小型液壓挖掘機設(shè)計液壓系統(tǒng)設(shè)計

1、關(guān)于電動挖掘機生產(chǎn)步驟的控制策略的研究和能源消費的驗證Jong Il Yoon1, Dinh Quang Truong1, and Kyoung Kwan Ahn1,#相應的作者/電子郵件：kkahnulsan.ac.kr，電話：+ 82-52-259-2282，傳真：+ 82-52-259-1680關(guān)鍵詞：液壓挖掘機，電動挖掘機，電動液壓執(zhí)行器，控制，節(jié)能 在燃油價格居高不下的今天，既要滿足節(jié)能和綠色施工機械排放的要求，又要不犧牲工作性能，安全性和可靠性，特別是對液壓挖掘機來說，已顯得尤為重要。電液執(zhí)行機構(gòu)，已經(jīng)成功地應用于汽車行業(yè)。本文的目的是提出一種新型的電動液壓挖掘機，此挖掘機因為使用

2、電液執(zhí)行機構(gòu)具有更強的節(jié)能能力。每個混合執(zhí)行器是由一個電動機驅(qū)動去回收挖掘機有負載時臂架降低的勢能或挖掘機停止回轉(zhuǎn)時的動能。對一個5噸級挖掘機包括常規(guī)的臂架系統(tǒng)和混合式臂架系統(tǒng)進行了分析，開發(fā)作為實驗電動挖掘機及其驗證模型來評估所提出電動挖掘機。同時給出了硬件條件。一個關(guān)于5噸實驗電動挖掘機的控制策略是建立在被操作機械能按照預期的表現(xiàn)的基礎(chǔ)上的。最后，通過實驗電動挖掘機模擬與實驗提出了挖掘機工作效率和能耗的調(diào)查報告。1、簡介。液壓系統(tǒng)是許多現(xiàn)代工程機械工作不可缺少的組成部分。運用液壓的重型作業(yè)機械中，挖掘機經(jīng)受要承受反復的沖擊和大的負載上的變化，如挖掘、低負荷操作、平整。然而，典型的液壓挖掘機

3、總是需要高能量，快速提地供給各個單獨或者設(shè)置在挖掘機遠端上的機構(gòu)。在常規(guī)液壓挖掘機中，當液壓動力系統(tǒng)承受最大負載時，總是從一個泵供給能量，多余的功率作為熱量耗散。即使是在低負載操作時，這種輸入功率也很難以減小，因為機構(gòu)的結(jié)合需要流量維持。此外，在臂架降低、以及挖掘機的回轉(zhuǎn)停止時，勢能也作為熱量耗散。而且，為了提升動臂，從泵加壓的液壓流體需要額外針對動臂重力提供位置上的能量。相反，當動臂被驅(qū)動到一個較低的位置時，作用在動臂的重力使其降低。隨后，它促使液壓油流出機構(gòu)流向管道低壓的一端，此時駐留在較高位置動臂的勢能就會丟失。同時，燃料成本的迅速增加，大氣污染、全球變暖已經(jīng)成為嚴重的問題。因此，減少能

4、源消耗和污染排放成為迫在眉睫的要求。混合動力電動液壓挖掘機是可行的解決方案。許多設(shè)計并應用在混合動力電動汽車上的混合動力系統(tǒng)的控制器的研究已經(jīng)完成。在工程機械領(lǐng)域，廠商也開發(fā)了各種機器的基本混合概念，如串聯(lián)，并聯(lián)或復合類型的混合機械。然而，提出的混合式施工機械在與相應的傳統(tǒng)的機器相比時表現(xiàn)已經(jīng)沒有太大的憂慮。為了克服傳統(tǒng)挖掘機的缺點，以及滿足挖掘機設(shè)計的電流需求，本文提出了一個名為電動挖掘機的施工機械。這種挖掘機采用了消耗能量比傳統(tǒng)的液壓閥控制執(zhí)行器更少的電動液壓執(zhí)行器。此外，在機器操作中產(chǎn)生的勢能和動能也可以根據(jù)需要被儲存和再返回到系統(tǒng)中。通過對一臺5噸的帶有改進的混合臂架系統(tǒng)的挖掘機進行實

5、驗，實施驗證所提出電動挖掘機性能?；趯嶒炿妱油诰驒C結(jié)構(gòu)和工作條件，一個適當?shù)目刂撇呗员辉O(shè)計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)計的力學分析和細致的實驗電動挖掘機硬件結(jié)構(gòu)。第3節(jié)是程序如何控制實驗電動挖掘機。第四和第五節(jié)驗證了實驗電動挖掘機使用效率仿真和實驗。第6節(jié)結(jié)語。2、電動挖掘機2.1設(shè)計理念在文獻中，已經(jīng)提出了混合動力挖掘機的幾種結(jié)構(gòu)。例如，在混合動力挖掘機的串聯(lián)型，如圖所示。由發(fā)動機產(chǎn)生的所有功率由一個發(fā)電機轉(zhuǎn)換成電能，而這個能量由電動馬達驅(qū)動的液壓泵再次轉(zhuǎn)換成機械動力。因為液壓管路和臂架系統(tǒng)是分離的，動臂的勢能可以被回收。

6、另外，由一個電動馬達驅(qū)動回轉(zhuǎn)機構(gòu)。因此，動能在此系統(tǒng)中的回收也是可能的。當負載功率較輕，或回轉(zhuǎn)機構(gòu)和起重臂系統(tǒng)在再生模式下運行時，電容器和電池中的存儲系統(tǒng)充電。與此相反，上述存儲設(shè)備在負載功率較大時放電。液壓泵是由電動機驅(qū)動的無液力控制閥，減少液力損失。有時該發(fā)動機可以被操作具有更高的效率而不必考慮負載的約束，發(fā)動機通過機械和液壓與負載斷開連接。然而對于此挖掘機類型，發(fā)電機應具有更大的容量，這增加了機器的成本?；旌蟿恿ν诰驒C，如圖所示的平行型的另一種設(shè)計。, 發(fā)動機和機構(gòu)直接由機械軸或液壓管線彼此相連。這里，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速是由所述液壓泵的需求決定的，回轉(zhuǎn)機構(gòu)再生電力是不可能的。因此，對于平行型，

7、預計比串聯(lián)式只能較小的改善燃油經(jīng)濟性。但是發(fā)電機并不需要具有相同的容量作為發(fā)動機，因此它可以被設(shè)計成比該系列類型更小。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，一個新的混合動力挖掘機，應根據(jù)以下概念決定是否使用獨立驅(qū)動的執(zhí)行器。由于液壓的分流與合流一臺使用獨立驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的挖掘機可以減少能量損失，1、采用電液執(zhí)行器可以減少控制挖掘機產(chǎn)生的能量損失。2、挖掘機在可再生能源利用方面的能力，如勢能和動能?；谏鲜鏊璧墓δ埽岢龅挠糜诨旌蟿恿ν诰驒C設(shè)計理念的電動挖掘機的結(jié)構(gòu)顯示在下圖。 驅(qū)動系統(tǒng)包括六個準獨立電液執(zhí)行機構(gòu)為代表的回轉(zhuǎn)，左行，右行，動臂，臂和鏟斗系統(tǒng)。每個電

8、液執(zhí)行機構(gòu)是電動機/發(fā)電機，一個雙向液壓泵/馬達，一個油箱和一個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。雙向泵和電機驅(qū)動使泵能在兩個方向供給壓力油。電機的操作，以滿足電液執(zhí)行機構(gòu)（流量、速度和壓力）降低了功率損耗，并能節(jié)省能源。因此，該電動挖掘機的準獨立的配置發(fā)生在傳統(tǒng)挖掘機的執(zhí)行器和損耗最小化之間的液壓干擾。建議的設(shè)計，大臂/小臂/鏟斗油缸以及回轉(zhuǎn)機構(gòu)是由一個封閉的電液執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)，其中電動機/發(fā)電機可與電動機或發(fā)電機模式功能驅(qū)動。因此，勢能積累在“向上”動臂/臂/或鏟斗的位置可以回收，當它出現(xiàn)故障時通過液壓馬達和發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能。同時，

9、挖掘機上部回轉(zhuǎn)體停止旋轉(zhuǎn)時的動能可以被回收，并轉(zhuǎn)換成電能。該電動挖掘機的電源是一外置電池和電容器它包括在電液執(zhí)行機構(gòu)電機驅(qū)動器內(nèi)部。該電源提供給操作機器的所有驅(qū)動動力。在能量回收模式中，由勢能或動能產(chǎn)生的電能首先被存儲在內(nèi)部的電容器。當所產(chǎn)生的電力的量超過電容器的存儲容量，電池自動充電。這個能量被存儲然后再用于電動挖掘機的下一個操作。 電動挖掘機的工作原理和性能，然后通過對一臺5噸的電動挖掘機做實驗，下面的內(nèi)容討論了相關(guān)的調(diào)查驗證。2.2實驗采用混動系統(tǒng)電動挖掘機2.2.1分析為了評估電動挖掘機的設(shè)計理念，5噸的實驗電動挖掘機被設(shè)置在一個動臂機構(gòu)加入了電液執(zhí)行機構(gòu)的5噸的傳統(tǒng)液壓挖掘機。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)動機為液壓泵提供轉(zhuǎn)速和扭矩。主液壓泵，包括兩個可變排量斜盤活塞泵和一個固定排量齒輪泵，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，一個小的伺服液壓齒輪泵與先導固定排量泵按照操縱桿命令來產(chǎn)生壓力信號，以便操作三位四通主控制閥的閥芯。因此，當給定一個操縱桿信號時，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油，致使活塞被伸出或縮回。活塞桿的移動速度取決于操縱桿信號的振幅。泵的排量調(diào)節(jié)對應于附著到活塞桿上的負載。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 ，大部分的勢能通過連接到油箱的低壓端浪費了。為了克服傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng)的缺點，混合臂架系統(tǒng)已被開發(fā)。對于動臂缸電路需要重新被設(shè)計，以滿足以下要求：1、新的臂架系統(tǒng)的操作必須是類似于傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng)的有關(guān)傳感驅(qū)動程序。 2、新的臂架系統(tǒng)必須實現(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哪繕耍粋€控制上述動臂液壓缸的混合臂架系統(tǒng)電路被設(shè)計下圖。 這里，轉(zhuǎn)臂液壓缸是由一個電動機/發(fā)電機結(jié)合雙向液壓泵/馬達和液壓控制電路來驅(qū)動兩個方向。一個由電信號控制的三位三通閥和一個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)中來調(diào)整動臂下降速度。為了使有載情況下的動臂油缸保持壓力，一個節(jié)流孔插裝閥，安裝在液壓缸的大腔和液壓泵/馬達的一個端口之間（參見上圖）。為了評估設(shè)計的實驗電動挖掘機的工作能力，它應與具有相應的液壓挖掘機性能的系統(tǒng)進行比較。因此，為實驗電動挖掘機的動臂缸建成了傳統(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。 該電路擁有從個人電腦用戶界面程序，可以幫助用戶可以方便地切換挖掘機使用傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng)或混合臂架系統(tǒng)模式，當然也可以通過兩個電磁控制閥（三位兩通換向閥）。帶有傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng)系統(tǒng)的挖掘機工作，當電磁閥S1和S2的控制信號處于低邏輯電平。相反，這些控制信號處于高邏輯電平時，挖掘

13、機的混合動力臂架系統(tǒng)正常工作。傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng)和混合臂架系統(tǒng)對于實驗電動挖掘機的硬件結(jié)構(gòu)要求基于上面兩圖所提出的電路，選擇實驗電動挖掘機所需要構(gòu)建組件以滿足工作要求。首先，電動機/發(fā)電機是根據(jù)挖掘機工作扭矩和發(fā)動機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系選擇的，如下圖。 從圖可以看出，滿足扭矩和速度要求的電動機/發(fā)電機可從派克漢尼汾公司選擇，雙向泵/馬達應選擇與傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng)的主泵排量類似的?；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作為主要供電的電動馬達，而斷路的電阻與電動機/發(fā)電機連接以測量所產(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）以確保動臂系統(tǒng)的正常運作。動臂系統(tǒng)的綜合規(guī)格和設(shè)定參數(shù)列于下表，最后，實驗電動挖掘機的硬件條件顯示于下圖。修改臂系統(tǒng)參數(shù)值通用零部件動臂油缸活塞直徑（mm）110活塞桿直徑（mm）60行程長度（m）0.72現(xiàn)有動臂系統(tǒng)發(fā)動機轉(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)無碳