不同吨位液压挖掘机回转系统能量回收研究

2015-04-25颜韵琪贺元成孟志明康帅帅

机床与液压 2015年8期

颜韵琪，贺元成，孟志明，康帅帅

(1. 四川理工学院机械工程学院，四川自贡643000;2. 泸州职业技术学院，四川泸州646000)

大型挖掘机广泛应用于矿山、煤炭、水利、露天采掘等领域，其功率较大，但能量利用率过低，仅为20%左右［1］。受世界能源危机和环境保护的影响，实现液压挖掘机能源节约一直是业界努力追求的目标［2－4］。据统计，液压挖掘机回转系统的回转运动占整个工作循环时间的50% ～70%，而其能量损耗约占总能量损耗的25% ～40%［5］，且在每次工作循环中都要进行两次回转。因此，大型液压挖掘机回转液压系统能量回收研究具有十分重要的意义。查阅大量文献，普遍采用蓄能器对中小型挖掘机进行能量回收。文中针对不同型号大吨位液压挖掘机进行蓄能器能量回收模型仿真，证明蓄能器节能技术的适用范围和效果。

1 蓄能器选型及参数匹配

1.1 蓄能器选型

根据加载方式的不同，蓄能器可分为重力加载式、弹簧加载式和气体加载式3 种［6］。表1 为各类型蓄能器的特点［7］。

表1 各种类型蓄能器的特点

由表1 可知:皮囊式蓄能器具有噪声小、响应快、密封性好、便于安装、成本较低等特点，是目前使用最广泛的一种蓄能器［8］。所以，对于挖掘机的能量回收系统来说，也是储能元件最好的选择。

1.2 蓄能器参数设置

文中研究的挖掘机是某厂生产的3 种机型，机器质量分别为7、100 和220 t。不同型号的挖掘机回转系统需选取不同型号的蓄能器，并且需要满足以下目标:

(1)在一个工作周期内，尽可能地全部回收溢流以及制动能量，同时，释放所吸收的能量达到一个较高的能量再利用效率［6］;

(2)由于挖掘机布置空间的局限性，尽可能选择体积、质量小的蓄能器。

某型号100 t 液压挖掘机回转节能系统中蓄能器的参数设置如下:

(1)p2由整个系统的最高压力确定，p2=26.4 MPa;

(2)作为辅助动力源的蓄能器，一般p1=0.6 ～0.85p2，从延长皮囊式蓄能器的使用寿命考虑p2≤3p1，综合以上条件，p1=20 ～95 MPa;

(3)液压蓄能器储存和释放能量为:

当p1a=p0、p2a=p2时，液压蓄能器吸收能量最大为Emax，得:p0=0.308p2=8 MPa。

(4)蓄能器的充气容积为:

蓄能器工作在绝热过程时，其充气容积为:

用相同的方法可以得到，某型号7 t 以及某型号220 t 液压挖掘机回转节能系统蓄能器参数，见表2。

表2 7 t 和220 t 液压挖掘机回转节能系统蓄能器参数

2 挖掘机回转节能模型仿真及分析

2.1 质量100 t 挖掘机回转节能模型仿真及分析

(1)参数设置

满斗回转时平台转动惯量为2 068 257 kg·m2，空斗回转时平台转动惯量为1 204 483 kg·m2;电机转速1 900 r/min;变量泵使用力士乐A11V0，排量230 mL/r，转速2 200 r/min;溢流阀溢流压力35 MPa;三位六通阀使用力士乐M8 阀，最大阀开口流量400 L/min，其他参数保持默认值;减压阀压力13 MPa;马达排量125 mL/r，转速1 000 r/min;负载1 000 000 kg·m2。

回转马达所需流量:

回转马达过载阀调定压力:

式中:η1、η2、分别为减速机、回转支承、回转马达的机械效率，均取0.95。

(2)模型仿真及分析

根据公司提供的原理图，在AMESim 中搭建模型，见图1。

图1 某型号100 t 挖掘机回转节能系统模型

通过在AMESim 中仿真，得到马达转速和蓄能器压力和体积比较图，如图2、3 所示。从图2 中可以明显看到:蓄能器收集到的溢流和制动能量用于下一次转动时，马达转速有一个明显的提升。从图3 可以看出:蓄能器压力和体积有明显的变化。

图2 马达转速图

图3 蓄能器压力和体积比较图

(3)能量回收分析

在15 ～25 s 制动时间段内，蓄能器回收的总能量:

计算转台从开始制动到制动结束时的能量损失为:

E = 0.5Jω22 = 0.5 ×1 ×106× (8/60 ×2π)2=350 kJ

在25 ～40 s，蓄能器有一段时间单独驱动马达，此时蓄能器释放的能量:

E2= pB'VB'－ PA'VA'=20 ×18－38.4 ×11.3 =－73.92 kJ

蓄能器释放的能量占蓄能器吸收能量的百分比为:

2.2 质量7 t 和220 t 挖掘机回转节能模型仿真及分析

(1)主要液压元件参数

质量7 t 挖掘机回转节能系统主要元件参数:满斗回转时平台转动惯量为24 590 kg·m2，空斗回转时平台转动惯量为15 112 kg·m2;电机转速2 100 r/min;变量泵排量30 mL/r，转速2 000 r/min;马达排量44 mL/r，转速1 700 r/min，负载:20 000 kg·m2。

质量220 t 挖掘机回转节能系统主要元件参数:满斗回转时平台转动惯量为5 766 214 kg·m2，空斗回转时平台转动惯量为3 543 819 kg·m2;电机转速2 200 r/min;变量泵排量190 mL/r，转速2 200 r/min;马达排量125 mL/r，转速1 000 r/min;负载3 000 000 kg·m2(双回转)。

(2)模型仿真及分析

依据某公司某型号7 t 挖掘机回转原理图，在AMESim 软件中所搭建的节能模型与100 t 的节能模型一样见图1，220 t 的挖掘机回转节能模型见图4。