本文摘要：挖掘機(jī)是一種具有多功能的機(jī)械，所進(jìn)行的作業(yè)內(nèi)容包括挖掘、裝載、填埋、挖溝、平整、搬運(yùn)、破碎等。其作業(yè)土質(zhì)變化較大，所以使用的方式和要求也各有不同。根據(jù)作業(yè)的工況和使用的要求對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵井下優(yōu)化設(shè)定，控制發(fā)動(dòng)機(jī)的油門開度以及液壓泵的排量
挖掘機(jī)是一種具有多功能的機(jī)械，所進(jìn)行的作業(yè)內(nèi)容包括挖掘、裝載、填埋、挖溝、平整、搬運(yùn)、破碎等。其作業(yè)土質(zhì)變化較大，所以使用的方式和要求也各有不同。根據(jù)作業(yè)的工況和使用的要求對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵井下優(yōu)化設(shè)定，控制發(fā)動(dòng)機(jī)的油門開度以及液壓泵的排量等。一般來說是通過動(dòng)力模式開關(guān)來選擇動(dòng)力模式，輸入控制器經(jīng)處理后輸出控制電流，不同的模式輸出不同的控制電流值，經(jīng)過電液比例壓力閥轉(zhuǎn)變成的控制壓力也不同。
液壓氣動(dòng)與密封雜志中文核心期刊投稿自1981年創(chuàng)刊以來，至今已發(fā)行156期。期刊堅(jiān)持面向企業(yè)、面向生產(chǎn)、理論與應(yīng)用研究相結(jié)合的方針，主要報(bào)道國內(nèi)外最新的液壓氣動(dòng)密封技術(shù)、發(fā)展趨勢(shì)和市場(chǎng)調(diào)研，有實(shí)用價(jià)值的新產(chǎn)品、新成果、新經(jīng)驗(yàn)，及其在主機(jī)上應(yīng)用實(shí)例和前景分析，世界主要國家和地區(qū)的流體動(dòng)力行業(yè)動(dòng)態(tài)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和標(biāo)準(zhǔn)化工作等。
挖掘機(jī)在工作過程中制動(dòng)頻繁，能量損耗大，為了回收制動(dòng)回轉(zhuǎn)過程中的的能量，設(shè)計(jì)了液壓混合動(dòng)力挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，利用蓄能器回收制動(dòng)能量。闡述了液壓混合動(dòng)力的工作原理，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究和分析。結(jié)果表明：液壓混合動(dòng)力降低了液壓泵的功率損耗和液壓馬達(dá)的壓力波動(dòng);在節(jié)能方面，蓄能器的能量回收效率達(dá)到74.75%，達(dá)到了節(jié)能的目的。
關(guān)鍵詞：
液壓混合動(dòng)力挖掘機(jī)能量回收試驗(yàn)研究0引言液壓混合動(dòng)力是以液壓蓄能器為儲(chǔ)能元件的一種新型混合動(dòng)力技術(shù)，該技術(shù)通過液壓泵/馬達(dá)實(shí)現(xiàn)了蓄能與車輛動(dòng)能之間的轉(zhuǎn)換。相對(duì)于電動(dòng)混合動(dòng)力技術(shù)，液壓傳動(dòng)混合動(dòng)力技術(shù)具有功率密度大，短時(shí)間完成能量釋放和存儲(chǔ)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在負(fù)載變化平凡的復(fù)雜工況更能發(fā)揮其節(jié)能減排的優(yōu)勢(shì)[1]，因此成為國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)企業(yè)競相研究開發(fā)的熱點(diǎn)。近年來，液壓混合動(dòng)力在城市公交車、皮卡、多功能商務(wù)用車、郵政車、城市垃圾車等車型了做了應(yīng)用研究，結(jié)果表明該技術(shù)提高燃油經(jīng)濟(jì)性28%～60%【2-3】;由于工況的不同，液壓混合動(dòng)力在工程機(jī)械等車型應(yīng)用研究較少。油電混合動(dòng)力技術(shù)在液壓挖掘機(jī)的應(yīng)用國內(nèi)外研究較多。本文詳細(xì)分析液壓混合動(dòng)力的特點(diǎn)及在液壓挖掘機(jī)上應(yīng)用的選型研究、試驗(yàn)研究，為挖掘機(jī)行業(yè)的節(jié)能技術(shù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
1液壓混合動(dòng)力的原理及特點(diǎn)
液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)的輔助動(dòng)力裝置由能量轉(zhuǎn)換元件(液壓泵/馬達(dá))和儲(chǔ)能元件(液壓儲(chǔ)能器)組成。在制動(dòng)時(shí)，二次元件泵/馬達(dá)將以泵的形式工作，車輛行駛的動(dòng)能帶動(dòng)泵旋轉(zhuǎn)，將液壓油壓入蓄能器中，實(shí)現(xiàn)動(dòng)能到液壓能的轉(zhuǎn)化;車輛啟動(dòng)或加速時(shí)，二次元件泵/馬達(dá)將以馬達(dá)的行駛工作，蓄能器釋放高壓油以驅(qū)動(dòng)馬達(dá)工作，實(shí)現(xiàn)液壓能到車輛動(dòng)能的轉(zhuǎn)化[5-7]。按照動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式不同，液壓混合動(dòng)力基本上三種動(dòng)力傳動(dòng)方式，即串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)。
1.1串聯(lián)
串聯(lián)式液壓混合動(dòng)力車的傳動(dòng)系中有兩種或兩種以上的動(dòng)力源可同時(shí)或單獨(dú)提供動(dòng)力，但僅有1種執(zhí)行元件驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作，串聯(lián)液壓混合動(dòng)力的傳動(dòng)系主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、主減速、液壓蓄能器和兩個(gè)液壓泵、馬達(dá)組成。發(fā)動(dòng)機(jī)和高壓液壓蓄能器為兩個(gè)動(dòng)力源，兩個(gè)液壓泵/馬達(dá)具有雙向并具有可逆性，與主減速器鏈接的液壓泵/馬達(dá)主要作為驅(qū)動(dòng)車輪的執(zhí)行元件使用，與發(fā)動(dòng)機(jī)連接的液壓泵/馬達(dá)主要作為動(dòng)力元件使用【4】。原理如圖1所示。
1.2并聯(lián)
并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力的動(dòng)力傳動(dòng)系中有兩種或兩種以上的動(dòng)力源可同時(shí)或單獨(dú)提供動(dòng)力，有兩個(gè)或兩個(gè)以上相應(yīng)的執(zhí)行元件可同時(shí)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，該動(dòng)力傳動(dòng)系主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、主減速、液壓蓄能器和液壓泵/馬達(dá)組成。并聯(lián)形式通常保留傳統(tǒng)車的動(dòng)力傳動(dòng)鏈，只是在原傳動(dòng)鏈上增加了有液壓泵/馬達(dá)和液壓蓄能器組成的能量再生系統(tǒng)，從而形成雙動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。原理如圖2所示。
2混合動(dòng)力挖掘機(jī)的原理和特點(diǎn)
2.1方案的選擇
在3種驅(qū)動(dòng)方式中，并聯(lián)車型技術(shù)難度低，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低廉。結(jié)合國內(nèi)外研究情況(串聯(lián)和混聯(lián)車型的研究幾乎無人問津)，故驅(qū)動(dòng)方式選擇并聯(lián)驅(qū)動(dòng)【5】。并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力一般可以認(rèn)為是普通液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和液壓能量再生系統(tǒng)的并聯(lián)。液壓能量再生系統(tǒng)由一雙向且可逆的液壓泵/馬達(dá)和一個(gè)高壓蓄能器組成，高壓蓄能器存儲(chǔ)和釋放回轉(zhuǎn)剎車動(dòng)能。并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力由一智能型中央電子控制器，它將負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)和蓄能器之間的動(dòng)力切換、信號(hào)輸出以及回收剎車能量【6】。液壓混合動(dòng)力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)如圖3所示。
3試驗(yàn)研究
3.1試驗(yàn)結(jié)果分析
挖掘機(jī)有四種工作模式：H模式為重載模式，S模式為標(biāo)準(zhǔn)模式，F(xiàn)C模式為輕載模式，D為獨(dú)立行走模式。下面在H模式下的20噸挖掘機(jī)，按照標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況進(jìn)行試驗(yàn)研究，具體內(nèi)容如下：連續(xù)挖掘5min左右的連續(xù)挖掘，共計(jì)18個(gè)周期性循環(huán)，各參量周期性變化，通過分析典型單個(gè)挖掘周期各參量對(duì)應(yīng)關(guān)系即可反應(yīng)整體情況。從圖4得知在挖掘過程中雙泵輸出功率始終保持相同，單泵功率約為42kW，雙泵輸出總功率為84kW左右。各挖掘周期挖掘功率基本相同，呈現(xiàn)周期性變化。通過分析單周期各階段功率變化可判斷各階段功率損耗，雙泵功率輸出情況等。選取整個(gè)挖掘周期中第n1周期、第n2周期的功率曲線進(jìn)行分析。從圖5第n1周期與圖6第n2周期單周期液壓系統(tǒng)輸出功率曲線來看，挖掘初始階段液壓系統(tǒng)輸出功率在系統(tǒng)總功率附近劇烈變化，滿載動(dòng)臂提升回轉(zhuǎn)90度工況下雙泵輸出功率穩(wěn)定，斗桿、鏟斗卸載工況下系統(tǒng)輸出功率變化劇烈，空斗回程液壓系統(tǒng)輸出功率急劇下降。
3.2系統(tǒng)能量分析
挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)裝置制動(dòng)時(shí)，假設(shè)蓄能器的工作壓力從升到，體積從下降到，蓄能器進(jìn)行制動(dòng)能量的回收，其回收的能量就是外界對(duì)蓄能器內(nèi)氣體所做的功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律有E1=∫V2V1Pdv=∫V2V1P1V2()Vdv=P2V21-n1-V2V()11-[]n(式1)由測(cè)試結(jié)果可知，蓄能器在制動(dòng)過程中的壓力和體積的變化如下：p1=24.53MPp2=27.58MPV1=8.46LV2=7.62L將p1p2V1V2代入式(1)，得蓄能器回收的能量為E1=18.56KJ挖掘機(jī)在制動(dòng)過程中，由于回轉(zhuǎn)裝置慣性而損失的能量計(jì)算公式為：E=12JW22-12JW21(式2)式中：J為滿斗回轉(zhuǎn)時(shí)回轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg•m2);W2為回轉(zhuǎn)裝置開始制動(dòng)時(shí)的回轉(zhuǎn)速度(rad/s);W1為回轉(zhuǎn)裝置制動(dòng)結(jié)束時(shí)的回轉(zhuǎn)速度(rad/s);根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知：W2=0rad/s，W2=1.23rad/s，代入式(2)，得回轉(zhuǎn)裝置損失的能量為E=24.83KJ。制動(dòng)能量回收效率定義為蓄能器回收能量與回轉(zhuǎn)裝置制動(dòng)能量變化值之比。所以，制動(dòng)能量回收效率為η=E1E=18.5624.83×100%=74.75%。
4結(jié)論
制定了了挖掘機(jī)液壓混合動(dòng)力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的方案，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究，闡述了液壓混合動(dòng)力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作原理。通過試驗(yàn)研究結(jié)果表明：(1)液壓混合動(dòng)力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)在一定程度上降低了液壓泵的功率損耗和液壓馬達(dá)的壓力波動(dòng)。(2)計(jì)算結(jié)果表明：油液混合動(dòng)力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，蓄能器的能量回收效率達(dá)到74.75%，達(dá)到了節(jié)能的目的。(3)通過試驗(yàn)結(jié)果可得：液壓混合動(dòng)力的能提高燃油經(jīng)濟(jì)26%--35%。
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