液压挖掘机动臂势能回收系统设计

崔 凯

(广西机电职业技术学院 工程实训学院, 广西 南宁 530007)

引言

液压挖掘机是集挖掘、平地、甩方一体作业的工程机械,在外摆平地、甩方装料工况下动臂下降执行最多[1-2],动臂下降重力势能存在严重浪费问题,故动臂下降能量回收问题亟待解决。

有关挖掘机重力势能回收的公开文献不少,如肖广鑫等[3]通过液压蓄能器和电储能方式分别保证能量回收系统的功率密度和能量密度;薄晓楠等[4]采用流量再生和电液比例节流阀控技术有效回收了挖掘机动臂下降重力势能,降低了溢流损失;孙斌等[5]通过三腔液压缸的独立储能容腔和蓄能器存储动臂下降重力势能,并搭建了液压挖掘机动臂储能平衡试验测试系统;关澈等[6]设计了纯电驱液压挖掘机动臂势能回收再利用系统,基于SimulationX搭建了系统机电液联合仿真模型,仿真得出该系统能回收21.8%动臂势能。李建松等[7]通过蓄能器和平衡缸回收动臂下降重力势能,分析了蓄能器关键参数对能量回收利用率的影响;付春雨等[8]基于ADAMS和AMESim搭建了动臂势能回收系统的联合仿真模型,仿真表明动臂势能回收率为22.6%;刘志东等[9]采用数据采集方式和功率利用率分析方法改进了挖掘机工作装置液压系统及其控制策略,降低对主泵的输出功率消耗;晋超等[10]通过储能液压缸协同驱动重型机械臂升降实现了重力势能回收再利用,分析了储能缸和驱动缸无杆腔面积比对节能效果的影响,并进行了面积参数优化;夏连鹏等[11-12]采用集成有储能腔的三腔液压缸对动臂下降重力势能回收,试验样机在90°标准挖掘循环测试中,工作效率提升了20.7%;李泽鹏等[13]设计了电动缸为主、液压缸-蓄能器组合为辅的液电混合动臂驱动系统,动臂下降时,重力势能存储在蓄能器中,动臂举升时,存储的液压能驱动液压缸辅助电动缸驱动动臂。

检索结论:

(1) 大部分研究中通过引入三腔液压缸和蓄能器联合回收液压挖掘机动臂势能,但三腔液压缸加工难度大,目前市场无应用;

(2) 缺乏对传统能量回收技术的深入研究。基于此,本研究对传统形式的动臂流量再生系统持续优化改进,分析了其局限性和缺陷,对负载敏感挖掘机动臂重力势能回收系统进行了方案设计,基于AMESim搭建了各元件及系统仿真模型,并进行了参数配置,仿真分析了动臂升降时大小腔压力、流量、再生流量动态性能及动臂位移速度动态性能,计算了再生流量贡献率,研究了再生阀芯通径、大腔回油背压、主阀LS→动臂小腔通流面积等系统关键参数对再生流量和动臂速度的影响情况,并进行了整机测试验证,该研究对挖掘机节能升级改进具有较好的理论指导意义。

1 挖掘机动臂重力势能回收系统分析

挖掘机动臂、斗杆、铲斗及油缸铰接示意如图1所示,本研究只开展挖掘机动臂下降重力势能回收技术研究。

图1 挖掘机动臂斗杆铲斗及油缸铰接示意图Fig.1 Cylinder articulation schematic diagram of excavator boom, arm, bucket

液压挖掘机动臂流量再生系统设计方案如图2所示,方案一:流量再生阀与动臂油缸直接并联;方案二:流量再生阀设计在主阀芯内孔,主阀芯为空心结构,在主阀芯处于右工作位,流量再生阀起作用;方案三:流量再生阀设计在主阀芯外部,对工作联阀体加厚处理,主阀芯处于右工作位时流量再生阀开启,其主阀芯为三位五通阀。

图2 流量再生原理设计方案图Fig.2 Flow regeneration principle design scheme diagram

液压挖掘机动臂流量再生系统方案优缺点分析如下:方案一,动臂下降过程,动臂油缸缩回,动臂油缸大腔通过主阀芯节流槽回油,由于重力作用,动臂大腔压力大于小腔压力,此时大腔油液通过流量再生阀进入小腔,同时变量泵给动臂小腔补油,防止动臂快速下降导致小腔吸空;动臂上升过程,动臂油缸伸出为差动回路,影响动臂提升速度,故方案一不可行[14];方案二,动臂下降过程与方案一相同,动臂上升过程,流量再生阀关闭,由于流量再生阀设计在主阀芯内孔,故主阀芯外径尺寸对流量再生阀通径有限制作用,如主阀芯外径为12 mm,若单边壁厚预留4 mm,则流量再生阀最大通径为4 mm,故方案二具有一定局限性和缺陷;方案三,动臂升降过程与方案二相同,但流量再生阀设计在主阀芯外部,其通径不受限制,只需加厚动臂工作联阀体,相对前两者,方案三优势更多,故选择方案三。

对方案三进行详细设计,得到如图3所示的负载敏感控制的挖掘机动臂重力势能回收系统。

1.油箱 2.变量泵 3.电机 4.待命旁通阀 5.变量柱塞 6.压力切断阀 7.定压差阀 8.外部流量再生阀 9.主阀芯 10.动臂油缸 11.梭阀图3 液压挖掘机动臂重力势能回收系统Fig.3 Hydraulic excavator boom gravity potential energy recovery system

液压挖掘机动臂重力势能回收系统原理:

(1) 主阀芯9中位时,LS不反馈负载压力,变量泵2通过待命旁通阀4低压卸荷,变量泵压力等效于旁通阀弹簧力;

(2) 主阀芯9处于右位时动臂下降,LS油路反馈动臂大小腔负载压力,LS油路建压,待命旁通阀4关闭,LS油路连通定压差阀7弹簧腔,其等效于变量泵压力,故P和LS压差恒定,变量泵通过主阀芯右位节流槽给动臂油缸小腔补液,动臂重力使动臂油缸大腔压力大于小腔压力,再生流量阀开启,大腔油液给小腔补液;

(3) 主阀芯9处于左位时动臂上升,流量再生阀截止,调节主阀芯先导控制压力可控制动臂提升速度。

2 挖掘机动臂重力势能回收系统建模

2.1 模型分解建模及参数设置

基于AMESim搭建负载敏感变量泵[15]仿真模型如图4所示,表1为其仿真参数。

表1 变量泵仿真参数Tab.1 Variable displacement pump simulation parameters

图4 变量泵模型Fig.4 Variable pump model

基于AMESim搭建待命旁通阀如图5所示,表2为其仿真参数。

表2 待命旁通阀仿真参数Tab.2 Standby bypass valve simulation parameters

图5 待命旁通阀模型Fig.5 Standby bypass valve model

基于AMESim搭建主阀芯模型如图6所示,表3为其仿真参数。

表3 主阀芯仿真参数Tab.3 Main valve core simulation parameters

图6 主阀芯模型Fig.6 Main valve core model

基于AMESim搭建流量再生阀模型如图7所示,表4为其仿真参数。

表4 流量再生阀模型仿真参数Tab.4 Simulation parameters of flow regeneration valve model

图7 流量再生阀模型Fig.7 Flow regeneration valve model

基于AMESim搭建动臂及油缸模型如图8所示,表5为其仿真参数。

表5 动臂及油缸模型仿真参数Tab.5 Boom and cylinder model simulation parameters

图8 动臂及油缸模型Fig.8 Boom and cylinder model

2.2 系统总模型搭建

基于以上各元件模型及参数,搭建如图9所示的动臂重力势能回收系统仿真总模型。

图9 动臂重力势能回收系统仿真模型总模型Fig.9 General Model of Simulation Model for Boom Gravity Potential Energy Recovery System

3 挖掘机动臂重力势能回收系统仿真

初始参数下,给定动臂主阀芯先导压力如图10所示,1.5 s内控制主阀左侧先导压力由0逐渐增加至4 MPa,保持6 s后1.5 s内控制主阀左侧先导压力由4 MPa减小至0,此阶段动臂处于下降状态;同理,给定右侧先导压力,控制动臂提升。如图11所示为动臂升降极限位置图,左图为最高位,右图为最低位。

图10 主阀芯先导控制压力Fig.10 Main valve core pilot control pressure

图11 动臂升降极限位置图Fig.11 Boom lifting limit position diagram

仿真20 s得到表针液压挖掘机动臂升降过程系统性能曲线,图12为动臂大小腔压力动态曲线、图13为动臂大小腔及流量再生阀流量动态曲线、图14为动臂位移速度动态曲线。

图12 动臂大小腔压力Fig.12 Boom chamber pressure

图13 动臂大小腔及再生阀流量Fig.13 Boom chamber and regeneration valve flow rate

图14 动臂油缸位移速度曲线Fig.14 Boom cylinder displacement velocity curve

由图12可知:动臂下降时动臂大腔压力5.6 MPa,小腔压力3.3 MPa;动臂提升时动臂大腔压力4.7 MPa,小腔压力1.6 MPa;升降到极限位置大小腔压力达到安全阀压力22.5 MPa。

由图13可知:动臂下降时动臂小腔输入流量74.2 L/min,其中有43 L/min由泵提供,有31.2 L/min由流量再生阀提供,再生流量贡献率为48%,动臂大腔输出流量140.8 L/min;动臂提升时动臂大腔输入流量83.7 L/min,小腔输出流量44.1 L/min。

由图14可知:动臂下降速度为0.12 m/s,下降时间为4.7 s,动臂提升速度为0.07 m/s,提升时间为8 s。

4 挖掘机动臂重力势能回收性能影响因素

4.1 流量再生阀通径

设置流量再生阀通径为7.0, 6.5, 5.5, 4.5 mm时进行动臂下降仿真,图15为流量再生阀通径对再生流量的影响,图16为流量再生阀通径对动臂速度的影响。

图15 流量再生阀通径对再生流量的影响Fig.15 Influence of flow regeneration valve diameter on regeneration flow rate

由图15～图16可知:流量再生阀通径对再生流量有影响, 增大通径, 再生流量增加, 有助于提升动臂下降速度,验证了主阀芯和再生流量阀分体布置具有一定优势,即方案三优势较大。据此,在实际应用中,可通过增加流量再生阀通径增加动臂下降速度。

4.2 大腔回油通流面积

设置大腔回油通流面积函数:pi×0.01×(x/7.5)、 pi×0.01×(x/8.5)、 pi×0.01×(x/9.5)、 pi×0.01×(x/10.5)进行仿真,图17为大腔回油通流面积对再生流量的影响,图18为大腔回油通流面积对动臂速度的影响。

图17 大腔回油通流面积对再生流量的影响Fig.17 Influence of return oil flow area of large chamber on regeneration flow

图18 大腔回油通流面积对动臂速度的影响Fig.18 Influence of return oil flow area of large chamber on speed of boom

由图17～图18可知:大腔回油通流面积对再生流量影响很大,减小大腔回油通流面积,即增加动臂下降背压,再生流量减小,动臂下降速度减小,再生流量减小主要原因是:动臂下降背压增加,下降速度变慢,大腔输出流量减小。据此,在实际应用中,并不能单纯通过增加回油背压增大再生流量,进而增加动臂下降速度,反而使动臂下降速度减小。

4.3 主阀芯LS腔→小腔通流面积

设置主阀芯LS腔→小腔通流面积: pi×0.01×(x/6), pi×0.01×(x/5), pi×0.01×(x/4), pi×0.01×(x/3)进行动臂下降仿真,图19为LS腔→小腔通流面积对再生流量的影响,图20为LS腔→小腔通流面积对动臂速度的影响。

图19 LS腔→小腔通流面积对动臂速度的影响Fig.19 Influence of LS cavity→ small cavity flow area on boom speed

图20 LS腔→小腔通流面积对动臂速度的影响Fig.20 Influence of LS cavity→ small cavity flow area on boom speed

由图19～图20可知:LS腔→小腔通流面积对再生流量影响也很大,增大LS腔→小腔通流面积,再生流量增加,动臂下降速度增加,主要原因是再生流量通过LS腔→小腔通流面积进入动臂小腔,增加其值有助于提升动臂下落速度。据此,在实际应用中,可通过增加LS腔→小腔通流面积增加动臂下降速度。

5 动臂流量再生整机测试

为验证方案三的实际应用效果,将进行整机实测数据分析,出于技术保密,装机多路阀和挖掘机型号这里不做过多描述,如图21所示为测试设备调试图和整机测试图。

图21 设备调试和整机测试图Fig.21 Equipment debugging and overall testing diagram

在动臂液压缸大小腔安装EL18LOMD和VKA3/18L压力测试接头,在主阀P口安装EL08LOMD和VKA3/08L压力测试接头,在主阀Ls口、动臂联先导口安装EL08LOMD和VKA3/08L压力测试接头,并在动臂液压缸安装位移传感器,在主泵出口处串接流量计进行主泵输出流量采集,如表6所示为测试传感器选型。

表6 测试传感器选型Tab.6 Selection of testing sensors

挖机手控制动臂下降,动臂下降过程进行数据采集,测试所得主阀P口、Ls压力、动臂大小腔压力、动臂先导压力和动臂位移如图22所示。

图22 实测压力位移数据Fig.22 Measured pressure displacement data

由图22可知:实测压力大于仿真压力数据,实测压力数据和仿真压力数据误差原因可归纳这么几点:

(1) 装车主阀实际压损较仿真压损大;

(2) 整机管路压损较大。

根据实测动臂下降位移,可微分求导获得动臂下降速度v(m/s),根据式(1)进一步得到动臂小腔计算流量Q(L/min)。

Q=pi/4×(D2-d2)v×60/10000000

(1)

式中,D—— 动臂油缸缸径,mm

d—— 动臂油缸杆径,mm

通过动臂小腔计算流量和实测主泵输出流量求差,获得动臂小腔再生流量,如图23所示。

图23 动臂小腔流量分析Fig.23 Analysis of flow rate in small chamber of boom

从图23可得:动臂下降过程中,动臂小腔再生流量贡献率占比约28.2%,低于仿真值48%,尽管存在一定误差,但仿真和实测共同验证了流量再生阀的重要作用。

6 结论

液压挖掘机动臂下降重力势能浪费严重,且现有动臂重力势能回收系统不足,对此,本研究进行了液压挖掘机动臂重力势能回收系统方案设计,并详细设计了负载敏感控制的液压挖掘机动臂重力势能回收原理,基于AMESim进行了各元件建模和参数设置,在此基础上搭建了系统总模型,仿真得到了动臂升降时大小腔压力、流量、再生流量动态性能曲线及动臂升降位移速度动态性能曲线,分析了再生流量阀贡献率,并研究了再生阀芯通径、大腔回油背压、主阀LS→动臂小腔通流面积对再生流量和动臂速度的影响情况,最后实测了整机动臂下降过程中的压力位移数据,并进行了动臂小腔流量分析,计算了再生流量值及其贡献率,对挖掘机液压系统节能提升具有一定指导,很多地验证了流量再生阀的实际应用价值,主要结论:

(1) 流量再生阀对动臂下降进油流量贡献较大,仿真所得贡献率为48%;

(2) 增大流量再生阀通径,再生流量增加,动臂下降速度增大;

(3) 增加动臂下降背压,再生流量不增加,反而减小,动臂下降速度减小,原因是增加下降背压使大腔输出流量减小,故可再生流量基数减小,则动臂下降变慢;

(4) 增大主阀LS腔→小腔通流面积,再生流量增加,使动臂下降加快;

(5) 实际应用中,可通过增加流量再生阀通径或主阀LS腔→小腔通流面积进而提升动臂下降速度;

(6) 实测动臂下降过程,动臂小腔再生流量占总流量约35%,低于仿真值。