用于重型起重机械的势能直接转化和利用方法
摘要：液压驱动重型起重机械广泛应用于移动机械中。在传统系统中，重力势能(GPE)通常是通过控制阀的节流效应以热量的形式耗散，造成巨大的能量浪费。针对上述问题，本文提出了两种基于液压-气动储能原理（HPES）的直接GPE回收(GPER)解决方案。对于由双液压缸驱动的系统，该系统增加了一个独立的HPES液压缸。对于由单个液压缸驱动的系统，HPES集成到原来的单杆液压缸中，用作存储室。在这两种方案中，HPES液压缸或存储室直接连接蓄能器。利用蓄能器的预充压力平衡起重机械的自重，GPE和液压能可直接相互转换。对这两种方案进行了详细的分析。在一台76吨和一台6吨液压挖掘机的基础上，搭建了实验样机。实验结果表明，与原系统相比，76吨挖掘机可达到49.1%的GPE回收率和26.2%的每运行周期能耗降低率。对于6吨挖掘机，GPE回收率可达70.9%，每一运行周期可达到44.4%的能耗降低率。除液压挖掘机外，提出的解决方案还可为所有其他起重机械带来显著的节能效果。
关键词：液压挖掘机；液压-气动储能；三室缸；重力势能回收
1.介绍
液压挖掘机、轮式装载机、各种叉车等移动机械采用液压缸控制的重型起重机械驱动负载。在工作过程中，起重机械升降频率很高。大量累积的GPE被转化为热量，并通过控制阀的节流效应而消散。这不仅造成了巨大的能量损失，而且还迅速提高了液压油温度，需要加装冷却装置来降低温度，从而进一步加剧能耗损失。以液压挖掘机为例，在一个标准工作周期内，浪费的GPE占主要液压泵输出能量的15%[1]。因此，回收和再利用这部分浪费的能源将显著提高移动机械的能源效率。
重载起重机械GPE的回收和再利用有液压和电气两种方法。关于电气回收方法，主要应用于油-电混合[2，3]或纯电动移动机械[4，5]。其基本原理是将液压缸无杆室的液压油在下降过程中排出以驱动液压马达，然后由液压马达驱动发电机将GPE转化为储存在超级电容器或蓄电池中的电能。为了弥补电动机/发电机转矩生成速度低的缺点，Ahn等人提出了一种将旁路节流阀与液压马达平行设置以提高起重机械控制性能的方案[6]。在Lin的研究中，比例节流阀并联，比例方向阀与液压马达串联，以控制臂架下降速度，提高工作稳定性。GPE回收率为39%[7]。为了消除旁路节流损失，Wang等人研究了节流阀与液压马达串联的方案。采用阀门压差控制策略，提高了臂架的工作性能，使GPE回收效率提高到40%~50%[8]。Lin等人用液压蓄能器分离能量回收和转换过程。通过延长转换时间，液压马达和电动机/发电机的装机功率可减少60%，并存储39%的势能[9]。闭路泵控制系统可以消除节流损失，提高电气回收系统的能量效率[10]。Yoon等人研究了伺服电机驱动泵控制液压挖掘机臂架的泵控系统的特点，并利用蓄电池进行GPE的回收和存储。与负荷传感系统相比，臂架系统的能耗降低了47.8%[11]。Zhang等人研究了一种变速泵控制的液压挖掘机方案，即每个液压缸由一个变速电动机驱动的两个泵控制，GPE由超级电容器存储[12]。
在液压回收系统中，为了控制起重机械的速度，简单的方法是用节流阀将液压缸的高压油引入到液压蓄能器中来回收GPE。在能量再生方面，储存的能量可用于驱动冷却系统和其他辅助设备[13]，也可用于通过将蓄能器的高压油排放到主液压泵的吸入口来驱动液压泵[14]。然而，在能量回收过程中存在较大的节流损失，储存能量的再生也会造成二次节流损失。液压变压器[15]或闭式泵控制液压缸系统[16]可用于解决上述问题。Zhang研究了液压变压器用于回收液压挖掘机GPE的方案。试验结果表明，GPE的回收率可达50%[17]。Daniel和Chen分别研究了液压挖掘机臂架由两台变排量泵或两台变速泵驱动的方案，并利用蓄能器回收GPE。在Daniel的研究[18]和Chen的研究[19]中，臂架系统的能耗分别降低了39%和33.1%。Kim研究了一种GPER方案，即在液压挖掘机臂架下降时，将液压缸中的高压油引入变排量液压马达中，辅助发动机驱动主液压泵。在90°卡车装载任务中，液压挖掘机的油耗可降低7%[20]。
从以上分析可知，考虑到储能的再生，电气回收系统中存在着能量转换环节多、能量传递链长的问题，整体能效较低。虽然液压变压器具有良好的GPER效果，但目前还没有现成的商用元件可供使用，并且有液压变压器的系统比较复杂，价格昂贵[21]。在闭式泵控系统中，液压缸的不对称面积需要进行补偿，并且系统复杂。此外，每台液压泵都需要根据驱动液压缸的峰值流量进行配置，这增加了系统的装机功率和成本。
为了克服这一不足，Liang在他的博士论文中提出了独立HPES液压缸平衡起重机械重量的原理。他对两台HPES液压缸和一台工作液压缸驱动的起重机械的工作性能和节能效果进行了分析和试验。之后，德国利勃海尔公司[23，24]、中国常林公司[25]和山河智能装备集团[26]申请了该方法用于液压挖掘机的专利。Quan等人提出了将HPES液压缸与原驱动缸集成构成的三室缸驱动起重机械的方案，并申请和获授权三室缸在液压挖掘机、轮式装载机等移动机械中的专利[27，28]。Zhao等人也对三室缸应用于液压挖掘机臂架及整机方案的特点进行了仿真[29]。
HPES方法的能量转换环节较少，能量传递链较短。然而，到目前为止，只有Liang在他的博士论文中对HPES液压缸方案进行了基本研究。三室缸应用于起重机械的研究仅限于仿真研究。以上两种方案在实际运行中应用于实际机器的节能效果还没有研究报道。为了为HPES原理在重型起重机械中的进一步推广和应用提供指导和依据，需要通过在实际机械上的试验，对两种基于HPES原理的GPER方案的实际节能效果、相应的应用情况和能源效率进行分析和比较。因此，本文研制了一台76吨大型液压挖掘机HPES液压缸驱动的臂架样机和一台6吨小型液压挖掘机[27]三室缸驱动的臂架样机，并对两种方案的特点进行了试验和研究。本文的其余部分组织如下。第二节对工作原理进行了描述和分析。第三节提出并分析了能源效率计算模型。第四节研究了HPES液压缸驱动的液压挖掘机臂架的节能特性。第五节研究了三室缸驱动的液压挖掘机臂架的节能特性。第六节对所给系统的节能效果进行了比较和讨论。最后，第7节给出了结论。
2.工作原理
2.1.带HPES液压缸的GPER系统
图1说明了带HPES液压缸的GPER系统的工作原理。采用负流量系统作为液压控制电路。与传统的驱动系统相比，在GPER系统中，一个作为HPES液压缸的液压缸被设置为与原臂架工作液压缸平行的液压缸。HPES液压缸的储能室C与蓄能器相连，通过设置蓄能器的适当压力来平衡工作装置的重量。工作液压缸的无杆室A和有杆室B与阀连接以控制臂架。当臂架下降时，在工作装置重力的影响下，储能室中的高压油被充入蓄能器。GPE可直接转换为液压能，并存储在蓄能器中。当臂架举升时，蓄能器将高压油排放到储能室，HPES液压缸与工作液压缸一起延伸以驱动臂架。在此过程中，将存储的液压能量直接转化为工作装置的GPE。
A-无杆室，B-有杆室，C-储能室
图1.带HPES液压缸的GPER系统的工作原理
2.2.带三室缸的GPER系统
现有的HPES方案均采用HPES液压缸来平衡工作装置的重量。由于安装空间紧凑，这些方案不适用于单液压缸驱动的小型起重机械。因此，本文提出了一种带三室缸的GPER系统来解决这一问题。三室缸GPER系统的工作原理如图2所示。
A-无杆室，B-有杆室，C-储能室
图2.带三室缸的GPER系统的工作原理
如图2所示，三室液压缸的外部形状与单杆液压缸的外形相同，使得三室缸可以直接代替小型液压挖掘机的原工作液压缸。将HPES液压缸集成到单杆液压缸中，形成三室缸。储能室C与具有适当压力的蓄能器连接，以平衡工作装置的重量。无杆室A和有杆室B与控制阀相连，以驱动臂架。三室缸GPER系统的GPE回收和再利用原理与采用HPES液压缸的GPER系统相同。
液压控制电路采用独立的进油回油系统。电动操纵杆和控制器用于控制电动比例阀和电动比例变量泵。控制器根据电动操纵杆的控制信号，实时计算系统所需流量，以控制泵的排量。泵输出所需流量以满足系统的流量和压力要求。电动操纵杆和控制器用于控制电动比例阀和电动比例变量泵。控制器根据电动操纵杆的控制信号，实时计算系统所需流量，以控制泵的排量。泵输出所需流量以满足系统的流量和压力要求。
3.能效计算模型
为了分析所提出的系统的能量特性，没有GPER装置的系统中的无杆室A和有杆室B相当于两个活塞缸A和B。具有GPER装置的系统中的液压缸相当于三个活塞缸A、B、C，分别代表无杆室A，有杆室B和储能室C。图3出示了具有GPER装置和不具有GPER装置的系统的工作原理。
图3.带GPER设备和不带GPER设备的系统的等效操作原理
如图3所示，有或没有GPER装置的系统的力平衡方程分别表示如下：
（1）
（2）
其中，，和是没有GPER装置的系统中液压缸无杆室和有杆室的面积和压力；，，，，和
是有GPER装置的系统中液压缸的无杆室，有杆室和储能室的面积和压力；是工作装置质量，是阻尼系数，是动臂位移，是负载力。
在没有GPER装置的系统中，活塞缸A连接到泵，且活塞延伸以提升动臂。 同时，活塞缸B连接到箱，且活塞缩回。在动臂提升过程中系统的能耗可以计算如下：
（3）
其中和是没有GPER装置的系统中的泵压和无杆室流量。
在带有GPER装置的系统中，蓄能器将高压油排放到活塞缸C中；活塞与活塞缸A一起延伸。忽略蓄能器和活塞缸C之间的压力损失，活塞C的压力与蓄能器的压力相同。 由于动臂的操作循环时间短，蓄能器中的气体状态变化是绝热过程，气体状态变化方程描述如下：
（4）
其中是蓄能器在任何时间的气体体积，是蓄能器的初始压力，是相应的气体体积，是气体指数，。
在动臂提升过程中，蓄能器的气体体积逐渐增加，如图3所示。蓄能器的排出能量计算如下：
（5）
其中是蓄能器的最高压力，是相应的气体体积，是缸速。
使用GPER设备的系统的能耗计算如下：
（6）
其中和是带GPER装置的系统中的泵压和无杆室流量。
在动臂下降期间，没有GPER装置的系统中的活塞缸A连接到油箱；GPE通过控制阀的节流效应而浪费。系统能耗和浪费的GPE分别如下所示：
（7）
（8）
在具有GPER设备的系统中，GPE主要被转换成液压能量以存储在蓄能器中。 此外，蓄能器存储来自活塞缸B的能量。蓄能器的充电能量和回收的GPE分别计算如下：
（9）
（10）
其中是蓄能器的最低压力，是相应的气体体积。
使用GPER设备的系统的能耗计算如下：
（11）
根据上述等式，具有GPER装置的系统的能量回收效率计算如下：
（12）
在动臂升降的一个循环期间，具有GPER装置的系统的节能率计算如下：
（13）
4.带HPES液压缸的GPER系统的特性
在GPER系统中，工作液压缸和HPES液压缸的结构参数相同。液压缸的活塞直径为190mm，活塞杆直径为130mm。
4.1.蓄能器的参数匹配
蓄能器作为所提出系统的关键要素，对系统的能效特性有重要影响。在动臂提升期间，蓄能器的压力越高，作用在动臂上储能室的力就越大。而且，工作液压缸的无杆室压力较低，能量消耗也降低。 然而，如果蓄能器的初始压力太高，则应增加工作液压缸的有杆室压力以驱动臂架向下移动，这增加了系统能量消耗。如果蓄能器的压力太低，则工作装置的GPE无法完全恢复。
图4显示了没有HPES液压缸的76吨液压挖掘机的臂架工作液压缸的无杆室测试压力。工作液压缸的无杆室压力在提升过程中约为13MPa-16MPa，在下降过程中约为12MPa。为了尽可能的完全恢复GPE并且不产生额外的能量消耗，蓄能器的最大工作压力选择为21MPa，蓄能器的最小工作压力选择为13MPa。 根据0.25lt;lt;0.9，预充压力设定为约10MPa。当动臂从最高点降低到最低点时，储能室的体积变化约为52L。根据式（4），蓄能器的容量计算约为226L。
图4.原系统中工作液压缸的无杆室压力
当蓄能器的最小压力为13MPa时，蓄能器存储的能量和GPER系统在不同蓄能器容量下的能量消耗的仿真结果如表1所示。它显示了蓄能器容量越大， 存储的能量越多。蓄能器的容量对系统的能耗影响很小。考虑到安装空间和蓄能器的非线性特性，确定蓄能器的容量为240L。
表1
蓄能器存储的能量和在不同的蓄能器容量下GPER系统的能量消耗的仿真结果
|
Accumulator Capacity (L) |
220 |
240 |
260 |
|
Stored energy (kJ) |
519 |
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英语原文共 10 页 资料编号：[4862] </p |
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