装载机节能液压系统设计

魏　伟， 李训明， 曲金玉

(山东理工大学 交通与车辆工程学院， 山东 淄博 255049)

装载机节能液压系统设计

魏伟， 李训明， 曲金玉

(山东理工大学 交通与车辆工程学院， 山东 淄博 255049)

摘要：针对现有装载机在循环作业工况下燃油消耗量大、能源利用率低以及无法回收动臂下降时的势能等问题，提出一种可回收动臂势能的装载机液压节能系统.介绍了该系统的工作原理及不同工作模式下的运行状况，建立了动臂下降时能量回收的数学模型，并用Simulink进行了仿真.仿真结果表明，该系统能改善装载机的工作效率，减少燃油消耗和排放.

关键词：节能；液压系统；工作模式；设计

轮式装载机作为一种重要的工程机种，具有机动灵活、操作简单、效率高等特点，因而被广泛应用于各种工程领域[1].国内现有的装载机无法回收动臂下降时的重力势能，且存在油耗高、装载作业效率低等不足[2-3]，为了解决以上问题，本文提出一种新的装载机节能液压系统.

1系统设计的基本要求

在确保系统工作安全的前提下，设计了一套能量回收再生装置.该装置需要满足以下条件：

(1) 在装载机动臂下降的过程中，能够将该部分重力势能回收，通过液压储能的方式储存在蓄能器中.液压储能方式具有功率密度大，能量保存时间较长，工作性能可靠的优点[4]，可以满足装载机作业过程中频繁举升下降的要求.

(2) 在装载机动臂上升的过程中，储存在蓄能器中的能量释放，与动臂举升主油路一起作用，减少此动作过程中的发动机功率消耗，提高作业效率.

(3) 不改变原有装载机的整体结构，便于装载机的改装.

2系统设计

2.1节能液压系统组成及原理图

节能液压系统主要由液压泵、蓄能器、低压闭式油箱、动臂油缸及液压控制单元组成，如图1所示.其中，液压泵用于将机械能装换为液体的液压能，蓄能器用于实现能量的存储，动臂油缸是该系统的执行器，用于执行控制单元的各项功能[5].

液压控制单元是该液压系统的核心部分，用于实现能量回收、储存和释放的液压控制.该单元集成有第一单向阀2、第二单向阀9、第三单向阀7、第一安全阀13、第二安全阀10、第三安全阀8、压力传感器16、第一电磁换向阀1、第二电磁换向阀3、第一电磁比例换向阀4、第二电磁比例换向阀5、第三电磁比例换向阀11、第四电磁比例换向阀12.

1.第一电磁换向阀;2.第一单向阀;3.第二电磁换向阀;4.第一电磁比例换向阀;5.第二电磁比例换向阀;6.液压控制单元;7.第三单向阀;8.第三安全阀;9.第二单向阀;10.第二安全阀;11.第三电磁比例换向阀;12.第四电磁比例换向阀;13.第一安全阀;14.动臂油缸;15.蓄能器;16.压力传感器;17.转斗油缸;18.低压闭式油箱;19.滤油器;20.液压泵

图1节能液压系统原理图

该装载机液压系统可用于液压混合动力轮式装载机.相对于电蓄能，液压蓄能具有功率密度大、可靠性高、容易实现正反转等优异的性能.该系统可以实现装载机工作的多种模式[6-7].

2.2节能液压系统的工作原理

本文中装载机节能液压系统可以分为动臂下降时的势能回收和动臂举升时的能量释放两种工作过程.在工作过程中，当动臂举升时，液压控制单元动作，液压油从15流出，与此同时，来自18的液压油与从15流出的液压油合流，经过4的P4、A4口进入14的无杆腔，使动臂举升过程中在不增加发动机输出功率的情况下，加速动臂举升速度，提高装载效率，14的有杆腔内油液在油缸活塞的作用下，经过4的B4、T4口以及液压控制单元回油口6b流回18；当动臂下降时，液压控制单元动作，液压油从18流出，经过5的A5、P5口进入14的有杆腔，而14的无杆腔内液压油在油缸活塞的作用下，经过5的B5、T5口一部分流回18，另一部分流至15内，使15内气体压力升高，从而可以将动臂下降过程中的重力势能以气体压力势能的方式储存在15中.

电磁比例换向阀不仅可以改变阀的工作液流动方向，而且可以控制阀口的大小实现流量调节，具有换向和节流的复合功能.在换向的同时，能够调节动臂举升和下降的速度，确保装载机可以按要求控制动臂举升和下降的速度[8].

3系统的工作过程分析

该液压系统包括动臂举升、动臂下降、液压泵卸荷三种工作过程.

3.1动臂举升过程

控制第一电磁比例换向阀4的电磁线圈4a通电电流，第一电磁比例换向阀的电磁线圈4a通电后，若蓄能器15的压力大于16MPa，液压油从蓄能器15流出，经过第一电磁比例换向阀4的P4、A4油口进入动臂油缸14无杆腔，动臂举升速度可通过改变第一电磁比例换向阀4的电磁线圈4a的通电电流进行调节；与此同时，第二电磁换向阀3通电，第二电磁换向阀3通电后将来自液压泵20的液压油经单向阀2、第二电磁换向阀3的P3、T3油口、第一电磁比例换向阀4的P4、A4油口后，与从蓄能器15流出的液压油合流，进入动臂油缸14的无杆腔，使动臂举升过程中在不增加发动机负荷的情况下，加速动臂举升速度，提高装载效率.而动臂油缸14有杆腔的油液在油缸活塞的作用下，依次通过第一电磁比例换向阀4的B4油口、T4油口进入低压闭式油箱18.

3.2动臂下降过程

控制第二电磁比例换向阀5的电磁线圈5a通电电流，第二电磁比例换向阀的电磁线圈5a通电后，来自液压泵20的液压油经过第二电磁比例换向阀5的P5、A5油口进入动臂油缸14有杆腔，而动臂油缸14无杆腔的油液在油缸活塞的作用下，通过第二电磁比例换向阀5的B5油口、T5油口一部分进入低压闭式油箱18，另一部分进入蓄能器15，使蓄能器15内气体压力升高，从而可以将动臂下降过程中的重力势能以气体压力势能的方式储存在蓄能器15中.动臂下降速度可通过改变第二电磁比例换向阀的电磁线圈5a的通电电流进行调节.

3.3液压泵卸荷过程

当装载机既不工作在动臂举升过程又不工作在动臂下降过程时，为防止液压泵驱动电机频繁启闭，第一电磁换向阀1的电磁线圈1a通电，液压泵20的出油口流出的液压油直接流回低压闭式油箱18.

4能量回收建模与仿真

动臂下降时，将重力势能以气体压力势能的方式储存在蓄能器15中.控制蓄能器回收时的最大流量为5L/s，则由蓄能器气体状态方程得

(1)

V2=V1-5t

(2)

式中：n为多变系数，取1.4；P1为蓄能器初始压力；V1为蓄能器中气体的初始体积；P2为蓄能器最高工作压力；V2为蓄能器最高工作压力下的气体体积；t为蓄能器体积变化的时间.

根据蓄能器实际回收能量公式[9]

(3)

由公式(1)，(2)，(3)得动臂下降时蓄能器能量回收的Simulink模型如图2所示.

图2　蓄能器能量回收Simulink模型

以临工5t轮式装载机为例，其各项基本参数及其他元件参数见表1.

表1　基本参数

运行Simulink模型，得到该过程蓄能器气囊压力和体积的变化曲线以及蓄能器实际回收能量的变化曲线(如图3～图5所示).

从图5可知，蓄能器回收能量约1.5kJ.装载机在动臂下降的过程中是空斗的，其势能约为6.06kJ，能量回收率为24.8%.装载机在实际作业过程中动臂会经常性的举升和下降，因此回收装载机的动臂势能具有一定实际意义.回收能量的目的就是进行再利用，当装载机动臂举升时，蓄能器作为辅助动力源提供动力，在不增加发动机输出功率的情况下，不仅能提高燃油经济性，而且提高了工作效率.

图3　蓄能器压力变化曲线

图4　蓄能器体积变化曲线

图5　蓄能器回收的能量变化曲线

参考文献:

[1]石荣玲,赵继云,孙辉.液压混合动力轮式装载机节能影响因素分析与优化[J].农业机械学报,2011,42(3):31-35.

[2]李东荣.轮式装载机液压储能节能技术研究[D].淄博：山东理工大学,2013.

[3]徐晓美,唐倩倩,王哲.混合动力装载机的研究现状及发展趋势[J].工程机械,2012,43(2):53-56.

[4]韩应飞,谷立臣,李天文,等.轮式装载机刹车能回收系统研究[J].工程机械,2011,42(10):19-23.

[5]吕其惠.装载机液压节能系统设计及仿真[J].起重运输机械,2013(8):60-63.

[6]严桃平.轮式装载机工作装置液压系统分析与改进设计[J].液压与气动,2011(8):67-68.

[7]李天宇,赵丁选,康怀亮,等.并联式混合动力装载机的参数匹配[J].吉林大学学报:工学版, 2013,43(4):916-921.

[8]SunH,JingJQ.Researchonthesystemconfigurationandenergycontrolstrategyforparallelhydraulichybridloader[J].AutomationinConstruction, 2010,19(2):213-220.

[9]吴文海,郑辉,邓斌,等.液压挖掘机制动能量回收系统[J].机械设计与研究, 2013,29(1):114-117.

(编辑：郝秀清)

收稿日期：2014-06-09

作者简介：魏伟，男，weiweiygdx@163.com; 通信作者：曲金玉，男，qujinyu@sina.com

文章编号：1672-6197(2015)02-0057-04

中图分类号：U415.51

文献标志码：A

Thedesignonenergysavinghydraulicsystemofwheelloader

WEIWei,LIXun-ming,QUJin-yu

(SchoolofTransportationandVehicleEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China)

Abstract:In order to solve the problems such as large amount of fuel consumption, low utilization of existing wheel loader under cycle operation,and unable to recycle potential energy of the boom, we proposed an energy saving hydraulic system to recycle the potential energy of the boom. The working principle of the system was introduced, the different running states under different operating modes were analyzed, the mathematic model of the recycled energy when the boom going down was built,and then the process was simulated with Simulink. This system can improve the working efficiency of the wheel loader, and reduce the fuel consumption and emission.

Key words:energy saving; hydraulic system; working operation; design