高韶坤,艾建軍

(保定職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系,河北 保定 071000)

引言

能源危機意識逐步形成,電驅(qū)動挖掘機雖是工程機械行業(yè)趨勢,但液壓挖掘機仍是主流,其能耗大亟待解決,故研究液壓挖掘機的節(jié)能技術(shù)顯得尤為重要,其關(guān)鍵突破點主要有斗桿內(nèi)收再生、動臂下降勢能回收、回轉(zhuǎn)制動能量回收及混合動力技術(shù)應(yīng)用等[1-4]。

在挖掘工況、平地、甩方工況中,液壓挖掘機執(zhí)行最多的動作為斗桿內(nèi)收,故斗桿內(nèi)收可作為節(jié)能優(yōu)化的改善方向。國內(nèi)外對液壓挖掘機執(zhí)行機構(gòu)能量回收再利用的研究不斷深入。胡鵬等[5]基于平衡油路技術(shù)設(shè)計了多液壓缸的挖掘機動臂勢能交互回收系統(tǒng),降低了動臂舉升主泵輸出壓力峰值。李建松等[6]將飛輪作為儲能元件進行動臂勢能回收再利用,研究了飛輪轉(zhuǎn)動慣量對動臂能量回收的影響,仿真驗證了該技術(shù)能提升系統(tǒng)工作效率。肖廣鑫等[7]將液壓儲能、氣體儲能和電能儲能技術(shù)混合對液壓挖掘機動臂勢能回收,基于AMESim建立了微挖混合儲能系統(tǒng)的全尺寸仿真模型,通過仿真驗證該系統(tǒng)可回收約87.05%的勢能。李云棟等[8]通過設(shè)計一種斗桿再生回路解決了挖掘機斗桿回路不能完全再生的情況,基于AMESim建立了斗桿液壓再生回路模型,并通過多路閥試驗臺進行驗證,對斗桿再生改進提供了指導(dǎo)。周智勇[9]分析了液壓挖掘機動臂流量再生系統(tǒng),深度研究了流量再生閥特性,仿真表明動臂油缸小腔流量再生量取決于再生閥開啟壓力和回油節(jié)流槽。劉凱磊等[10]針對傳統(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng)節(jié)流損失大問題,采用二位二通比例閥代替多路閥主閥,設(shè)計了挖掘機負(fù)載口獨立控制系統(tǒng),基于AMESim-ADAMS研究表明負(fù)載口獨立控制系統(tǒng)平均節(jié)能14.47%。趙春紅等[11]基于液壓變壓器設(shè)計了挖掘機液壓節(jié)能系統(tǒng),利用AMESim-MATLAB聯(lián)合仿真了其能耗,對比研究了閥控液壓系統(tǒng)和液壓節(jié)能系統(tǒng)的能量利用率。CHOI K等[12]將獨立控制閥應(yīng)用于雙泵系統(tǒng)的液壓挖掘機動臂、斗桿、鏟斗進回油路,通過流量再生驗證其節(jié)能效果,分析了獨立控制閥工作模式和控制邏輯,比較了獨立控制閥和傳統(tǒng)主控制閥對泵功耗的影響。YU Y等[13]提出采用電液連續(xù)可變動力驅(qū)動主泵,同時控制發(fā)動機速度和扭矩,制定了等效消耗最小化策略,以計算發(fā)動機、電機/發(fā)電機和液壓泵的控制命令,降低了液壓挖掘機的燃油消耗和排放。

檢索國內(nèi)外有關(guān)挖掘機節(jié)能方面的科研文獻,發(fā)現(xiàn),節(jié)能系統(tǒng)大部分涉及流量再生,但一般為增加再生流量,往往設(shè)計小面積的主閥芯回油節(jié)流槽使執(zhí)行裝置回油背壓較高,導(dǎo)致重載工況下(如挖掘硬土)系統(tǒng)極易達到溢流工況,嚴(yán)重影響工作效率。且針對液壓挖掘機斗桿內(nèi)收節(jié)能系統(tǒng)方面的研究較少。

故本研究對液壓挖掘機斗桿內(nèi)收系統(tǒng)深入研究,首先設(shè)計了一種新型液壓挖掘機斗桿內(nèi)收節(jié)能系統(tǒng),引入節(jié)能閥對斗桿內(nèi)收流量不再生時進行回油背壓切換,詳細(xì)闡述了其工作原理,搭建了有無節(jié)能閥的斗桿內(nèi)收系統(tǒng)仿真模型,對比研究了有無節(jié)能閥的斗桿內(nèi)收系統(tǒng)性能,分析了節(jié)能閥通流面積對斗桿內(nèi)收節(jié)能特性的影響情況,簡要進行了系統(tǒng)實際應(yīng)用可行性分析,最后進行了挖掘機整機改裝測試驗證仿真結(jié)論,該研究對挖掘機節(jié)能系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

1 液壓挖掘機斗桿內(nèi)收節(jié)能系統(tǒng)

斗桿聯(lián)是液壓挖掘機多路閥關(guān)鍵一聯(lián),通過切換斗桿聯(lián)主閥芯兩側(cè)先導(dǎo)壓力完成斗桿油缸伸縮動作[14],即斗桿內(nèi)收和外擺。如圖1所示,液壓挖掘機在挖掘工況下,其挖掘力主要由斗桿提供,先導(dǎo)壓力作用于斗桿聯(lián)主閥芯7右側(cè)時,斗桿主閥芯7處于右工作位,變量泵給斗桿油缸10大腔供油,斗桿油缸10大腔油壓高于小腔油壓,再生流量閥9處于關(guān)閉狀態(tài),節(jié)能閥8處于右工作位,斗桿油缸10小腔油液通過節(jié)能閥8右位回油,節(jié)能閥8右位過流面積大,故挖掘工況下斗桿油缸10回油背壓低,系統(tǒng)壓力低;液壓挖掘機斗桿空載內(nèi)收至垂直大臂90°前,斗桿重力使斗桿被動伸出,斗桿油缸10小腔壓力大于大腔壓力,節(jié)能閥8處于左工作位,斗桿油缸10小腔油液通過節(jié)能閥8左位回油,節(jié)能閥8左位過流面積較小,斗桿油缸10小腔回油背壓增大,再生流量閥9開啟,斗桿油缸10小腔部分油液通過再生流量閥9進入斗桿大腔實現(xiàn)流量再生功能,從而加快斗桿內(nèi)收速度。

1.油箱 2.變量缸 3.變量泵 4.功率閥 5.壓力切斷閥 6.壓差閥 7.主閥芯 8.節(jié)能閥 9.再生流量閥 10.斗桿油缸 11.梭閥 12.斗桿

2 液壓挖掘機斗桿內(nèi)收節(jié)能分析及建模

2.1 節(jié)能理論分析

挖掘工況主泵輸出功率:

W=p·Q/60

(1)

式中,W——輸出功率,kW

p——主泵出口壓力,MPa

Q——主泵輸出流量,L/min

挖掘工況主要靠斗桿內(nèi)收的挖掘力,降低主泵出口壓力,有助于降低泵能耗,增加有效作用力。

挖掘過程斗桿油缸活塞受力分析:

(2)

式中,F——有效作用力,N

p1——斗桿油缸無桿腔壓力,MPa

p2——斗桿油缸有桿腔壓力,MPa

D——斗桿油缸缸徑,mm

d——斗桿油缸桿徑,mm

F0——挖掘阻力,N

為降低泵能耗,增加有效挖掘力,從降低進油壓力角度出發(fā),引入節(jié)能閥,使重載工況下斗桿內(nèi)收從低背壓油路通道回油,實現(xiàn)挖掘機斗桿內(nèi)收節(jié)能。

2.2 系統(tǒng)建模

基于AMESim搭建有節(jié)能閥和無節(jié)能閥的斗桿內(nèi)收流量再生節(jié)能系統(tǒng)仿真模型圖如圖2所示,斗桿油缸大小腔配置二次溢流閥,壓力等級25 MPa[15-17]。

1.變量泵 2.斗桿油缸 3.再生流量閥 4.節(jié)能閥 5.斗桿主閥 6.斗桿油缸大腔先導(dǎo)信號 7.斗桿油缸小腔先導(dǎo)信號

3 液壓挖掘機斗桿內(nèi)收節(jié)能系統(tǒng)仿真分析

3.1 有無節(jié)能閥的斗桿內(nèi)收節(jié)能特性對比

斗桿節(jié)能系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。按表1對斗桿內(nèi)收流量再生AMESim仿真模型進行參數(shù)設(shè)置,給定步長0.01 s,仿真10 s,仿真得到如下有關(guān)節(jié)能特性的數(shù)據(jù)曲線:圖3為斗桿內(nèi)收速度,圖4為斗桿油缸位移,圖5為斗桿油缸大腔壓力,圖6為斗桿油缸小腔壓力,圖7為無節(jié)能閥系統(tǒng)的再生流量閥流量,圖8為有節(jié)能閥系統(tǒng)的節(jié)能閥、主閥芯回油及再生流量閥流量。

表1 斗桿節(jié)能系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)

圖3 斗桿內(nèi)收速度

圖4 斗桿油缸位移

圖5 斗桿油缸大腔壓力

圖6 斗桿油缸小腔回油背壓

圖7 無節(jié)能閥系統(tǒng)的再生流量閥流量

圖8 節(jié)能閥、主閥芯回油及再生流量閥流量

從圖3看出,有節(jié)能閥系統(tǒng)的斗桿內(nèi)收速度為0.26 m/s,無節(jié)能閥系統(tǒng)的斗桿內(nèi)收速度為0.22 m/s,增加節(jié)能閥后,斗桿內(nèi)收速度提高0.04 m/s,相對提高約18%。

從圖4看出,有節(jié)能閥系統(tǒng)的斗桿內(nèi)收到底(油缸位移1.5 m)時間為5.8 s,無節(jié)能閥系統(tǒng)的斗桿內(nèi)收到底(油缸位移1.5 m)時間為6.8 s,增加節(jié)能閥后,斗桿內(nèi)收加快1 s。

從圖5看出,無節(jié)能閥系統(tǒng)的斗桿油缸大腔壓力為18.7 MPa,有節(jié)能閥系統(tǒng)的斗桿油缸大腔壓力為6.6 MPa,相差12.1 MPa,節(jié)能閥降低約65%的系統(tǒng)壓力。

從圖6看出,有節(jié)能閥的斗桿油缸小腔壓力為0.3 MPa,即回油背壓很小,無節(jié)能閥的斗桿油缸小腔壓力為20.3 MPa,相差20 MPa。

從圖7、圖8看出,有節(jié)能閥的系統(tǒng)斗桿內(nèi)收無流量再生,斗桿小腔回油流量絕大部分通過節(jié)能閥回油,回油流量為43.5 L/min,通過斗桿主閥芯回油僅有3.6 L/min。

綜上,節(jié)能閥通過降低內(nèi)收回油背壓既提高了內(nèi)收速度又降低了系統(tǒng)壓力,在重載工況下可避免系統(tǒng)溢流損失。

3.2 節(jié)能閥直徑對斗桿內(nèi)收節(jié)能的影響

節(jié)能閥直徑?jīng)Q定了節(jié)能閥的通流能力,通過改變節(jié)能閥直徑進行斗桿內(nèi)收節(jié)能特性的影響研究,由于重載工況斗桿內(nèi)收需要節(jié)能閥直接打開,并不考慮其微動特性,不需要設(shè)計復(fù)雜形狀的節(jié)流槽,其簡圖如圖9所示,左圖為節(jié)能閥關(guān)閉狀態(tài),右圖為節(jié)能閥接通狀態(tài),接通狀態(tài)下其最大過流面積為環(huán)形面積,計算公式如下:

圖9 節(jié)能閥結(jié)構(gòu)模型示意圖

Amax=π/4(D2-d2)

(1)

式中,Amax——過流面積,mm2

D——節(jié)能閥直徑,mm

d——節(jié)能閥閥桿底徑,mm

改變節(jié)能閥直徑為7.5,6,5.5,4 mm進行斗桿內(nèi)收仿真,圖10為節(jié)能閥直徑對其最大通流面積的影響情況,圖11為節(jié)能閥直徑對斗桿內(nèi)收流量的影響,圖12為節(jié)能閥直徑對斗桿主閥芯回油流量的影響,圖13為節(jié)能閥直徑對節(jié)能閥流量的影響,圖14為節(jié)能閥直徑對斗桿內(nèi)收壓力的影響。

圖10 節(jié)能閥直徑對節(jié)能閥最大通流面積的影響

圖11 節(jié)能閥直徑對斗桿內(nèi)收流量的影響

圖12 節(jié)能閥直徑對斗桿主閥芯回油流量的影響

圖13 節(jié)能閥直徑對節(jié)能閥流量的影響

圖14 節(jié)能閥直徑對斗桿內(nèi)收壓力的影響

從圖10、圖11看出,增大節(jié)能閥直徑,節(jié)能閥最大通流能力增加,但對斗桿內(nèi)收流量無影響,主要原因是節(jié)能閥最大通流面積約是斗桿主閥芯回油面積的3～12倍(節(jié)能閥直徑取4 mm,其通流面積約11.78 mm2,主閥回油槽面積約3.6 mm2,比例關(guān)系為3.27∶1;節(jié)能閥直徑取7.5 mm,其最大通流面積約43.39 mm2,主閥回油槽面積不變,比例關(guān)系為12.1∶1),斗桿內(nèi)收過程,斗桿油缸小腔油液絕大部分從節(jié)能閥回油。

從圖12、圖13看出,節(jié)能閥直徑由7.5 mm減小至4 mm,斗桿內(nèi)收通過斗桿主閥芯回油流量由3.6 L/min增加至10.5 L/min,通過節(jié)能閥回油流量由43.5 L/min減小至36.6 L/min,但相同直徑下斗桿主閥芯回油與節(jié)能閥回油總流量不變(回油總流量=3.6 L/min+43.5 L/min=10.5 L/min+36.6 L/min)。

從圖13、圖14看出,節(jié)能閥直徑由7.5 mm減小至4 mm,斗桿內(nèi)收大腔壓力6.5 MPa增加至7.7 MPa,斗桿內(nèi)收小腔壓力0.3 MPa增加至2.1 MPa。

綜上,節(jié)能閥直徑對斗桿內(nèi)收系統(tǒng)輸出流量和回油總流量基本無影響,對斗桿內(nèi)收系統(tǒng)壓力影響程度小,節(jié)能閥直徑對斗桿內(nèi)收回油流量分配起關(guān)鍵作用,節(jié)能閥直徑在4～7.5 mm范圍內(nèi)變化,76.6%以上的小腔油液通過節(jié)能閥回油。

4 系統(tǒng)實際應(yīng)用可行性分析

從仿真結(jié)論看,節(jié)能閥引入對改善斗桿內(nèi)收速度和系統(tǒng)壓力具有較好作用,節(jié)能閥直徑從4～7.5 mm變化,其斗桿內(nèi)收節(jié)能特性影響不大,故節(jié)能閥的實際應(yīng)用可從以下兩點進行:

(1) 節(jié)能閥設(shè)計成獨立閥塊,并聯(lián)至斗桿內(nèi)收回油路;

(2) 節(jié)能閥設(shè)計成獨立插裝閥芯,布置在多路閥主閥體上或斗桿主閥芯內(nèi)孔。

5 挖掘機整機驗證

節(jié)能閥從設(shè)計到試制需要較長周期,對節(jié)能閥的節(jié)能效果進行簡化驗證,根據(jù)節(jié)能閥的工作原理,挖掘工況下節(jié)能閥開啟,節(jié)能閥開啟即斗桿油缸小腔低背壓回油,可在斗桿小腔油路并聯(lián)一路直回油箱油路,該油路由手調(diào)開關(guān)閥控制啟閉,如圖15所示為挖掘機測試整機。

圖15 挖掘機整機

測試儀器采用DEWE43M數(shù)據(jù)采集儀1個,該模塊具備8個模擬量通道和8個頻率通道,通過USB數(shù)據(jù)線與上位機連接進行數(shù)據(jù)讀取記錄,測試主要用到4個壓力傳感器和1個位移傳感器,分別測試斗桿油缸大腔、小腔、先導(dǎo)和位移信息,如表2所示。

表2 測試傳感器信息

測試內(nèi)容分兩項:

(1) 手調(diào)球閥關(guān)閉狀態(tài),采集挖掘工況下斗桿內(nèi)收的油缸大小腔壓力數(shù)據(jù)和油缸位移數(shù)據(jù);

(2) 挖掘狀態(tài)下,手調(diào)球閥開啟,采集相同的壓力和位移數(shù)據(jù)。對采集的位移數(shù)據(jù)進行求導(dǎo)處理,并整理壓力數(shù)據(jù),圖16、圖17分別為球閥關(guān)閉和開啟狀態(tài)下的斗桿內(nèi)收壓力和速度曲線。

圖16 球閥關(guān)閉下的斗桿內(nèi)收壓力和速度曲線

圖17 球閥開啟下的斗桿內(nèi)收壓力和速度曲線

由圖16和圖17對比可知,挖掘工況下,斗桿油缸有桿腔油液通過主閥回油,節(jié)流背壓高,斗桿速度慢,均接近仿真值;通過球閥單獨回油,回油背壓低,有桿腔壓力較低,降低了泵輸出功率,達到較好的節(jié)能效果,單獨回油,斗桿內(nèi)收速度提高19.5%。

通過改裝原車斗桿油缸油路并進行實測數(shù)據(jù)對比,驗證了斗桿油缸有桿腔回油若能很好地切換節(jié)流背壓即能達到節(jié)能目的,后續(xù)研究的重點工作是節(jié)能閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計和試制,可獨立閥塊串接油路,亦可集成于主閥內(nèi)部。

6 結(jié)論

在挖掘或重載工況下,液壓挖掘機斗桿內(nèi)收流量再生系統(tǒng)存在斗桿內(nèi)收速度慢、溢流損失等問題,對此本研究引入一種節(jié)能閥,與斗桿內(nèi)收回油油路并聯(lián),首先設(shè)計了液壓挖掘機斗桿節(jié)能系統(tǒng),詳細(xì)進行了其工作機理研究,基于AMESim搭建了斗桿內(nèi)收流量再生節(jié)能系統(tǒng)的仿真模型,對比研究了有無節(jié)能閥的斗桿內(nèi)收速度、壓力、流量等特性,最后分析了不同直徑的節(jié)能閥對斗桿內(nèi)收節(jié)能特性的影響效果,并分析了系統(tǒng)實際應(yīng)用的可行性,通過實測驗證了仿真結(jié)論,為進一步研究液壓挖掘機節(jié)能減排提供參考,主要得出以下結(jié)論:

(1) 節(jié)能閥使斗桿內(nèi)收速度增加18%,斗桿油缸進油壓力降低65%,有效提升挖掘速度和挖掘力,同時有助于降低系統(tǒng)能耗;

(2) 節(jié)能閥直徑/通流能力遠(yuǎn)大于斗桿主閥芯,對斗桿內(nèi)收系統(tǒng)輸出流量、回油總流量、系統(tǒng)壓力影響不大;

(3) 節(jié)能閥通流面積主要進行斗桿內(nèi)收回油流量分配,節(jié)能閥直徑在4～7.5 mm范圍內(nèi)變化時,76.6%以上的小腔油液通過節(jié)能;

(4) 實測數(shù)據(jù)表明斗桿內(nèi)收速度能提高19.5%,較好地驗證了仿真結(jié)論。