挖掘机动臂势能回收系统的分析与研究

王鑫，贺利乐，姚鑫

（西安建筑科技大学机电工程学院，陕西西安710055）

挖掘机动臂势能回收系统的分析与研究

王鑫，贺利乐，姚鑫

（西安建筑科技大学机电工程学院，陕西西安710055）

针对液压挖掘机工作装置在下放过程中存在大量重力势能转化为热能的问题，提出了一种以蓄电池为储能元件的能量回收系统，利用已有的动臂势能回收实验台进行研究，分析了能量回收系统的构成和运行机理，建立了回收系统的SimulationX仿真模型并进行仿真计算，同时进行了典型挖掘循环工况的能量回收试验。对照仿真与试验结果可知，该势能回收系统方案可行，能够起到很好的节能效果。

液压挖掘机；能量回收；仿真模型；节能

随着资源与环境问题的日益突出，节能与环保成为了提高产品竞争力的重要因素。而液压挖掘机的动臂下降过程中，大量的能量以热能的形式消耗在液压阀上，使得液压元件和液压油温度升高，造成了元件的损伤并缩短了液压油的使用寿命［1-2］。如果能把这部分能量回收利用，从而改善液压挖掘机的耗油与排放特性，将对研究挖掘机节能具有非常重要的现实意义［3-5］。

目前，混合动力技术已成趋势，这为动臂能量的回收与利用提供了一个很好的发展基础［6］。因此，在现有的混合动力技术基础上的动臂能量回收研究是十分必要的。但如若单纯采用仿真计算来进行研究，由于现实中有很多不可预料的问题，将会造成研究过于理性，与现实偏差过大等问题；若单纯采用试验来研究挖掘机的节能技术，将会出现研究经费高、周期长等问题。鉴于此，本文将采用仿真计算与实验研究相结合的方式来对动臂势能回收的效率进行研究，为混合动力挖掘机的能量系统设计提供参考。

1　势能回收系统的组成及工作原理

实验室搭建的动臂势能回收系统的原理图如图1所示，该系统主要由动臂液压缸、电磁换向阀、液压回收马达、发电机和蓄电池等组成，而能量回收的路线则为动臂（势能）→动臂液压缸（液压能）→液压马达（机械能）→发电机（电能）→蓄电池，能量经过多重转换，最终实现回收并进行再利用。

图1　势能回收系统原理图

在动臂势能回收系统中，通过调控换向阀9，可实现系统在普通挖掘模式和节能挖掘模式之间的转换。

当两位三通阀9处于下位时，系统为无能量回收的普通挖掘机工作模式。其原理为：当动臂下降时，在工作装置重力的作用下，动臂液压缸1无杆腔中的液压油通过三位四通换向阀13右位，然后流经两位三通阀9，直接流回油箱。该系统在普通挖掘模式下与普通液压挖掘机液压油回路相近，挖掘机系统工作特性基本不受影响。

当两位三通阀9处于上位时，系统为动臂能量回收的节能模式。其原理为：当液压挖掘机动臂下降时，将三位四通电磁换向阀13切换到右位，两位三通阀9切换至上位，动臂由于自身的重力下降，液压缸无杆腔的压力油经过三位四通换向阀13进入势能回收系统。当液压油流经该系统时，油液驱动液压马达7旋转，与此同时，马达带动与之相联接的发电机5进行发电，产生的交流电经整流器后变成直流电储存到蓄电池3中，实现了动臂能量的回收［7］。

2　工作装置的势能计算

为准确计算挖掘机工作装置的势能，首先对工作装置进行运动学分析。因为工作机构是由多连杆组成的复杂机构，其运动分析比较复杂，目前比较常用的方法是利用D-H齐次坐标变换法对挖掘机工作装置进行研究，如图2所示。

图2　挖掘机工作装置坐标系

对图2进行简化，设l1，l2，l3分别为动臂连杆AB、斗杆连杆BC、铲斗连杆CD的长度，AB与坐标轴x0的夹角为θ1、BC与x1的夹角为θ2、CD与x3的夹角为θ3，动臂质量为m1，重心到铰点B距离为d1，斗杆质量为m2，重心到铰点C距离为d2，铲斗质量为m3，重心到铲斗齿尖的距离为d3，通过运动学分析，可求出动臂、斗杆和铲斗的势能。

动臂势能为

斗杆势能为

铲斗势能为

则挖掘机工作装置的总势能可表示为

式中，△m为铲斗负载的重量。

3　动臂势能回收系统的仿真与分析

3.1势能回收系统的仿真模型

利用SimulationX仿真软件对图1所示的势能回收系统建立如图3所示的仿真模型。该仿真模型由动力源、势能回收和蓄电池蓄能控制三大模块组成。通过该模型，可以得到动臂液压缸下放时的速度和位移、蓄电池的充电电流和电压等特性曲线，用于研究能量回收的效果，为后续研究奠定基础。

图3　挖掘机势能回收系统仿真模型

3.2仿真结果与分析

根据实验台挖掘机的实际工况，在仿真模型中设定动臂下放时间为9 s.

3.2.1工作装置运动特性分析

如图4所示的仿真结果为动臂液压缸下放速度和位移的仿真曲线，在初始阶段存在微小的波动，在0.3 s后趋于稳态值，动臂下降平稳，同时动臂下降时间延长，这是因为在接入势能回收系统后，相当于增加了液压回路的背压，有效地提高了动臂运动的平稳性，但也对挖掘机的运动特性产生了一定的影响。

图4　动臂液压缸下放速度和位移

3.2.2蓄电池储能分析

势能回收系统在一个工作循环中蓄电池充电电流和电压关系如图5所示。

图5　蓄电池充电电流与电压

由图5计算可得一个循环中蓄电池回收的总能量P1m约为1.4×10-4kW·h（504.0 J），如图6所示。

图6　一个循环蓄电池回收的能量

3.3.3能量回收利用率

因挖掘机动臂装置质量m1=99.6 kg，斗杆装置质量m2=62.8 kg，铲斗质量m3=59.1 kg.当挖掘机工作装置举升到最高位置时，由式（4）可得工作装置的总势能P为3 737.8 J.故动臂势能回收系统的效率ηrm为：

由仿真可知，较普通液压挖掘机，增加了势能回收系统的挖掘机节能效率为13.5%，具有节能效果。

4　实验研究

利用计算机仿真分析进行模拟仿真是研究动臂势能回收系统的一种重要手段，但是因为模型简化、参数选择等都与挖掘机实际工况存在误差，为了验证能量回收系统和数值仿真的合理性与实际节能效果，进行相应的实验研究是很有必要的。

图7为以DL15-8液压挖掘机（1.5 T）为基础搭建的动臂势能回收实验台，因场地原因，未进行实际挖掘、卸载作业，为了最大化接近实际工况，根据该型号挖掘机的实际斗容量选用60 kg质量块作为铲斗的负载进行动臂下降实验研究。为与仿真结果进行对比，选择了蓄电池充电电流和电压进行研究。

图7　势能回收实验台

由于实验设备和场所的限制，未安装特定的传感器设备，只对相关运行状态进行简单测量和计算，经测量，动臂下降时间约为9 s多，与仿真所选接近。

通过实验可以得到势能回收系统在一个工作循环中蓄电池充电电流和电压如图8所示。

图8　蓄电池充电电流与电压

由图8计算可得一个循环中蓄电池回收的总能量P1t约为9.86×10-5kW·h（348.5 J），如图9所示。故动臂势能回收系统的实际回收效率ηrt为：

图9　一个循环蓄电池回收的能量

由系统仿真与实验结果可知，该系统具有一定的节能效果，但回收的势能占总势能的比例较小。

5　结束语

利用动臂势能回收实验台，进行了动臂下放工况下的仿真和实验研究。通过动臂下放的速度和位移、蓄电池充电电压和电流的仿真研究，得到了仿真系统回收的能量和回收效率。经过实验验证，表明该能量回收系统具有一定的节能效果。这为该系统在其它吨位挖掘机上的使用提供了理论依据，也为后续混合动力挖掘机的设计奠定了基础。

［1］张彦廷.混合动力液压挖掘机液压马达能量回收的仿真及试验［J］.机械工程学报，2007，（8）：218-223.

［2］Liu S，Yao B.Energy-saving control of single-rod hydraulic cylinders with programmable valves and improved workingmode selection［C］//49th National Conference on Fluid Power，Las Vegas，Nevada，USA，2002：81-91.

［3］陈欠根.新型液压挖掘机动臂势能回收再利用系统研究［J］.广西大学学报（自然科学版），2013，（2）：292-299.

［4］Tao Wang，Qingfeng Wang.Efficiency analysis and evaluation of energy-saving pressure-compensated circuit for hybrid hydraulicexcavator［J］.AutomationinConstruction：2014，（47）：62-68.

［5］赵丁选.油液混合动力液压挖掘机动臂势能回收系统［J］.吉林大学学报（工学版），2013，41（1）：150-154.

［6］柯坚.混合动力挖掘机动臂节能系统研究［J］.机械设计与研究，2011，21（6）：109-112.

［7］张路豪.挖掘机动臂能量回收系统仿真分析与实验［J］.机械设计与研究，2015，31（3）:169-173.

Analysis and Research on the Potential Energy Recovery System of Excavator Boom

WANG Xin，HE Li-le，YAO Xin
（School of Mechatronics Engineering，Xi'an University of Architecture and Technology，Xi'an 710055，China）

Hydraulic excavator working device in the downstream process exist a large number of gravitational potential energy，which converted to heat energy.To solve this problem，we propose a energy recovery systems，which use battery as the energy storage element.Meanwhile used the boom potential recovery experiment station，we analyzed the structure and operation mechanism of the energy recovery system and established the Simulation recovery system simulation model and simulation，at the same time，the energy recovery test was carried out under the typical mining cycle.Contrasting the simulation and experimental results，we draw the conclusion that the potential energy recovery system is feasible and it can play a very good energy saving effect.

hydraulic excavators；energy recovery；simulation model；energy saving

TH132

A

1672-545X（2016）08-0041-03

2016-05-06

西安建筑科技大学2014年国家级大学生创新创业训练计划项目（201410703028）

王鑫（1993-），男，陕西咸阳人，本科，研究方向：建筑机械优化设计方向。