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

李建松1,2，丁海港1，赵继云1，秦家升，史继江，王振兴

(1.中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州 221116；2.徐州工业职业技术学院 工程装备智能制造技术研究开发中心，江苏 徐州 221140；3.徐州徐工矿山机械有限公司，江苏 徐州 221000)

引言

当前，国内矿山开采及基础设施建设不断向大型化方向发展，超大型液压挖掘机的需求也日益旺盛。随着国家对工程机械排放标准的日趋严格和燃料价格的上涨，液压挖掘机能量利用效率低的缺点引起了用户和设备制造商的广泛关注。据日本神钢公司报道，传统的液压挖掘机发动机输出的功率只有大约20%转化成了有用功，其中损失在液压系统上的就达到了53%[1]。

以液压挖掘机的动臂为例，由于工作装置质量巨大，下放过程中需要释放出大量的势能。该能量大部分消耗在液压阀节流口并转换为热能，造成了能量的浪费和油液发热，降低了液压元件的寿命。在液压挖掘机的动臂、斗杆、铲斗和回转4个主要动作中均有类似的能量浪费问题，且以动臂所占的比重为最大，约为51%[2]。因此，研究动臂势能回收与再利用问题，对提高能量利用效率具有重要意义。目前，挖掘机的动臂势能回收系统主要有电力式和液压式两大类[3]。

电力式能量回收系统主要采用液压马达-发电机为能量转化元件，蓄电池或超级电容为储能元件，以实现能量的转换和回收。在国内，王庆丰[4]最早开展了液压挖掘机动臂势能电力式回收等关键技术方面的研究，并成功研制出20 t油电混合动力挖掘机试验样机[5]。国外，日立建机的OCHIAI等[6]提出一种利用液压马达-发电机组合用于回收工程机械臂架重力势能的方案。由于动臂下放作业时间通常很短，较多的能量瞬时释放使得功率较大，以致动臂势能回收系统通常需要装机功率较大的液压马达和发电机。针对此问题，王庆丰等[7-8]开发了集合蓄能器的电力式回收方案。该系统在动臂下放过程中，将动臂势能一部分转换成电能存储于超级电容，其余的先存储于液压蓄能器。当下放动作结束后，再将蓄能器的压力油释放出来继续驱动发电机单元工作，从而实现回收过程的延续。

液压式能量回收系统多采用蓄能器作为能量存储元件，以压力能的形式存储能量。美国卡特彼勒Lars Bruun[9]提出了一种新型液压式能量回收系统，并将其成功应用于一台50 t级液压挖掘机上。据报道，与传统液压挖掘机相比，该系统动臂上升过程的平均油耗降低了37%。利勃海尔公司[10]的专利中给出了一种利用平衡液压缸回收挖掘机动臂势能的方案。该方案中的平衡缸的无杆腔内充有高压气体，充当蓄能器的作用，从而无需外置蓄能器。山河智能公司[11]研制了增加1个液压缸做为平衡缸的能量回收方案，并在SWE350ES等产品上进行了应用。据称该方案在标准工况下可以降低燃油消耗18%。贺福强等提出了一种应用于液压挖掘机的动臂势能复合式再生系统。该系统可以将动臂的势能转化为电能和压力能两种形式的能量[12]。仿真表明该系统对动臂势能回收效率最高可达47.33%。权龙等[13]提出了基于液压蓄能器的挖掘机动臂势能直接回收方案。针对不同吨位的机型，通过设置平衡缸或使用三腔液压缸实现。动臂下放时，利用与之直连的液压蓄能器平衡动臂的部分重力；动臂提升时，液压蓄能器辅助动臂提升，减小对发动机的能量需求。根据试验，对于76 t和6 t挖掘机，可以分别达到49.1%和70.9%的能量回收效率。周华等[14]提出了利用三腔液压缸和液压蓄能器的挖掘机闭式液压系统方案，仿真表明，该方案可以减小系统的功率和能量需求50%以上。

上述方法对于中小型液压挖掘机容易实现，但对于超大型液压挖掘机，由于工作装置本身质量大，惯性大，而且液压缸流量非常大，以上方案进行能量回收时现有的液压或电气元件无法满足功率要求。目前，超大型挖掘机的最新的节能措施有动臂流量再生方案[15]。流量再生通过减少液压泵对动臂液压缸有杆腔的供油来实现节能。虽节省的流量较大，但动臂下落时有杆腔压力一般较低，所以节省的能量并不多[15]。

综上所述，需要进一步研究超大型液压挖机动臂势能回收再利用方式，以提高其能量利用效率。

1 混合式动臂势能回收系统方案设计

1.1 现有系统分析

以某300 t超大型液压挖掘机为例，动臂液压系统为电控正流量系统。执行元件为2只液压缸，动力元件为4台电比例液压泵，4片电液比例多路阀分别与液压泵对应控制动臂液压缸的伸缩运动。图1是简化后的动臂液压系统原理图。动臂举升由电液换向阀3控制；动臂下放由流量再生阀6控制，动臂液压缸4无杆腔油液一部分经流量再生阀6流入有杆腔，其余流回油箱5。

分析图1可知，动臂下落时，因负载与动臂液压缸运动方向一致，需要流量再生阀6对动臂液压缸4无杆腔的回油进行节流，从而形成足够的背压平衡动臂的负载，防止动臂失速。此处的节流损失能量来源于动臂的重力势能，并最终转化为油液的热能。

1.液压源 2.单向阀 3.电液换向阀 4.动臂液压缸 5.油箱 6.流量再生阀图1 现有动臂液压系统的简化原理

表1给出了动臂液压缸的主要参数。结合挖掘机三次试验数据，得到电液换向阀的节流损失功率和能量，见表2。

表1 动臂液压缸主要参数 mm

表2 三次动臂下放试验数据表

从表2中可知，动臂下放时损失的能量非常大。回收和再利用这些能量，对于提高挖掘机的能量利用效率有重要意义。

1.2 提出系统设计方案

为此，提出了一种流量再生与蓄能器回收相结合的混合式动臂势能回收系统，如图2所示。在原有液压系统的基础上，增加了以平衡缸和蓄能器相结合的能量回收单元。动臂下放时，动臂的重力主要由平衡液压缸8来支撑，动臂液压缸4输出力较小。具体的工作原理是：

(1) 势能回收与流量再生：当动臂下放时，电液换向阀3不动作，流量再生阀9的电磁铁Y2a通电。平衡液压缸8的活塞缩回，其腔体内的油液流出至蓄能器7。平衡液压缸8作为能量转化元件，将动臂的势能转化为油液的压力能。蓄能器7则作为能量存储元件收集压力能。同时，动臂液压缸4的活塞回缩，其无杆腔的流量进入流量再生阀6后，一部分流入有杆腔，剩余流量回油箱5。动臂液压缸4的有杆腔不再需要液压源供油，也就降低了系统对发动机的功率需求，节省了能量；

(2) 能量再利用：当动臂提升时，电液换向阀3工作在左位，液压源1的油液经单向阀2和电液换向阀3流入动臂液压缸4的无杆腔；动臂液压缸4有杆腔的油液经电液换向阀3流回油箱5。同时，蓄能器7内的压力油进入平衡液压缸8，辅助动臂液压缸4提升动臂。平衡液压缸8提供了部分驱动力，因此降低了对液压源1的功率需求。

1.液压源 2.单向阀 3.电液换向阀 4.动臂液压缸 5.油箱 6.动臂 7.蓄能器 8.平衡液压缸 9.流量再生阀 10.安全阀 11.补油单向阀 12.背压单向阀图2 混合式动臂势能回收系统原理

对图2分析可知，蓄能器7对系统的操控性能和能量回收效率的影响最大。如果蓄能器的充气压力过大，可能造成过平衡现象；如果充气压力过小，则流量再生阀6上损失的能量太多，影响能量回收的效率。蓄能器的容积同样对能量回收有很大的影响。

2 蓄能器关键参数优化设计

下面对蓄能器的充气压力和容积进行优化计算。根据波义耳定律：

(1)

式中，pa0为蓄能器的初始充气压力，Pa；Va0为蓄能器的原始体积，m3；pa1和pa2分别为蓄能器的最低和最高工作压力，Pa；Va1和Va2分别为蓄能器在最低和最高工作下的气体体积，m3。

蓄能器在工作时存储或释放的能量为：

(2)

式中，n为气体的多变指数。因为动臂的提升和下放速度很快，可视为绝热过程。此时，气体多变指数n=1.4。

以存储能量最多作为优化目标，有：

(3)

联立式(2)和式(3)，得：

(4)

动臂下放时，负载主要靠平衡液压缸来承担。设计的平衡液压缸的尺寸与动臂液压缸相同。为了保证动臂液压缸有杆腔能顺利补油，动臂液压缸的无杆腔必须保持一定的压力，假定为2 MPa。结合动臂液压缸的参数和下文图4测试压力，计算得平衡液压缸最大工作压力为27 MPa。此即为蓄能器的最大工作压力。结合式(4)，蓄能器最低工作压力为8.4 MPa。为了延长使用寿命，蓄能器充气压力通常比最低压力低，取8 MPa。

平衡缸与蓄能器直接连接，所以蓄能器的容积应该与平衡缸的容积相等。因动臂油缸很少全行程运动，假设工作时行程系数为0.6，计算得蓄能器的工作容积为126.8 L。

根据式(1)，得蓄能器在两种状态下的气体体积变化量，即工作容积Vw为:

(5)

可得蓄能器的初始容积V0=232.1 L。

本系统中选用皮囊式蓄能器。结合产品样本，选用2个公称容积125 L的蓄能器。

3 仿真及讨论

为评价提出的能量回收系统的效果，建立系统仿真模型如图3所示。模型中，用1只液压缸代替了2只动臂液压缸，但作用面积相同。根据前期试验[16]，在动臂下降的过程中，动臂液压缸无杆腔的工作压力较为稳定，如图4所示。仿真模型中使用此数据结合动臂液压缸尺寸计算动臂的模拟负载。

图3 AMESim仿真模型

图4 动臂油缸压力测试曲线

3.1 蓄能器与平衡液压缸间的容腔对系统的影响

蓄能器和平衡液压缸间有管路连接，其容腔大小主要取决于管道的容积、平衡缸的容积和蓄能器的容腔。分别设置容腔为10 mL，1 L和100 L，模拟不同长度的管路，动臂液压缸活塞位移变化情况如图5所示。

图5 不同容腔时动臂液压缸活塞位移曲线

从图5中可以看出，随着容腔的增大，平衡液压缸运动速度变化很小。考虑到挖掘机的空间有限，管路不会很长，因此蓄能器和平衡液压缸间容腔对动臂运动速度和系统能量回收的影响基本可以忽略不计。

3.2 蓄能器充气压力对能量回收的影响

随着动臂的下降，蓄能器内油液增多，压力会上升，过高将影响动臂的运动速度。分别设置蓄能器的充气压力为6，8，10 MPa，研究蓄能器的能量存储情况和动臂的运动情况，如图6所示。

图6 不同充气压力对系统性能的影响

从图6a中可以看出，蓄能器的充气压力对动臂的下放速度影响较大，充气压力越高，动臂下放时间越长。从图6b中可以看出，适当提高蓄能器的充气压力不会影响其储存油液的体积。因此，适当提高充气压力可以使回收的能量增加，但是需要注意过大的充气压力会使平衡液压缸承担过多的负载，造成过平衡现象，这将影响能量回收。所以，要控制充气压力在合理范围内。

3.3 蓄能器体积对回收能量的影响

蓄能器的体积大小同样会影响蓄能器在进油后的压力变化。因此，设置不同大小体积的蓄能器，分别为150，200，250，300 L，研究其对运动速度和能量回收的影响。仿真结果如图7所示。

由图7可知，较大的蓄能器体积可以使动臂下放的速度加快，但是增加的幅度较小。这是因为蓄能器体积越大，其压力在充液过程中变化越缓和，对动臂下放的阻碍作用越小，但是，蓄能器对动臂下放的平衡作用小，意味着回收能量减少。但蓄能器的体积太小，会造成蓄能器的压力增大过快，甚至造成动臂无法正常下落，图7中150 L对应的曲线即是这样的情况。这对系统的操控性造成了严重影响，应舍弃。

图7 蓄能器体积对系统性能的影响

具体的能量回收率计算见表3，从表3中可以看出，能量回收效率最高可达47.1%。效率随着蓄能器体积的变大而迅速减小。这是因为多余的能量消耗在流量再生阀的阀口上。合理的减小蓄能器的体积，可以提高能量回收的效果，但是会对动臂运动速度造成影响，二者需要进行平衡。

表3 能量回收效率

4 结论

针对某300 t超大型液压挖掘机的动臂势能浪费问题，提出了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，建立了系统的仿真模型，得出以下结论：

(1) 混合式动臂势能回收系统与液压式能量回收系统相比，在无需高压油液输入的情况下，实现动臂势能的高效率回收，减少了对泵的流量需求，具有良好的节能效果；

(2) 增加的能量回收单元，尤其是蓄能器的参数对系统的操控性有较大影响，需要合理匹配蓄能器的体积、充气压力等参数。

增加的能量回收单元对于复合动作等的影响，仍需进一步的研究和分析。