混合動力挖掘機節(jié)能系統(tǒng)研究

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摘要：文章對傳統(tǒng)液壓挖掘機的系統(tǒng)能耗進行了分析，并在此基礎上結合目前先進的節(jié)能技術，提出了一種油電、油液混合動力系統(tǒng)，這種動力系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對能量的回收。對23t傳統(tǒng)液壓挖掘機的參數(shù)配置進行分析后，建立了關于傳統(tǒng)液壓挖掘機以及油電、油液混合動力挖掘機回轉機構的數(shù)學模型，并對三種動力系統(tǒng)的節(jié)能效果進行了分析對比。

關鍵詞：液壓挖掘機；能量回收；節(jié)能系統(tǒng)；回轉機構

引言

傳統(tǒng)挖掘機節(jié)能效果的實現(xiàn)只能依賴于動力系統(tǒng)的改進，并對挖掘機運行過程中浪費的能量進行有效的回收，而混合動力挖掘機就能實現(xiàn)回收能量的目的。日立建機在2003年的時候研發(fā)出了世界上首臺混合動力輪式裝載機，這種混合動力在工程機械車輛的運用是一種劃時代的舉措。而后日本小松充分借鑒了這種成功經(jīng)驗研發(fā)出了首臺混合動力的挖掘機，實現(xiàn)了節(jié)能28%的目的[1]。

1油電混合和油液混合動力系統(tǒng)對比

1.1油電混合動力

在混合動力系統(tǒng)運行的過程中，如果驅(qū)動液壓泵的能量不超過發(fā)動機實際的輸出能量，那么發(fā)動機就會帶動液壓泵進行運轉，而多余的能量會經(jīng)過ISG電機的轉化后對超級電容進行充電，而當液壓泵運行時需要的能量過大，發(fā)動機不能滿足能量需求的時候，超級電容就會與發(fā)動機共同來為液壓泵的運行提供能量。挖掘機的整個回轉系統(tǒng)由原來的回轉馬達改造成了ISG電機驅(qū)動，這樣在回轉系統(tǒng)進行制動操作的時候，ISG就能將制動能量轉化成超級電容的充電電能。挖掘機的動力臂從高位下降產(chǎn)生的勢能將通過液壓馬達以及電機系統(tǒng)進行回收，然后將轉化后的能量在超級電容中進行儲存。改造后該混合動力系統(tǒng)最大的特點就是當系統(tǒng)實際需要的負載功率較大時，ISG電機就能對發(fā)動機形成輔助，減輕了發(fā)動機的功率輸出壓力，這樣發(fā)動機的燃料消耗就會始終處在合理的位置。而在系統(tǒng)負荷功率要求低的時候，通過ISG電機會將多余能量進行回收，并對超級電容形成充電效果，這樣電機的運行也實現(xiàn)了最優(yōu)運行效果[2]。

1.2油液混合動力

挖掘機的回轉系統(tǒng)在制動的時候，液壓馬達會出現(xiàn)溢流發(fā)熱現(xiàn)象，導致能量損失，因此，可以合理的使用蓄能器將溢流能量進行回收儲存。這樣在系統(tǒng)實際運行需要的功率較大的時候，就可以通過蓄能器的回收能量來進行補充，而動力臂從高位下降的過程中也會產(chǎn)生一定的勢能，從而引起動臂液壓缸回油口的油液上升，這時候就可以將帶壓的部分油液通過蓄能器進行回收，當系統(tǒng)運行需要的油液量大時再將回收的油液補充給液壓系統(tǒng)。

2回轉系統(tǒng)分析

回轉系統(tǒng)是挖掘機中非常重要的結構部分，在挖掘機運行的過程中，回轉系統(tǒng)是運行時間最長的機構，同時也是能耗最大的，其能耗占到挖掘機總能耗的25%-40%，因此，挖掘機節(jié)能系統(tǒng)的改造核心內(nèi)容就是回轉系統(tǒng)的改造。

2.1傳統(tǒng)液壓回轉系統(tǒng)

傳統(tǒng)的回傳系統(tǒng)動力源主要是柱塞泵，動力源提供的壓力油經(jīng)過伺服閥傳遞到回轉馬達，這樣就會在回轉馬達的進出油口形成壓力差，在壓力差的作用下實現(xiàn)轉動。而轉動的控制則主要是有伺服閥來實現(xiàn)。

2.2油電混合動力回轉系統(tǒng)

該回轉系統(tǒng)主要是由超級電容來提供能量，通過電機和變速箱來帶動轉臺轉動，回轉系統(tǒng)的轉動控制是由操控臺的控制器來進行控制，操控臺在給出轉動指令后，由解碼器進行解碼并將指令下達給電動機，從而實現(xiàn)電機扭矩的輸出。

2.3油液混合動力回轉系統(tǒng)

該回轉系統(tǒng)主要的能量則是由蓄能器和液壓泵來共同提供，而液壓馬達是執(zhí)行元件，液壓馬達在油壓的驅(qū)動下通過變速箱將能量傳遞給轉臺，從而實現(xiàn)了轉臺以及其余工作裝置的轉動，回轉系統(tǒng)在剎車的過程中多余能量由蓄能器進行回收，該回轉系統(tǒng)的控制實現(xiàn)與油電混合動力回轉系統(tǒng)完全相同。

3回轉系統(tǒng)仿真分析

為保證液壓、油液混合動力回轉系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)正常運轉，因此在仿真過程中選擇的液壓馬達為KMF90AB-3型，該液壓馬達的排量為88.6mL/r，額定轉速達到了2350r/min，通過對回轉系統(tǒng)的精確計算最終將蓄能器的容量確定為10L。而為保證油電混合動力回轉系統(tǒng)能滿足實際的回轉功率需求，將電動機的型號選定為Y180M-2型，該電機的額定功率為30kW，額定轉速能夠達到1870r/min。本次仿真使用了AMEsim軟件，整個回轉系統(tǒng)仿真的工況設置為回轉90°位置后停留4s，然后將轉臺回轉到初始位置。通過對三種回轉系統(tǒng)仿真角位移、角速度、能耗性能曲線的分析可以得出。當信號輸入相同的條件下，兩種混合動力回轉系統(tǒng)回轉過程中的角位移基本一致，能夠快速的做出反應并完成回轉，而傳統(tǒng)液壓回轉系統(tǒng)的相應有非常明顯的滯后現(xiàn)象，但能夠完成指定的回轉命令。由此可見，混合動力回轉系統(tǒng)與傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)相比較相應更加精確、迅速。而三種回轉系統(tǒng)的角速度走向基本一致，但是角速度的加速以及減速響應仿真中，兩種混合動力回轉系統(tǒng)的響應更加快速，由于油液混合動力的蓄能器在釋放油液的時候產(chǎn)生的超調(diào)量比較大，而傳統(tǒng)液壓式系統(tǒng)存在變量因素導致兩者的運行平穩(wěn)性與油電混合動力系統(tǒng)存在一定的差距。通過對三種回轉系統(tǒng)的功率消耗的積分處理后得出其能量消耗曲線。由能耗曲線可知，在回轉系統(tǒng)的一個工作行程內(nèi)，油電混合動力的能耗最少，僅僅為65kJ，而油液混合動力能耗為81kJ，傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)能耗最大，為112kJ，可見，油電混合動力能夠?qū)崿F(xiàn)技能42%，而油液混合動力的節(jié)能效果稍差為28%。

4結束語

通過對23t挖掘機的3種回轉系統(tǒng)的分析后進行了仿真分析，對其系統(tǒng)性能以及節(jié)能效果進行了分析，發(fā)現(xiàn)混合動力的運行更加平穩(wěn)，節(jié)能效果良好，油氣是油電混合動力系統(tǒng)，不僅反應快速，運行穩(wěn)定，而且能夠?qū)崿F(xiàn)技能42%的效果。

參考文獻：

[1]吳文海.并聯(lián)式混合動力液壓挖掘機能量回收與動力匹配技術研究[D].西南交通大學，2015.

[2]姚明星.復合動作工況下液壓挖掘機動臂與轉臺節(jié)能技術研究[D].西南交通大學，2017.

作者：戴立明 王正 單位：江陰市華西和林礦業(yè)有限公司 江陰華西鋼鐵有限公司