统的液压挖掘机可分为串联型和并联型。在串 联型液压挖掘机中，系统的能量由电动机提供，臂架系 统的液压管路分开布置，臂架的势能和卷筒制动器的 动能均可回收＿４ ；在并联型液压挖掘机中，卷筒制动 器的动能不可回收，但其制动器体积较小，生产成本较 收稿日期：２０１６－０１－２９ 能、高效，文中基于负荷变化特性和最优节能理论，设 计并优化了臂架液压缸的控制系统。 作者简介：马文龙（１９８３一），男，陕西富县人，讲师，硕士，主 要从事机电一体化技术、液压与气动技术研究工作。 ９８ 液压与气动 ２０１６年第６期 图１混合液压挖掘机配置图 低 Ｊ。针对以上特点，本研究设计了混合型液压挖掘 机，其具有以下特点： （１）挖掘机使用相互驱动、制动器，减少能量 散失； （２）使用电液制动器，减少阀体能量散失； （３）可回收／释放势能、动能等，提高能量的利 用率。 混合型液压挖掘机的配置如图１所示。 如图１所示混合型液压挖掘机系统由滚筒、左转、 右转、臂缸、动臂缸和铲斗系统六个电液制动器组 成。各电液制动器由电动机／发电机、双向液压泵／马 达、储能器和液压控制回路组成。高压油液由液压泵 直接提供，而不需经过控制阀，最大限度的降低了压力 损失，减少了油液流动的产热量。由电动机驱动双向 液压泵，泵可以提供双向高压油液。电动机转速由电 图２液压变速器液压缸控制图 由图２可知： （１）当液压缸伸出时，测速单元对液压缸的速度 进行控制。固定（或变量）液压泵输出压力取决于液 压缸负载，在二级控制下，其伸出量与液压缸负载和压 力变化线性相关，因此液压缸可满足速度要求； 液制动器流量和压力决定，减少了功率损耗。 根据本研究设计，动臂，铲斗和转动机构通过电液 制动器驱动，电液制动器的电动 发电机可在电动机 和发电机两种模式下工作。因此，在动臂或者铲斗系 统提升时，势能以电能或动能的形式通过电动机／发电 机的能量回收／释放系统和转化系统进行能量释放。 １．２液压变压器 （２）当液压缸在负载作用下收缩时，油液返回液 压管路，测速单元对液压缸的速度进行控制。回收的 能量被储存在蓄能器或对其它执行机构进行驱动。 １．３混合型动力臂 混合型动力臂系统可回收动能并将其储存于液压 储能器中，用于下一个工作循环。混合型动力臂系统 的工作原理如图３所示。 液压变压器由速度可控的变量泵组成，变量泵包 括一个或多个固定或可变排量液压单元。液压单元之 间相互耦合且无机械输入和输出，其速度取决于二级 控制单元。液压变压器和系统的链接关系如图２ 所示。 混合型液压臂系统工作原理为： （１）通过操纵杆调节驱动双向液压泵的电动机。 液压泵转动并将油液注入液压缸，液压泵的转动方向 ２０１６年第６期 液压与气动 ９９ 图３混合型液压臂系统工作原理图 决定液压缸的移动方向。第一个半个循环时，油液注 入液压缸的大腔室中，液压缸由原始位置伸出到最大 位移处，动臂升起。在该工作状态下，比例流量控制阀 处于关闭状态； （２）通过操作杆控制动臂下降。在液压缸回缩过 程中，第二个半循环充分回收动臂势能。该工作状态 下，通过比例流量控制阀调节流人液压变压器中的流 量和动臂的下降速度。若比例流量控制阀完全关闭， 油液将注入变压器，则变压器处于充压状态，势能储存 于蓄能器中； （３）主泵释放储存能量。液压变压器逆转，蓄能 器中储存的势能注入变量泵，驱动定量泵进行释能。 根据蓄能器中的能量储存量，可调节主泵以满足动臂 速度需求。 ２能量回收／释放系统参数与控制方法 根据挖掘机的实际工作情况设定系统参数 ，具 体参数如表１所示。 为了实现混合型液压挖掘机的高效节能，本研究 的控制方法如图４所示。根据挖掘机工作负载的变化 特点，控制过程中需根据实际工作情况改变液压控制 系统参数。 由动臂系统速度控制流程图４可知： （１）若液压缸伸出，伺服阀转向左侧位置，蓄能器 中的能量通过液压变压器释放。释放的能量与双向变 量泵提供的能量共同对液压缸充压，支撑液压缸伸出； （２）若液压缸收缩，伺服阀转向右侧位置，系统的 势能通过变压器回收并储存于蓄能器中。液压缸的速 度通过比例流量控制阀进行控制。 表１混合型挖掘机实验参数 组件 参数 值 液压缸 活塞直径、活塞缸直径、 ６３ ｍｍ、４２ ｍｍ、 活塞杆长度 ６６ｏ ｍＥ ＳＹ ＢＬＭ．１２ ７２ Ｖ 电动马达 ＳＥＮ．Ｍ０Ｔ０ＲＳ １２ ｋＷ Ｗ３－３５ＲＡＣ ３４．３ ｃｃ／ｒ 液压泵 ＲＯＮＺＩＯ ２５００ ｒ／ｒａｉｎ ＶＰＰ２ ６．ＳＶ 释放压力 ＡＲＧ０．ＨＹＴ０Ｓ ３２ ＭＰａ 比例流量阀 ＱＶＨＺＯ—Ａ－０６／４５ 最大流速 ＡＴ０Ｓ ４５ Ｌ／ｍｉｎ Ｈ２Ｖ ５５ Ｍ／ＨｌＶ ５５ Ｐ ３９．５ ｃｃ／ｒ 变量泵／马达 ＳａｍＨｙｄｒａｕｌｉｋ ９００ ｒ／ｍｉｎ Ｈ１Ｃ Ｍ ０４０／ＨｌＣ Ｐ ０４０ ３４．５ ｃｃ／ｒ 定量 马达 ＳａｍＨｙｄｒａｕｌｉｋ ２５００ ｒ／ｍｉｎ ５ ｌｉｔｅｒ 蓄能器 ２ ＭＰａ ３ 系统仿真 本研究通过ＡＭＥＳｉｍ软件对设计的混合型液压臂 系统进行仿真 ，系统的ＡＭＥＳｉｍ模型如图５所示。 由图５可知，液压缸移动速度由液压回路中的双 向液压泵进行控制；液压马达由比例流量控制阀进行 比例控制，以调节流人油箱中的液压油流量，从而控制 动臂的工速。 速度控制和比例流量控制阀控制可实现工速下的 系统能量回收和释放最大化。在第一个循环中，蓄能 器和液压变压器不工作，因此，系统的输入能量主要来 自于液压泵。从第二个循环开始，系统的驱动能量来 自于液压泵和蓄能器的能量释放。 通过仿真，对第一个循环的前半个循环模型进行 分析。在比例流量控制阀闭合时，液压缸的工速由操 纵杆控制，液压缸由原始位置伸出到最大位置。在第 一个循环的后半个循环中，液压缸回缩，缸体大腔中的 高压油液流向液压变压器，液压变压器充压，势能回收 并储存于蓄能器中。 １００ 液压与气动 ２０１６年第６期 图４动臂系统速度控制流程图 制主液压泵或双向变量泵流量进行调节。此外，在仿 真模型中，为了验证系统性能，对液压缸施加３０００ Ｎ 外加负载。 ——活塞杆速度 ０．２０ Ｏ．１５ ０．１Ｏ ０．Ｏ５ ０．Ｏ０ 一Ｏ．０５ ．Ｏ．１Ｏ ０．１５ Ｏ－２０ ０．２５ ．图５液压变压器动臂节能液压回路 ．—从第二个循环开始，系统的能量供应由液压泵和 蓄能器共同提供。由仿真结果可知，从第二个循环开 始，系统对液压泵的能量需求小于第一个循环。 图６无速度控制条件下活塞杆位移与速度之间关系 在液压缸伸出和缩回，电动机转速为３００和 ４６６ ｒ／ｍｉｎ，比例流量控制阀完全关闭时，液压缸活塞 杆的位移和速度之间的关系如图６所示。 在蓄能器储能和释能时，蓄能器压力变化如图７ 所示。 由图７可知，在无速度控制下，第二个循环中动臂 升起时，蓄能器释能，其液压缸速度和加速度均大于第 一个循环。为了按照预期速度驱动液压缸，可通过控 图７蓄能器压力（充能／释能） ２０１６年第６期 目、ｑ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ ７ ６ ５ ４ ３ ２ １ Ｏ 液压与气动 统可节约能量，实现降耗环保。 １０１ 势能存储和释放最大化时，动臂液压缸的速度控 制如图８所示。 一活塞杆速度 ．Ｏ．１５ ．Ｏ．２０ ０ １０ ２Ｏ ３０ ４０ ５０ 图８动臂液压缸控制曲线 由图８可知，从第二个循环开始，蓄能器释能，工 作期间，液压缸的速度保持恒定。 根据比例流量控制阀的开度不同，其势能存储量 不同 Ｊ。当比例流量控制阀完全闭合时，液压缸势能 回收量最大。为了满足系统工作需求，根据工速和系 统性能对比例流量控制阀进行控制。设计系统的能量 消耗和能量释放如表２所示。 表２能量消耗和能量释放 第一个 第二个 伸出／ 回缩 量控制 比例流 持续 循环的 循环的 前半个 前半个 节能／ 节能 速度／ 阀开度／ 时间／ 循环的 循环的 Ｊ 量／％ ｒ．ｍｉｎ一 ％ Ｓ 能量输 能量输 入／Ｊ 、 完全闭合 ｌ１．８ ２７１９．４５ ２６７１．４６ ４７．９９ １．７６ ｌ０ ｌ１．８ ２７１９．４５ ２６８０．２７ ３９．１８ １．４４ ３ｏｏ／４６６ ５０ １１．８ ２７１９．４５ ２６７８．２０ ４１．２４ １．５１ １ｏｏ ｌ１．８ ２７１９．４５ ２６５８．７６ ３３．７Ｏ １．２４ 根据挖掘机工速，由操纵杆调节比例流量控制阀 以获得能量回收／释放的最大化。比例流量控制阀开 度的变化范围为完全闭合～４０％开度。其可在满足系 统工作性能的前提下，降低系统的整体能量输入。 ４结论 本研究设计了可储存／释放能量的混合型液压挖 掘机系统。基于液压变压器的工作原理，对混合型液 压挖掘机模型进行仿真。由于回油路中储能器的压力 较大，在第二个循环之后的循环中，系统主泵排量可降 低，液压变压器将储能器中储存的能量输送于供压系 统。仿真结果表明，在满足工作需要的前提下，设计系 参考文献： ［１］周勇，宋春华．国内外液压挖掘机的发展动向［Ｊ］．矿山 机械，２００８，８（３）：１３—１６． ＺＨＯＵ Ｙｏｎｇ，ＳＯＮＧ Ｃｈｕｎｈｕａ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｔｒｅｎｄ ｏｆ Ｈｙ－ ｄｒａｕｌｉｃ Ｅｘｃａｖａｔｏｒ ａｔ Ｈｏｍｅ ａｎｄ Ａｂｍａｄ［Ｊ］．Ｍｉｎｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎ． ｃｒｙ，２００８，８（３）：１３—１６． ［２］黄宗益，叶伟，李兴华．液压挖掘机液压系统概述［Ｊ］．建 筑机械化，２００３，９（９）：１２—１６． ＨＵＡＮＧ Ｚｏｎｇｙｉ，ＹＥ Ｗｅｉ，ＬＩ ＸｉｎｇｈＨａ．Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ Ｈｙ－ ｄｒａｕｌｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｅｘｃａｖａｔｏｒ『Ｊ］．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ，２００３，９（９）：１２—１６． ［３］ 何清华，张大庆，郝鹏，等．液压挖掘机工作装置仿真研究 ［Ｊ］．系统仿真学报，２００６，３（１０）：７３５—７３８． ＨＥ ＱｉｎｇｈＨａ，ＺＨＡＮＧ Ｄａｑｉｎｇ，ＨＡＯ Ｐｅｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｓｉｍｕｌａ－ ｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｅｘｃａｖａｔｏｒ ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，２００６，３（１０）：７３５—７３８． ［４］林潇，管成，裴磊，等．混合动力液压挖掘机动臂势能回收 系统［Ｊ］．农业机械学报，２００９，４（１）：９６—１０１． ＬＩＮ Ｘｉａｏ，ＧＵＡＮ Ｃｈｅｎｇ，ＰＥＩ 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