小型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、關(guān)于電動(dòng)挖掘機(jī)生產(chǎn)步驟的控制策略的研究和能源消費(fèi)的驗(yàn)證Jong Il Yoon1, Dinh Quang Truong1, and Kyoung Kwan Ahn1,#相應(yīng)的作者/電子郵件：kkahnulsan.ac.kr，電話(huà)：+ 82-52-259-2282，傳真：+ 82-52-259-1680關(guān)鍵詞：液壓挖掘機(jī)，電動(dòng)挖掘機(jī)，電動(dòng)液壓執(zhí)行器，控制，節(jié)能 在燃油價(jià)格居高不下的今天，既要滿(mǎn)足節(jié)能和綠色施工機(jī)械排放的要求，又要不犧牲工作性能，安全性和可靠性，特別是對(duì)液壓挖掘機(jī)來(lái)說(shuō)，已顯得尤為重要。電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)，已經(jīng)成功地應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)。本文的目的是提出一種新型的電動(dòng)液壓挖掘機(jī)，此挖掘機(jī)因?yàn)槭褂?/p>

2、電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有更強(qiáng)的節(jié)能能力。每個(gè)混合執(zhí)行器是由一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)去回收挖掘機(jī)有負(fù)載時(shí)臂架降低的勢(shì)能或挖掘機(jī)停止回轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)能。對(duì)一個(gè)5噸級(jí)挖掘機(jī)包括常規(guī)的臂架系統(tǒng)和混合式臂架系統(tǒng)進(jìn)行了分析，開(kāi)發(fā)作為實(shí)驗(yàn)電動(dòng)挖掘機(jī)及其驗(yàn)證模型來(lái)評(píng)估所提出電動(dòng)挖掘機(jī)。同時(shí)給出了硬件條件。一個(gè)關(guān)于5噸實(shí)驗(yàn)電動(dòng)挖掘機(jī)的控制策略是建立在被操作機(jī)械能按照預(yù)期的表現(xiàn)的基礎(chǔ)上的。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)電動(dòng)挖掘機(jī)模擬與實(shí)驗(yàn)提出了挖掘機(jī)工作效率和能耗的調(diào)查報(bào)告。1、簡(jiǎn)介。液壓系統(tǒng)是許多現(xiàn)代工程機(jī)械工作不可缺少的組成部分。運(yùn)用液壓的重型作業(yè)機(jī)械中，挖掘機(jī)經(jīng)受要承受反復(fù)的沖擊和大的負(fù)載上的變化，如挖掘、低負(fù)荷操作、平整。然而，典型的液壓挖掘機(jī)

3、總是需要高能量，快速提地供給各個(gè)單獨(dú)或者設(shè)置在挖掘機(jī)遠(yuǎn)端上的機(jī)構(gòu)。在常規(guī)液壓挖掘機(jī)中，當(dāng)液壓動(dòng)力系統(tǒng)承受最大負(fù)載時(shí)，總是從一個(gè)泵供給能量，多余的功率作為熱量耗散。即使是在低負(fù)載操作時(shí)，這種輸入功率也很難以減小，因?yàn)闄C(jī)構(gòu)的結(jié)合需要流量維持。此外，在臂架降低、以及挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)停止時(shí)，勢(shì)能也作為熱量耗散。而且，為了提升動(dòng)臂，從泵加壓的液壓流體需要額外針對(duì)動(dòng)臂重力提供位置上的能量。相反，當(dāng)動(dòng)臂被驅(qū)動(dòng)到一個(gè)較低的位置時(shí)，作用在動(dòng)臂的重力使其降低。隨后，它促使液壓油流出機(jī)構(gòu)流向管道低壓的一端，此時(shí)駐留在較高位置動(dòng)臂的勢(shì)能就會(huì)丟失。同時(shí)，燃料成本的迅速增加，大氣污染、全球變暖已經(jīng)成為嚴(yán)重的問(wèn)題。因此，減少能

4、源消耗和污染排放成為迫在眉睫的要求?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)液壓挖掘機(jī)是可行的解決方案。許多設(shè)計(jì)并應(yīng)用在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)上的混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制器的研究已經(jīng)完成。在工程機(jī)械領(lǐng)域，廠商也開(kāi)發(fā)了各種機(jī)器的基本混合概念，如串聯(lián)，并聯(lián)或復(fù)合類(lèi)型的混合機(jī)械。然而，提出的混合式施工機(jī)械在與相應(yīng)的傳統(tǒng)的機(jī)器相比時(shí)表現(xiàn)已經(jīng)沒(méi)有太大的憂(yōu)慮。為了克服傳統(tǒng)挖掘機(jī)的缺點(diǎn)，以及滿(mǎn)足挖掘機(jī)設(shè)計(jì)的電流需求，本文提出了一個(gè)名為電動(dòng)挖掘機(jī)的施工機(jī)械。這種挖掘機(jī)采用了消耗能量比傳統(tǒng)的液壓閥控制執(zhí)行器更少的電動(dòng)液壓執(zhí)行器。此外，在機(jī)器操作中產(chǎn)生的勢(shì)能和動(dòng)能也可以根據(jù)需要被儲(chǔ)存和再返回到系統(tǒng)中。通過(guò)對(duì)一臺(tái)5噸的帶有改進(jìn)的混合臂架系統(tǒng)的挖掘機(jī)進(jìn)行實(shí)

5、驗(yàn)，實(shí)施驗(yàn)證所提出電動(dòng)挖掘機(jī)性能。基于實(shí)驗(yàn)電動(dòng)挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)和工作條件，一個(gè)適當(dāng)?shù)目刂撇呗员辉O(shè)計(jì)去控制混合臂架系統(tǒng)，以提高它的工作效率高和節(jié)能能力。 本文的其余部分安排如下。第2節(jié)給出了本文設(shè)計(jì)的力學(xué)分析和細(xì)致的實(shí)驗(yàn)電動(dòng)挖掘機(jī)硬件結(jié)構(gòu)。第3節(jié)是程序如何控制實(shí)驗(yàn)電動(dòng)挖掘機(jī)。第四和第五節(jié)驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)電動(dòng)挖掘機(jī)使用效率仿真和實(shí)驗(yàn)。第6節(jié)結(jié)語(yǔ)。2、電動(dòng)挖掘機(jī)2.1設(shè)計(jì)理念在文獻(xiàn)中，已經(jīng)提出了混合動(dòng)力挖掘機(jī)的幾種結(jié)構(gòu)。例如，在混合動(dòng)力挖掘機(jī)的串聯(lián)型，如圖所示。由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的所有功率由一個(gè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能，而這個(gè)能量由電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的液壓泵再次轉(zhuǎn)換成機(jī)械動(dòng)力。因?yàn)橐簤汗苈泛捅奂芟到y(tǒng)是分離的，動(dòng)臂的勢(shì)能可以被回收。

6、另外，由一個(gè)電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。因此，動(dòng)能在此系統(tǒng)中的回收也是可能的。當(dāng)負(fù)載功率較輕，或回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和起重臂系統(tǒng)在再生模式下運(yùn)行時(shí)，電容器和電池中的存儲(chǔ)系統(tǒng)充電。與此相反，上述存儲(chǔ)設(shè)備在負(fù)載功率較大時(shí)放電。液壓泵是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的無(wú)液力控制閥，減少液力損失。有時(shí)該發(fā)動(dòng)機(jī)可以被操作具有更高的效率而不必考慮負(fù)載的約束，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)機(jī)械和液壓與負(fù)載斷開(kāi)連接。然而對(duì)于此挖掘機(jī)類(lèi)型，發(fā)電機(jī)應(yīng)具有更大的容量，這增加了機(jī)器的成本?；旌蟿?dòng)力挖掘機(jī)，如圖所示的平行型的另一種設(shè)計(jì)。, 發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)構(gòu)直接由機(jī)械軸或液壓管線彼此相連。這里，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是由所述液壓泵的需求決定的，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)再生電力是不可能的。因此，對(duì)于平行型，

7、預(yù)計(jì)比串聯(lián)式只能較小的改善燃油經(jīng)濟(jì)性。但是發(fā)電機(jī)并不需要具有相同的容量作為發(fā)動(dòng)機(jī)，因此它可以被設(shè)計(jì)成比該系列類(lèi)型更小。因此，額外的成本這方面并聯(lián)式比串聯(lián)式的要少得多。從上面的分析可以得出，一個(gè)新的混合動(dòng)力挖掘機(jī)，應(yīng)根據(jù)以下概念決定是否使用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行器。由于液壓的分流與合流一臺(tái)使用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的挖掘機(jī)可以減少能量損失，1、采用電液執(zhí)行器可以減少控制挖掘機(jī)產(chǎn)生的能量損失。2、挖掘機(jī)在可再生能源利用方面的能力，如勢(shì)能和動(dòng)能?；谏鲜鏊璧墓δ?，提出的用于混合動(dòng)力挖掘機(jī)設(shè)計(jì)理念的電動(dòng)挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)顯示在下圖。 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括六個(gè)準(zhǔn)獨(dú)立電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)為代表的回轉(zhuǎn)，左行，右行，動(dòng)臂，臂和鏟斗系統(tǒng)。每個(gè)電

8、液執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)，一個(gè)雙向液壓泵/馬達(dá)，一個(gè)油箱和一個(gè)液壓控制回路的組合。從不帶控制閥的泵供給的壓力油減少了壓力損失，并大大降低了液壓油熱量的產(chǎn)生。雙向泵和電機(jī)驅(qū)動(dòng)使泵能在兩個(gè)方向供給壓力油。電機(jī)的操作，以滿(mǎn)足電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)（流量、速度和壓力）降低了功率損耗，并能節(jié)省能源。因此，該電動(dòng)挖掘機(jī)的準(zhǔn)獨(dú)立的配置發(fā)生在傳統(tǒng)挖掘機(jī)的執(zhí)行器和損耗最小化之間的液壓干擾。建議的設(shè)計(jì)，大臂/小臂/鏟斗油缸以及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是由一個(gè)封閉的電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，其中電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)可與電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)模式功能驅(qū)動(dòng)。因此，勢(shì)能積累在“向上”動(dòng)臂/臂/或鏟斗的位置可以回收，當(dāng)它出現(xiàn)故障時(shí)通過(guò)液壓馬達(dá)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能。同時(shí)，

9、挖掘機(jī)上部回轉(zhuǎn)體停止旋轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)能可以被回收，并轉(zhuǎn)換成電能。該電動(dòng)挖掘機(jī)的電源是一外置電池和電容器它包括在電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部。該電源提供給操作機(jī)器的所有驅(qū)動(dòng)動(dòng)力。在能量回收模式中，由勢(shì)能或動(dòng)能產(chǎn)生的電能首先被存儲(chǔ)在內(nèi)部的電容器。當(dāng)所產(chǎn)生的電力的量超過(guò)電容器的存儲(chǔ)容量，電池自動(dòng)充電。這個(gè)能量被存儲(chǔ)然后再用于電動(dòng)挖掘機(jī)的下一個(gè)操作。 電動(dòng)挖掘機(jī)的工作原理和性能，然后通過(guò)對(duì)一臺(tái)5噸的電動(dòng)挖掘機(jī)做實(shí)驗(yàn)，下面的內(nèi)容討論了相關(guān)的調(diào)查驗(yàn)證。2.2實(shí)驗(yàn)采用混動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)挖掘機(jī)2.2.1分析為了評(píng)估電動(dòng)挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)理念，5噸的實(shí)驗(yàn)電動(dòng)挖掘機(jī)被設(shè)置在一個(gè)動(dòng)臂機(jī)構(gòu)加入了電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的5噸的傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)。因此,

10、轉(zhuǎn)臂油缸是能夠控制傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng)或混合臂架系統(tǒng)。首先考慮如下圖的傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng)的液壓回路。 這里，發(fā)動(dòng)機(jī)為液壓泵提供轉(zhuǎn)速和扭矩。主液壓泵，包括兩個(gè)可變排量斜盤(pán)活塞泵和一個(gè)固定排量齒輪泵，用于給主液壓管路提供流速和壓力，并且操作起重臂液壓缸。另外，一個(gè)小的伺服液壓齒輪泵與先導(dǎo)固定排量泵按照操縱桿命令來(lái)產(chǎn)生壓力信號(hào)，以便操作三位四通主控制閥的閥芯。因此，當(dāng)給定一個(gè)操縱桿信號(hào)時(shí)，控制壓力被發(fā)送到主控制閥的右側(cè)或左側(cè)。最終，高壓油管連接的大臂液壓缸的大腔室或小腔室進(jìn)油，致使活塞被伸出或縮回?；钊麠U的移動(dòng)速度取決于操縱桿信號(hào)的振幅。泵的排量調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)于附著到活塞桿上的負(fù)載。此外，在空載條件下，泵的排量由旁

11、通閥控制模塊調(diào)整到最小的能量消耗。然而在傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng)的作用下 ，大部分的勢(shì)能通過(guò)連接到油箱的低壓端浪費(fèi)了。為了克服傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng)的缺點(diǎn)，混合臂架系統(tǒng)已被開(kāi)發(fā)。對(duì)于動(dòng)臂缸電路需要重新被設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足以下要求：1、新的臂架系統(tǒng)的操作必須是類(lèi)似于傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng)的有關(guān)傳感驅(qū)動(dòng)程序。 2、新的臂架系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)更高的工作效率，并減少能源消耗，并在傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng)的作用下蓄能?；谄谕哪繕?biāo)，一個(gè)控制上述動(dòng)臂液壓缸的混合臂架系統(tǒng)電路被設(shè)計(jì)下圖。 這里，轉(zhuǎn)臂液壓缸是由一個(gè)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)結(jié)合雙向液壓泵/馬達(dá)和液壓控制電路來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)方向。一個(gè)由電信號(hào)控制的三位三通閥和一個(gè)比例減壓閥被安裝到管路中。此外，比例阻尼閥被

12、用在混合臂架系統(tǒng)中來(lái)調(diào)整動(dòng)臂下降速度。為了使有載情況下的動(dòng)臂油缸保持壓力，一個(gè)節(jié)流孔插裝閥，安裝在液壓缸的大腔和液壓泵/馬達(dá)的一個(gè)端口之間（參見(jiàn)上圖）。為了評(píng)估設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)電動(dòng)挖掘機(jī)的工作能力，它應(yīng)與具有相應(yīng)的液壓挖掘機(jī)性能的系統(tǒng)進(jìn)行比較。因此，為實(shí)驗(yàn)電動(dòng)挖掘機(jī)的動(dòng)臂缸建成了傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng)和混合臂架系統(tǒng)的集成電路，如下圖所示。 該電路擁有從個(gè)人電腦用戶(hù)界面程序，可以幫助用戶(hù)可以方便地切換挖掘機(jī)使用傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng)或混合臂架系統(tǒng)模式，當(dāng)然也可以通過(guò)兩個(gè)電磁控制閥（三位兩通換向閥）。帶有傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng)系統(tǒng)的挖掘機(jī)工作，當(dāng)電磁閥S1和S2的控制信號(hào)處于低邏輯電平。相反，這些控制信號(hào)處于高邏輯電平時(shí)，挖掘

13、機(jī)的混合動(dòng)力臂架系統(tǒng)正常工作。傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng)和混合臂架系統(tǒng)對(duì)于實(shí)驗(yàn)電動(dòng)挖掘機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)要求基于上面兩圖所提出的電路，選擇實(shí)驗(yàn)電動(dòng)挖掘機(jī)所需要構(gòu)建組件以滿(mǎn)足工作要求。首先，電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)是根據(jù)挖掘機(jī)工作扭矩和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系選擇的，如下圖。 從圖可以看出，滿(mǎn)足扭矩和速度要求的電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)可從派克漢尼汾公司選擇，雙向泵/馬達(dá)應(yīng)選擇與傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng)的主泵排量類(lèi)似的?；谘芯康慕Y(jié)果，選擇了45 cc/rev泵。為了調(diào)查混合臂架系統(tǒng)能量消耗以及能量回收的性能，一組三相電力被用來(lái)作為主要供電的電動(dòng)馬達(dá)，而斷路的電阻與電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)連接以測(cè)量所產(chǎn)生的功率。選擇其它液壓元件（如比例溢流閥，比例節(jié)流閥，安全閥等）以確保動(dòng)臂系統(tǒng)的正常運(yùn)作。動(dòng)臂系統(tǒng)的綜合規(guī)格和設(shè)定參數(shù)列于下表，最后，實(shí)驗(yàn)電動(dòng)挖掘機(jī)的硬件條件顯示于下圖。修改臂系統(tǒng)參數(shù)值通用零部件動(dòng)臂油缸活塞直徑（mm）110活塞桿直徑（mm）60行程長(zhǎng)度（m）0.72現(xiàn)有動(dòng)臂系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm）2300主泵 可變排量(cc/rev)16 + 2 × 25伺服泵 固定排量（cc/rev） 4.5控制閥端口/位置 （液壓控制） 4/3溢流閥溢流壓力（bar）210混合臂架系統(tǒng)無(wú)碳