蓄能器在挖掘机节能驱动系统中的仿真研究

0 引 言

液压挖掘机作为一种重要的通用型工程机械存在着能耗大、污染大等缺点，为了提高挖掘机的工作效率，借助辅助设备对挖掘机势能进行回收再利用是一条行之有效的解决途径。相比于电动混合动力技术，液压混合动力有更大的优势。液压混合动力大部分采用蓄能器，可以保持单一的液压能形式，不需要进行能量转换，可以长时间地保存能量，应用的场合限制较小。蓄能器能将多余的能量进行回收，在需要的时候进行释放，从而达到节能的目的。

液压挖掘机能耗利用率仅为20%左右，挖掘机工作循环时间的50%~70%用于回转，挖掘机能耗的25%~40%用于回转，挖掘机总发热量的30%~40%来源于回转系统［1］，因此对液压挖掘机回转系统进行节能研究将提高液压系统的工作效率，具有很高的实用价值［2－5］。

1 蓄能器

图1 皮囊式蓄能器的结构

液压蓄能器是液压系统中的重要辅件，对保证系统正常运行、改善其动态品质、保持工作稳定性、降低噪声等起着重要的作用。目前应用最广的是充气式蓄能器（见图1），充气式蓄能器的胶囊惯性小、反应灵敏、不易漏气、安装维护容易、充气方便等优点在二次调节系统中得到广泛的应用。

如图2，二次调节系统中的主要作用是在能源不足时提供瞬时补充流量。由于蓄能器能够对多余的能量进行吸收，而在功率不足时瞬间补充存储的液压能，因而二次调节系统油源中的恒压变量泵一般按平均功率选配，这样可以降低成本、提高效率。因此，当负载超过恒压变量泵额定功率时，额外的能量就由蓄能器提供［1］。

图2 二次调节系统原理图

1.液压泵 2.液压泵/马达 3.液压变压器 4.液压蓄能器

2 挖掘机回转节能驱动系统

以柳工CLG200-3 型挖掘机为研究的原型机，图3是其回转装置的传动方式，驱动方式为发动机驱动分功率变量泵，回转制动方式为液压与机械联合制动。

挖掘机回转平台转动时的方向由三位四通电磁换向阀控制，电磁换向阀右位接收到电控信号时，回转转台开始在顺时针方向回转；当电磁换向阀处于中位时，系统的进、出口油路被中断，回转制动，但是回转平台在惯性的作用下继续转动，液压马达此时处于泵的状态，上左部分的压力开始升高，当压力低于溢流阀的调定压力时会立即制动，当压力高于溢流阀的调定压力时，油液会经阀9流回油箱，只有当压力低于调定压力时马达才停止。溢流阀主要起着防止系统过载的作用。

图3 CLG200-3 型挖掘机回转装置简图

1.油箱 2.变量液压泵 3.溢流阀4.三位四通电磁换向阀 5.负流量控制节流阀 6.定量液压马达/泵 7.机械制动器 8.单向阀 9.过载缓冲阀

由于在回转启动过程中液压马达的转速很低，吸收的流量很少，所以流量大部分经溢流阀溢流，能量损失很大，在制动的过程中，由于惯性转台的惯性，流量经溢流阀溢流回到油箱，制动能量大部分都转化成热能损失掉了，使系统的液压油的温度升高很多，会使液压油的使用寿命缩短。所以提出新的节能系统，蓄能器的引入能够对损失掉的能量进行回收，在需要的时候进行释放，从而实现系统的节能。

3 液压系统建模与仿真

3.1 液压系统建模

图4 挖掘机回转液压系统能量回收仿真模型

将蓄能器加入到新的挖掘机回转液压系统中，对这种新的系统能量回收策略采用AMEsim 仿真软件进行仿真研究，仿真模型如图4 所示。

新型节能系统采用二次调节系统，可以实现位能和惯性能的回收和再利用；液压蓄能器可以暂存系统过剩的能量，并且这部分能量可以随着负载的变化而变化，从而达到功率匹配；液压蓄能器对能量进行吸收和释放，使系统不会形成压力峰值，这样可以减少安全阀的损失，降低用于冷却的功耗。

3.2 系统加载仿真

表1 回转系统仿真模型参数

本文仿真分析的重点在于利用AMEsim 的系统仿真结果验证新的液压系统是否合理、液压元件的参数选取是否准确。表1 为回转系统仿真中的主要参数。根据仿真模型，设定好参数后进行仿真试验。

图5 为三位四通换向阀的信号，是根据阀的额定电流来进行设置，在-40~+40 mA之间。蓄能器的压力变化曲线如图6 所示。蓄能器的压力随负载而波动，但波动幅度小，且不超过工作范围，表明所选的蓄能器是合理的。

表2 各个换向阀的1-60s 的位置

图5 三位四通换向阀的信号

图6 蓄能器压力变化曲线

蓄能器在工作开始时液压泵为蓄能器充能，蓄能器的压力逐渐上升，当回转马达流量和泵输出流量相等时，蓄能器开始释放能量给马达，使马达继续加速，蓄能器的压力下降。制动时，液压马达为蓄能器充油，进行制动和能量回收。

4 结 论

本文对液压蓄能器进行研究，蓄能器主要在系统制动中对多余能量进行回收和在下次启动时进行释放，使系统实现节能。通过仿真软件AMEsim 进行仿真，结果表明，蓄能器的加入不仅可以实现能量的回收和再利用，还可以改善制动的性能和降低挖掘机的油温和能耗。