液压挖掘机动臂自重液-气储能平衡方法研究

液压挖掘机在作业中,动臂将高频次大范围举升和下降,现有挖掘机无能量回收装置,大量势能将在动臂下降时通过控制阀的节流作用浪费掉。为回收利用这部分浪费掉的能量,对动臂自重液-气储能平衡方法进行研究,在此基础上,提出采用三腔液压缸直接转换利用挖掘机重力势能的系统原理。三腔液压缸是在原两腔液压缸基础上,将双腔液压缸无杆腔分为两个容腔而构成,其中一个容腔与蓄能器连接,称为配重腔,设置蓄能器压力与动臂自重基本平衡。研究中,首先建立动臂驱动系统的能耗数学模型,分析系统的能量特性;然后以20 t挖掘机为例,建立整机的机电液联合仿真模型,分析对比分别采用双腔液压缸系统和三腔液压缸系统,动臂的运行特性和能耗特性;进一步构建试验测试平台,验证所提系统的可行性和节能效果。结果表明,新系统较双腔液压缸驱动系统,重力势能回收利用率达68%,节能效果显著,该方法也完全适用于各种类型的液压举升机构。     

开式容积与储能平衡协同控制挖掘机动臂的能效

为适应挖掘机电动化的发展需求,提出一种开式容积与储能平衡协同控制液压挖掘机动臂的原理,通过改变伺服电机转速控制定量液压泵输出流量匹配负载需求,三腔液压缸的独立储能容腔连接蓄能器,将动臂下降时的重力势能转化为液压能存储并在举升动臂时再利用。研究中,分别测试了变量泵和伺服电机的动态响应速度,并测试了定转速异步电机驱动变量泵、变转速伺服电机驱动定量泵这两种动力源的能效,构建了液压挖掘机动臂储能平衡试验测试系统,对比分析了这两种动力源驱动挖掘机动臂的能效特性。结果表明,与异步电机驱动变量泵作为动力源相比,采用伺服电机驱动定量泵作为动力源驱动挖掘机动臂可降低峰值功率19.8%,一个周期内降低能耗58.7%,节能效果非常显著。     

直驱泵控三腔液压缸挖掘机动臂节能研究

针对液压挖掘机动臂系统举升时峰值功率大、下降时重力势能转换为热能浪费等情况，提出直驱泵控三腔液压缸动臂节能系统。该系统采用柱塞缸与活塞缸结合形成的三腔液压缸，通过伺服电机驱动定量泵控制A,B腔，C腔与蓄能器相接进行存储释放势能，并对蓄能器不同初始压力下对系统能耗进行分析。同时增设逆变器、电容等对马达工况回馈的能量进行电气式能量回收。MATLAB/Simulink建立直驱泵控三腔液压缸节能系统模型。在仅动臂升降工况下进行仿真，结果表明，相比直驱泵控差动缸，提出的节能系统可降低峰值功率36.64%和节能40.24%,实现高效的势能回收，取得良好的节能效果，同时系统运行速度最大误差减小了23%,进一步提高了系统运行平稳性。     

液气复合驱动液压挖掘机动臂运行特性及能效

液压挖掘机作业中,大质量动臂举升储存的势能经液压阀口节流转化为热能耗散,不仅浪费能源,还使液压油温度升高,需附加冷却系统降温,增加了机器的成本和复杂性。为解决上述问题,在原有负载敏感驱动回路的基础上,提出基于三腔液压缸的工作装置自重液气平衡势能回收利用方法,三腔液压缸中一个油腔与液压蓄能器直接连通,存储利用工作装置的势能。研究中,首先根据前期的仿真结果,建立了基于三腔液压缸的液压挖掘机测试样机,通过试验,分析对比了分别采用两腔液压缸和三腔液压缸驱动动臂的运行特性与能效特性,测试结果表明,增加液气储能容腔后,提高了系统运行的平稳性,动臂运行过程中的能耗降低48.5%,峰值功率降低64.7%,节能效果显著。新的方法也同样适用于各类液压缸驱动的重载举升装置。     

闭式泵控液气储能重载举升机构特性研究

采用变转速泵控缸闭式系统的重载举升机构,在超越负载工况下,若不采用制动电阻或能量回收装置,系统将由于电机不能支撑反向负载而失控。但制动电阻消耗电机的发电能量,降低系统能效,增加系统散热负担。针对上述问题,提出一种基于液气储能的重载举升机构闭式泵控三腔液压缸系统,并将其应用于液压挖掘机动臂。液压泵与三腔液压缸的无杆腔和有杆腔连接,控制动臂运行;配重腔与蓄能器连接平衡挖掘机执行机构的重量,直接回收利用执行机构的势能。研究中,首先确定三腔液压缸和蓄能器的参数,然后设计系统的控制策略,最后构建闭式泵控三腔液压缸的挖掘机动臂试验系统,验证系统的可行性。试验结果表明,合理设置蓄能器的压力,不仅可以实现动臂势能的直接回收利用,而且可以使电机始终处于电动状态,提高系统的可控性和能量效率,与负载敏感控制的三腔液压缸系统相比,液压泵输出能量降低27.2%。     

液气储能双缸驱动大型液压挖掘机动臂节能特性研究

液压挖掘机工作过程中存在大量的重力势能浪费,严重影响整机能效并造成大的排放污染。针对双液压缸驱动动臂的大型液压挖掘机,提出采用双液气储能液压缸驱动液压挖掘机动臂、集成驱动与势能回收一体化原理,降低机器作业能耗和排放。将原双腔液压缸改为集成有储能腔的三腔液压缸,储能腔与液压蓄能器直接连通,通过液压蓄能器初始充液压力平衡工作装置自重,直接回收利用工作装置重力势能。根据36 t大型液压挖掘机作业特点和重力势能变化情况,设计出液压缸和液压蓄能器的参数。进一步建立数字化样机,通过对液气储能驱动系统进行仿真研究,对液压泵输出流量和控制阀的阀口参数重新匹配,修改了与回转复合动作的合流控制策略,并初步验证了液气储能驱动系统的节能效果。在此基础上构建了试验样机,90°标准装车作业循环测试表明,与同型号液压挖掘机相比,在满足同样挖掘力的情况下,整机工作效率提升20.7%,燃油消耗降低17.1%,如按每天作业8 h计算,单台车每天可节约燃油达47 L,减少二氧化碳排放123.6 kg。     

液电混合半主动驱动机械臂储能系统设计及仿真

针对传统工程装备机械臂重力势能浪费及运行特性差等问题,提出利用高功重比液压缸辅助小功率电机械执行器驱动机械臂的液电混合半主动驱动系统。其中,电机械执行器主动控制机械臂运行,改善运行特性;液压缸与蓄能器连接,构成储能平衡系统,用于平衡机械臂自重,回收利用重力势能。根据电机械执行器与液压缸不同组合方式,提出3种驱动方案,以挖掘机动臂为具体应用对象,对不同驱动方案进行参数匹配设计和仿真分析。与节能效果显著的三腔液压缸负载敏感控制系统相比,液电混合驱动系统可进一步降低能耗达51%~56%,动臂速度超调和波动较小,可很好地按照预期速度运行。研究为举升机构驱动系统提供了新的方向,可实现绿色驱动,应用前景广泛。     

液压驱动机械臂势能回收利用研究工作进展

液压缸驱动的机械臂,由于自身重量较大,举升过程中会累积很大的重力势能,在下降过程经过液压阀的节流作用转换为热能耗散掉,不仅浪费能源,还需要额外的冷却装置进行散热,进一步增加系统的能耗和成本,解决方法是高效率地回收和利用这部分能量。对重力势能电气回收利用方式和液压回收利用方式的国内外研究现状进行全面的分析对比,根据重力势能回收和再利用过程能量的转换方式与传递路径,分析电气回收利用、蓄能器直接回收利用、闭式泵控与蓄能器组合回收利用、机械臂重力蓄能器预充压平衡四种方法的优点和不足。最后,对全新的能量转换次数少、传递路径短、各环节效率高的液压和电气混合驱动机械臂工作原理、能效特性做分析,并给出试验测试结果,研究成果对设计和推广应用高能效液压缸驱动的机械臂具有重要的指导意义。     

挖掘机械

正单斗挖掘机GJ20166037挖掘机动臂势能蓄能器回收系统研究[刊,中]/崔洪光//建筑机械化.-2016,37(6).-15~18液压挖掘机动臂液压缸回缩时,重力势能转换成压力能,若该压力能得不到回收利用,则只能通过阀口节流等方式消耗掉,导致系统能量利用低且发热严重等问题。提出采用液压蓄能器对动臂势能进行回收,并设计了相应的回收方案。图10GJ20166038基于TRIZ的电动挖掘机     

蓄能式挖掘机多油缸动臂势能回收利用方案设计

利用蓄能器充能及放能的工作原理,设计一种挖掘机多油缸动臂势能回收节能系统。实现在动臂下降时,动臂下降的势能储存在蓄能器中,动臂举升时,蓄能器释放能量推动动臂上升,实现液压挖掘机动臂势能回收循环利用,从而达到节能的目的。     

液压挖掘机动臂势能复合式再生系统的研究

为提高液压挖掘机的能量利用率,提出了一种新型复合式动臂势能回收方法。把动臂下落时的回油腔通过回转马达连接到1个蓄能器上,动臂下落时的势能一部分转化为蓄能器的液压能,在动臂提升时蓄能器的液压能转化为动臂的势能;一部分通过发电机转化为电能,储存在超级电容中。蓄能器的压力用来辅助驱动回转泵的转动,这样就可以减少回转马达功率的输入,通过调整马达的排量来控制动臂提升和下落的速度,利用2个液控单向阀来实现系统的保压。这种方法没有节流和溢流损失,回收效率高。通过仿真验证了方法的可行性,实现了动臂势能的回收,为动臂势能回收的实际应用提供了参考。     

液电混合驱动轮式挖掘机行走系统特性分析

轮式挖掘机行走时,行驶速度变化频繁,负载的剧烈变化导致发动机效率低下;制动时动能由机械制动器消耗,大量机械能转化为热能,能量损失严重。为此,提出液电混合驱动轮式挖掘机行走系统,采用高能效的伺服电机控制行走速度,液压泵/马达与蓄能器组合,回收制动动能,并在加速等大功率工况辅助电机驱动行走系统。对系统的工作原理进行参数设计,制定驱动与制动控制策略,建立原机行走系统与所提系统的多学科联合仿真模型,进行仿真分析。结果表明：相同工况下,与原机行走系统相比,液电混合驱动行走系统能耗降低了56.5%,高效回收了制动动能。     

超大型液压挖掘机混合式动臂势能回收系统设计及仿真分析

由于工作装置和负载的质量巨大，超大型液压挖掘机动臂下放时大量势能经液压阀口转变成油液的热能，造成油液温度升高。对此，提出一种流量再生与蓄能器相结合的混合式动臂势能回收系统。该系统通过流量再生原理，使动臂液压缸无杆腔流量的一部分流入有杆腔，减少对液压泵的流量需求，降低系统对发动机的功率需求；同时，使用蓄能器和平衡缸相结合的方式回收工作装置的势能，并在动臂提升时实现回收能量的再利用，提高了系统的能量利用效率。建立了系统的仿真模型，对影响势能回收和能量利用效率的关键参数进行了研究分析。结果表明，混合式动臂势能回收方案具有较好的能量回收效果，节能效果显著。     

大型矿用液压挖掘机动臂运行及能效特性

作为大型矿用液压挖掘机的主要工作装置,重型机械臂在作业中主要做往复循环运动,下降过程中所具有的动势能会因控制阀口的节流效应转化为热能损失掉,该部分能量占发动机输出能量的20％以上,造成巨大能量浪费和废气排放.针对以上问题,提出在原双液压缸动臂驱动系统的基础上增设一个与液压蓄能器相连的独立储能液压缸,实现对重载机械臂动势...     

液压挖掘机主被动复合驱动回转系统特性及能效

液压挖掘机上车回转系统起动时,由于大惯性、高起动压力而造成大量的溢流损失;制动时回转动能转化为热能,能量损耗大。为此提出主被动复合驱动回转系统,在主驱动回转系统的基础上增设被动回路,被动液压马达用于降低主驱动液压马达的驱动功率及回收制动能量;为降低起动过程中的溢流损失,对主动回路采用进出口独立控制。针对主动马达和被动马达不同排量比对蓄能器压力的影响,提出了改变被动马达排量的优化方案。首先,进行元件匹配计算;然后,建立挖掘机主被动复合驱动回转系统联合仿真模型,与原机回转系统进行能耗对比。结果表明:主被动复合驱动系统在1个工作循环内能耗降低了35.9%~53.1%,实现了节能,提高了工作效率。