1 特性[～4] .
引言
液压挖掘机工况恶劣, 油耗大, 因此研究其节能 控制具有巨大的经济效益.目前, 液压挖掘机系统 中逐步引入了混合动力设计方法, 主要结构包括串 联式, 并联式和混联式, 其机理在于通过在动力侧引 入动力源电机和储存单元电池, 改善挖掘机用柴油
普通挖掘机在正常的工况下,5 之内完成一 1狊 个工作循环, 每个循环中动臂, 斗杆, 铲斗等都有一 次下降, 其速度可通过调节多路阀回油口的开度来 控制, 因此对这一部分势能进行回收可带来非常可 观的节能效果.若不加以回收, 在下降过程中产生
收稿日期: 08 0 0 修回日期: 08 0 1 20 5 1 20 6 2 浙江省科技计划资助项目( 0 犆 14 ) 2 6 118 和浙江省台州市科技计划资助项目( 狕 00 0 0犼 1) 7狌 作者简介:林潇, 博士生, 主要从事混合动力液压挖掘机 / 汽车控制策略研究, 犪 :犾 狕 @犺狋 犪 . 犿 犈 犿犻 狓状 狌 狅犿犻 犮 犾 犻犼 犾狅
第 4期
林潇 等:混合动力液压挖掘机动臂势能回收系统
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的势能除了小部分以动能的形式继续存在外, 其余
5, 大部分将以热能的形式耗散[] 这会带来液压系统
压油通过比例电磁节流阀 犪 后分成两路: 一路( 主 推动液压马达, 通过离合器连接齿轮变速器及发 要) 电机, 进行能量转换; 多余的油则经过比例电磁节流 阀 犫直接回油箱, 有杆腔的补油工作由泵来完成, 该 马达的排 过程中2个比例电磁节流阀的开口大小, 量以及换向阀都是由电子控制系统根据需要来控制 的.当能量回收完毕开始挖掘时, 换向阀回到下位, 动臂在泵输出压力油的作用下克服阻力继续下降.
的发热问题, 并对系统中的元器件形成一定程度的 破坏, 因此研究动臂, 斗杆, 铲斗下降的势能回收问 题对于延长挖掘机的寿命, 提高挖掘机能量的利用
6 .目前国内关于液压系统的势 率具有重大意义[] 7 0, 能回收已经有了一定的研究[～1 ] 但其液压部分的
势能回收系统不适用于液压挖掘机的能量回收, 因此 很有必要对液压挖掘机能量回收系统加以分析研究. 本文提出一种针对并联式混合动力液压挖掘机 的动臂势能回收系统.
1 动臂势能回收系统
11 液压挖掘机工况分析 液压挖掘机典型工况如图 1 所示, 可见驱动机 构液压泵需求转矩呈周期性规律性突变特性, 其中 一个典型工况约为 1 狊 前 2 处于动臂下降阶段, 5 , 狊 此时可以回收动臂势能, 2～5狊为挖掘作业阶段, 为带载提升阶段, 2 为带载回转阶段, 5 9 ～ 狊 9～1 狊 1 ～ 5 为卸载回转阶段.因为0 2 挖掘机处于 2 1狊 ～ 狊 动臂下降阶段时, 需求功率较小, 此时动力源部件永 磁同步电机工作状态处于发电模式, 因此可以将动 臂势能回收部分直接耦合在该电机上进行发电回 收, 最终以化学能的形式储存在镍氢电池组中.
图2 动臂势能回收系统示意图 犉犵2 犛犲 犺狅 犪犿狆狋状 犪犲犲犵 狉犮狏狉 狊狊 犿 犻 . 犽狋 犳 狉 狅 狋犾 状狉狔 犲狅犲狔 狔 犲 犮 犲犻 狋
1 变量液压泵 2 动臂液压缸 3 换向阀 4 节流阀犪 5 变量 . . . . . 马达 6 离合器 7 齿轮变速器 8 发电机 9 电子控制系统 . . . . 1. 0 节流阀 犫 1 . 1 蓄电池 1 . 2 油箱
13 动臂势能回收系统结构 叠加有动臂势能回收机构的并联式混合动力液 压挖掘机整机结构如图 3 所示.发动机, 电机与泵 同轴相连, 共同驱动双泵结构带动动臂, 斗杆, 铲斗 上的液压缸实现规定的复合动作.当挖掘机处于挖 掘作业时, 电机起电动助力作用, 蓄电池放电供给电 机; 当挖掘机处于轻载回转, 动臂下降等轻载状态 时, 电机处于发电模式吸收多余的发动机能量并储 存在电池中.液压能量回收单元通过离合器和齿轮 变速箱与电机相连, 当动臂下降时, 挖掘机外负载需 求功率很小, 电机处于发电状态, 此时控制离合器吸 合, 因而可以通过电机发电向蓄电池充电实现动臂 势能的回收; 当动臂下降结束时, 需要控制离合器松 开.动臂势能回收经历的能量转变为: 势能 → 液压 能→机械能→化学能.
图1 液压挖掘机典型工况曲线 犉犵1 犝 犻狌 狅犽 犵 狅犱犻状狅 狋犲犺犱犪犾 犲犮狏狋狉 犻. 状 犲狑狉犻 犮状犻狅 犳 犺 狔狉狌犮 狓犪犪 状 狋 犻 狅 狇
12 动臂势能回收系统原理 在普通挖掘机中动臂下降时, 动臂液压缸无杆 腔中的压力油通过多路阀后, 直接流回油箱, 其下降 速度由多路阀回油口的开度来控制.在此过程中, 动臂下降产生的势能除了小部分转化成动臂的动能 外, 其余的能量全部消耗在多路阀阀口上, 以热能形 式耗散掉, 同时, 有杆腔的补油还要消耗一定能量. 为了解决这一能量损失问题, 设计了一动臂下 降能量回收系统, 系统原理图如图 2 所示.当动臂 上升时, 由泵输出的压力油进入液压缸无杆腔, 推动 活塞向上提升, 有杆腔的液压油经过换向阀下位直 接回油箱; 当动臂下降并进行能量回收时, 动臂在重 力的作用下, 自动下降, 无杆腔的压力油经过多路阀 左位, 进入能量回收系统, 此刻换向阀上位开启, 液

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