基于液压平衡的势能回收和再生一体化系统的基础研究

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液压挖掘机能量回收技术是当前工程机械节能减排的重要研究课题之一，具有显著的经济和环境效益。其中，由于液压挖掘机动臂具有较大的惯性载荷，在频繁地提升与下降的作业过程中存在较大的能量损耗，因此，回收与再利用动臂举升后积累的势能，可进一步提高液压挖掘机的整机能量使用效率。针对液压挖掘机的自身特点，功率密度较大的液压式能量回收既满足了势能回收工况波动剧烈的要求，同时也避免了液压式能量和其它形式能量的多次转换。在无平衡油缸的液压式能量回收中，势能回收过程中会导致液压蓄能器的压力逐渐升高，进而影响机械臂的下降速度；同时机械臂上升和下放所需的压力等级不同，液压蓄能器回收的能量难以直接从回收途径的反向释放出来，一般需要单独设置一个再利用回路，增加了能量转换环节，势能的回收和再生难以一体化，因此，采用液压蓄能器直接回收机械臂势能的方案在节能性和操控性上都不理想。在有平衡油缸的液压式能量回收系统中，原有驱动油缸与平衡油缸刚性联接，通过动力耦合共同驱动负载，在动臂下放过程中，平衡油缸克服负载所占分配比逐渐变大，使液压蓄能器压力逐渐升高，而驱动油缸由于负载分配比的变小，其无杆腔的压力逐渐降低，动臂下放的速度仍然可通过驱动单元的流量控制阀来调节。因此，将液压平衡思想应用于工程机械的执行器和负载之间，通过平衡油缸平衡大部分负载，使得原驱动单元只需输出一个较小的驱动功率，降低了动力系统的输出能量，为液压挖掘机的能量回收技术研究提供了一条新的途径。论文以某型号的1.5吨级液压挖掘机动臂为研究对象，通过计算机仿真和试验测试相结合的方法分析了液压挖掘机在典型工况下动臂的可回收能量大小以及典型的能量回收工况特点，提出了一种采用平衡油缸和液压蓄能器进行能量回收和再生利用的结构方案和工作原理；分别构建了普通系统和平衡系统的动臂速度控制数学模型，分析了平衡单元对动臂控制动态响应和阻尼特性的影响，并建立AMESim仿真模型，研究了平衡单元油液容腔体积、液压蓄能器充气压力和容积等参数对动臂速度控制性能的影响；以动臂油缸动态负载的完全平衡为目标，以液压挖掘机工况要求、液压蓄能器能量密度最优和使用寿命为约束条件，设计并优化了平衡单元的关键元件液压蓄能器、驱动油缸和平衡油缸的主要参数；提出了平衡单元和驱动单元的控制策略，使得节能性和操控性的综合效果最佳。根据系统结构原理和参数设置，搭建了平衡式能量回收试验平台，从操控性和节能性两方面展开了试验研究。试验结果表明该方案具有58.2%的能量回收效率，动力系统节能21%；所提出的控制策略可行有效，能实现系统的不同工作模式。

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作者
叶月影;
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作者单位

华侨大学;

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授予单位华侨大学;
学科机械工程
授予学位硕士
导师姓名林添良;
年度 2016
页码
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类机械、仪表工业;
关键词
液压平衡; 势能; 回收; 再生; 一体化系统;

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