挖掘机大小臂的控制 液压挖掘机动臂势能直接回收利用技术(报告)

 2018-11-18 12:42:54  |  编辑:厄尔挖掘机  |  阅读:927  |   大型挖掘机  液压控制系统  液压缸密封  蓄能器  过程控制
[导读]:本文(《液压挖掘机动臂势能直接回收利用技术(报告)》)由来自常宁的用户投稿,并经由本站(厄尔挖掘机)结合主题:挖掘机大小臂的控制,收集整理了众多资料而成。主要记述了蓄能器,液压控制系统,过程控制,液压缸密封,大型挖掘机等方面的信息。相信从本文您一定可以获得自己所需要的!

编者按:2017年10月31日~11月2日,“PTC ASIA 2017 高新技术展区国际技术交流报告会”成功在上海新国际展览中心举办。此次报告得到国际同业组织VDMA、国内外知名企业、业内专家和世界同仁的大力支持,我们深表荣幸并衷心感谢。

报告会现场观众踊跃参加、积极互动,让我们倍感欣慰,这一切都激励着我们继续努力,为流体传动与控制技术进步添砖加瓦,为世界流体动力产业发展贡献新的力量!

PTC ASIA 2017高新技术展区现场技术报告 之五

液压挖掘机动臂势能直接回收利用技术

——据太原理工大学教授权龙报告整理

三容腔液压缸挖掘机动臂势能回收利用技术

◆动臂势能回收技术背景

我们知道各种类型的行走机械包括挖掘机、装载机、集装箱正面吊、林业机械、还有叉车等物流输送装备,他们的工作装置都非常重,工作中工作装置要频繁地举升(升降)。由于在举升过程中,工作装置积聚了非常大的重力势能,那么如何控制、利用这个势能是工程机械一个重要的研究方向,也是节能减排的一个重要措施,下面我们看一看目前是怎么控制的?

图1是我们传统液压挖掘机动臂控制回路,挖掘机动臂举升过程中积聚的势能在下放过程中转化为液压能,通过控制阀阀口的节流作用转化为热能就全部耗散掉了,这样不仅浪费能源,同时导致液压系统的油液发热,另外这种控制方式也使动臂下放的速度收到制约。那么怎么来解决这个问题呢?要回收利用动臂在举升过程中积聚的势能,同时采用进出口分别控制的方式来提高它的运行速度。

图1 传统液压挖掘机动臂控制回路

图1 传统液压挖掘机动臂控制回路

我们看一下目前势能的回收方式,常用有两种:一种是纯粹的液压回收方式,就是把动臂积聚的势能通过控制阀存储到液压蓄能器里,在存储过程、利用过程中,为了消除蓄能器压力较低、回收利用难的问题,可以引入到这个泵的吸入口来充分地利用这个势能。另外一种方式是电气回收方式,用液压马达驱动电动发电机,把重力势能转化成电能回收利用,存储到超级电容或者是电池中,再利用时直接利用电能。比较这两种方式:液压方式转换环节较少,但是它的再利用过程比较复杂,也会造成二次节流,损失也比较大;电气方式中能量要通过液压能转换到电能、再到电容,再利用时也需要同样的转换过程,能量传递链长,总效率较低。那么怎么办呢?下面我们介绍两种系统。

◆增加平衡液压缸的回收方法

目前有一种直接利用的方式(见图2),就是在动臂上增加一个液压缸,这个缸专门存储动臂下放的势能。这种方式是对势能的直接转化利用,转化效率比较高。图3是我们测试的一个结果,通过测试对比,可以看出来,原有的系统和增加这个储能缸以后,系统能耗由过去的1454千焦,降低为922.4千焦,能耗减少了36.4%,节能效果还是比较显著的。可以看出来蓄能器在动臂上升过程中释放能量,辅助主驱动驱动动臂,在下放过程中存储动臂的势能。目前这个技术在国内外都有应用,比如国外的一些物流设备,国内的山东常林和山河智能都已经做出这样的挖掘机,并投入使用。

图2 液压挖掘机动臂势能直接回收利用技术

图2 液压挖掘机动臂势能直接回收利用技术

图3 平衡液压缸回收系统测试结果

图3 平衡液压缸回收系统测试结果

这种方式虽然节能效果很好,但也有几个问题需要解决。由于要布置一个额外的液压缸,小型挖掘机很难布置;另外安装额外的液压缸,需要对动臂做一个很大的改动,小型机也很难做到,所以这种方式主要适用于大型的机器。另外,由于多了一个液压缸,增加了动臂下降时的流量需求,降低了动臂下降速度,还会增加一部分额外的节流损失。

◆三容腔液压缸直接回收方案

那么有没有一个更好的办法呢?我们设计了一种三容腔的液压缸来解决这个问题(见图4)。把传统的两腔液压缸中间多集成了一个液压缸,这就是三容腔液压缸。当用于小型机时采用一个缸,用于大型机时采用两个缸。这样可以在不改变现有挖掘机动臂结构的情况下直接替换利用,另外在动臂下放过程中,它的流量也不会增加。这样应用范围广,并可同时满足高效回收动臂势能的要求。

图4 三腔液压缸原位替换的研究方案

图4 三腔液压缸原位替换的研究方案

我们对中间柱塞杆和活塞杆的强度和刚度做了校验。中间柱塞杆是小柔度杆,依照强度计算,根据最大工作压力25MPa计算,远小于许用应力值,故强度满足小型挖机的要求。活塞杆的杆径增加了,而且是空心的,它的刚度和强度都有所增强。对活塞杆做了有限元分析,也没有特别应力集中的地方,所以能够满足使用要求。

我们把三腔液压缸分别放在三种控制回路中进行试验和测试研究。这三个回路是:正流量控制回路,进出油口独立控制回路和闭式泵控回路。图5是三腔液压缸应用在普通正流量控制系统中的样机照片,一台6吨的小型挖掘机。为了验证效果,我们对两种液压缸系统做了一个比较(见图6)。可以看出:动臂下降时,因为有蓄能器做背压,需要的主驱动能量比原有系统要大一点;但是在动臂上升时,由于蓄能器的补能,所需能量大大减小,同时采用能量回收以后,主驱动提供的峰值功率也大大减小。根据计算:下放过程中,蓄能器同时回收主泵和动臂势能输入的能量,回收效率是85%;上升阶段,蓄能器提供的功率占到总功率的70%。总的下来,能够降低能耗48.6%,峰值功率降低64.8%,这个效果还是比较好的。另外还要考虑到,这个系统在非工作周期能耗是很小的,而原有系统在非工作过周期,能耗是比较大的。

图5 正流量控制动臂系统

图5 正流量控制动臂系统

图6 测试结果图6 测试结果

同样把三腔液压缸用在进出口独立控制的机器上也做了测试(见图7)。通过试验可以看出来,在动臂下放的过程中能量基本上差不多,但在动臂上升的过程中,由于蓄能器的补压,三腔液压缸需要的功率比传统液压缸大大减小,总的能量降低了40%多。另外蓄能器初始压力影响也比较大。我们做了不同蓄能器压力的对比,经过研究,初始压力取8MPa时,效果比较好。

图7 进出口独立控制动臂系统

图7 进出口独立控制动臂系统

把三容腔液压缸放在闭式泵控系统的机器上也做了试验(见图8)。可以看出来主驱动只在动臂上升过程中提供能量,在下放和非工作周期基本上不提供能量,补油泵一直在提供一个小的能量。

图8 闭式泵控动臂系统

图8 闭式泵控动臂系统

图9是前面三种方案的对比。可以看出:如果把正流量系统中三容腔液压缸的能耗作为1的话,进出口独立控制系统的能耗就是0.7;如果采用闭式泵控方案,较进出口独立控制又可以降低能耗30%;即,采用闭式泵控系统,能耗只有0.4。而采用三腔缸以后,正流量系统本身比传统的液压缸已经降低了能耗40%多。进出口独立控制系统和闭式泵控系统更加节能的原因是:进出口独立控制系统减少了阀上多余节流损失,而直接泵控系统基本消除了阀上节流损失,这都为进一步降低能耗做出贡献。

图9 三种方案的对比图9 三种方案的对比

另外三腔液压缸同样可以用于中型以上的机型,即用两个三腔液压缸代替现有液压缸。我们分别对比了原有系统、三个液压缸系统和采用三腔液压缸的系统,也同时做了空载和满载的实验(见图10)。通过对比我们可以看出:在空载的工况,三腔液压缸系统相对原始系统节能将近60%,在半载和满载的时候,节能效果会有所降低,这是因为在举升过程中要驱动外负载去做功,这个能量是必然要消耗的,而动臂重量这个势能是一定的,所以空载数据还可信的。

图10  不同负载工况下的能耗数据

图10  不同负载工况下的能耗数据

◆总结

额外增加平衡液压缸的方式能够显著降低能耗,但其应用受限于空间和动臂结构;而三腔液压缸能够原位替换原有液压缸,无需改变动臂结构,对大中小型机器均适用;液气平衡储能回收方法在各种液压控制系统中均有良好的节能效果,能同时减少能量消耗和降低峰值功率,另外蓄能器的初始压力对节能效果有较大影响,需要进行优化设计。

非对称液压泵闭式容积调控动臂势能利用技术

前面讲的都是阀控系统,阀控系统最大的问题就是有节流损失。怎么能够完全消除节流损失呢?其实美国人已经开了一个很好的头。美国普渡大学做了一个全泵的液压挖掘机,就是每一个执行器用一个液压泵采用闭式回路进行控制。那么整机呢?它采用了液压混合动力方式。有一个结果:采用这套系统以后,可以降低发动机的装机功率达50%,降低燃油消耗40%,提高生产效率70%。美国人说:这个技术可以说是工业界在21世界最伟大的发明之一,他们非常自豪。

◆存在的问题

但是这个技术要推广的话,还有一定的问题,我们也在这方面做了一些工作。我们看一下这个系统(图11):系统中泵是对称的泵,但缸是非对称的缸,这就要对非对称执行器两腔流量加以补偿。但是这种方式在负载压力发生转化的时候就会引起压力和速度发生很大的波动,这个也是目前好多研究机构在研究这个系统时致力于解决的一个问题。

图11 非对称液压缸容积调控势能直接转换技术

图11 非对称液压缸容积调控势能直接转换技术

◆解决方案

我们就想:能不能用非对称泵来控制非对称缸解决这个问题呢?根据这个思想我们设计了一个非对称的泵,这个泵有三个油口,其中两个油口和这个非对称缸的流量平衡,另外一个油口和蓄能器相连,直接回收动臂下放的势能,这样就把能量回收和主驱动集成为一个单元,既可以驱动也可以回收负载势能。我们研究了两种回路,一种是改变泵排量的回路,一种是改变泵转速的回路(见图12)。

图12 非对称泵控制回路

图12 非对称泵控制回路

下面是试验的控制原理。一种是没有速度前馈的闭环控制系统,一种就是带速度前馈的闭环控制系统。我们做了一个比较,如果带速度前馈的话,则既可以控制速度,同时也可以控制位置。图13是试验结果,左边的曲线液压缸行程分别是100mm、200mm和300mm,右边同样是100mm、200mm和300mm行程,但是采用速度和位置复合控制的结果。可以看出来左边这个速度是不受控制的,但右边最大的速度是一样的,说明,这种方式既可以控制速度,也可以控制位置。而且右边速度位移的曲线要比左边快一点,减小了当压差很小的时候造成的响应减慢的影响。

图13 非对称泵控差动液压缸系统动态特性

图13 非对称泵控差动液压缸系统动态特性

◆不带位置反馈带位置反馈

我们也做了正弦信号的响应曲线,泵控做到±50mm行程、1Hz的响应是没有问题的。

◆方案比较

同时我们把上述的原理也用于控制挖掘机的动臂,并和采用传统液压缸进出口独立控制的系统做了比较,试验结果如图14和15中曲线所示。图14中蓝色是泵的压力、红色是液压缸无杆腔的压力。可以看出来:在动臂举升过程和下放过程中,采用进出口独立控制系统,泵和液压缸无杆腔压力均存在较大波动,并且存在较大节流损失。采用非对称泵容积调控系统,泵和液压缸油腔压力较稳定,不存在较大的压力波动,并且无节流损失。

图14  控制挖掘机的的动臂的两种方案的对比

图14  控制挖掘机的的动臂的两种方案的对比

图15是这两种系统的能量和功率对比曲线,可以看出节能效果非常显著。整个举升和下放、还包括非工作周期过程,进出口独立控制系统消耗的能量是93.2千焦,而采用非对称泵控系统以后,只消耗了18.2千焦的能量,总的节能效果达到80%,其中举升过程节能效果是59%,下放过程中节能效果87%,80%是考虑到非工作周期后的节能效果。

图片

图15  进出口独立控制系统非对称泵控制系统(三油口泵)

◆总结

采用非对称泵闭式容积控制单出杆液压缸,可以有效解决液压缸两腔流量不对称问题,降低闭式驱动系统复杂性。由于非对称泵与单出杆液压缸流量完全匹配,可以提高负载方向频繁变化过程液压缸运行的平稳性。用于驱动液压挖掘机斗杆时,在负载力大小及方向发生变化时,单出杆液压缸速度不受影响,系统运行比较平稳,与进出口独立系统相比,斗杆液压缸一次完整伸出和回缩过程,可降低系统能耗70%以上。当将非对称泵的一个油口连接蓄能器时,则系统可以高效回收执行器工作过程中的动势能,用于驱动液压挖掘机动臂时,可回收工作装置的重力势能80%左右。

该文刊登于我刊2018年第2期

本刊编辑  张婷婷整理

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挖掘机大小臂的控制视频

三节臂的挖掘机, 手柄如何控制? 开一天脖子都伸不直了

相关问答

问:怎么样才能控制好挖掘机的大小臂

答: 挖掘的深度,可以目测,就是这个动作,可以用尺子量出来,到那里是多深,时间长了,只看深度就知道有多少了。 1M以内的找平,可以分层的。最后剩下20CM左右,再挎平,记住,铲子在收的时候,铲斗底面和地面要平行。 土堆有高有低的找平。包括这几个动作,往前推,往后沟土,拉着转向左右上下带着土过去。找的平不平呢,第一,就是自己的微操作,手柄动多大的位置,车子动多少,铲斗比自己的胳膊更灵活,那就差不多了。就是手和脑的配合,要自己去领会。第二,就是看出哪里高哪里矮,土该往哪里放。一定要整体性的考虑。 你下来看看就知道不平了,看看哪里不平。然后你再回到车上慢慢的观察就会发现了,不平的地方和平的地方时不一样的。把它找平,完了下来再看,一般就可以了。主要就是观察了,多下来看看。

问:小松pc56挖掘机行走正常,大小臂不动作,是什么故障引起的?

答:你检查下大小臂的控制系统液压油是否有输出,如果没有就是控制部分问题或者没有液压油了

问:怎么将挖掘机上的大小臂油缸拆下来

答:是油缸内漏~~其实拆油缸很简单的啊,先把油缸和小臂连接处的销子拿掉~然后把油缸上的内六角螺丝下掉~最后把油缸慢慢放出来 是上驾驶室用操作杆操作油缸放出来哦 ~这样油缸就可以拿下来了,下中臂油缸的话在油缸上固定一根绳子找个铲车或是挖机吊着你再慢慢放出来~ 如果你不会弄的话就找专业的人来修
希望采纳

问:挖掘机大小臂不同时工作是什么原因

答:能具体点么?在什么档位?大臂提升+小臂收回不能同时动,还是大臂下降和小臂伸出不能同时动作?还是都不能?

问:挖掘机大小臂自动下降是怎么回事

答:可能是液压不足或是控制液压的机械部份需要调整,太松了。液压是机械行业、机电行业的一个名词。液压可以用动力传动方式,成为液压传动。液压也可用作控制方式,称为液压控制。液压传动是以液体作为工作介质,利用液体的压力能来传递动力。液压控制是以有压力液体作为控制信号传递方式的控制。用液压技术构成的控制系统称为液压控制系统。一个完整的液压系统由五个部分组成,即能源装置、执行装置、控制调节装置、辅助装置、液体介质。液压由于其传递动力大,易于传递及配置等特点,在工业、民用行业应用广泛。液压系统的执行元件(液压缸和液压马达)的作用是将液体的压力能转换为机械能,从而获得需要的直线往复运动或回转运动。液压系统的能源装置(液压泵)的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能。

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来自[南宁]的用户2018-11-18 19:40:25

初次合作,好评。

来自[禹州]的用户2018-11-18 21:58:22

他们家的玩具质量挺好的我都是补货进新品了,

来自[襄樊]的用户2018-11-19 00:58:30

产品质量不错,值得以后继续合作。

来自[邹城]的用户2018-11-19 08:34:53

不错,挺好卖的

来自[阜新]的用户2018-11-19 09:09:25

满意,老板人也好,给赞!

来自[湖州]的用户2018-11-19 09:40:24

东西收到,很满意!!真的是超级好的卖家,解答疑问不厌其烦,细致认真,关键是东西好,而且货物发得超快,包装仔细,值得信赖!

来自[安宁]的用户2018-11-19 16:42:19

挖掘机的大小臂是分别由不同的PPC阀控制的!如果你想他们同时工作就做复合动作!

来自[佳木斯]的用户2018-11-20 14:26:27

东西都很不错 个别的玩具压坏了

来自[秦皇岛]的用户2018-11-25 01:34:30

每款产品都很满意,你家我必须来的,能全邮到家就更好咯,呵呵

来自[呼伦贝尔]的用户2018-12-07 13:16:55

支撑用的液压部分有问题!
可能是液压不足或是控制液压的机械部份需要调整,太松了。

来自[凤城]的用户2018-12-11 20:25:42

货挺好,和图一样,老板挺好,就以盒托马斯坏了,已经两次进货了,下次再来

来自[海宁]的用户2018-12-17 10:13:01

主要可能是油泵的问题,
请找专业人员,来校对一下油泵。