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

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1、- 關(guān)于電動挖掘機(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：kkahnulsan.ac.kr，：+ 82-52-259-2282， ：+ 82-52-259-1680 關(guān)鍵詞：液壓挖掘機(jī)，電動挖掘機(jī)，電動液壓執(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，平安性和可靠性，特別是對液壓挖掘機(jī)來說，已顯得尤為重要。電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)，已經(jīng)成功地應(yīng)用于汽車行業(yè)。本文的目的是提出一種新型的電動

2、液壓挖掘機(jī)，此挖掘機(jī)因?yàn)槭褂秒娨簣?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)電動機(jī)驅(qū)動去回收挖掘機(jī)有負(fù)載時(shí)臂架降低的勢能或挖掘機(jī)停頓回轉(zhuǎn)時(shí)的動能。對一個(gè)5噸級挖掘機(jī)包括常規(guī)的臂架系統(tǒng)和混合式臂架系統(tǒng)進(jìn)展了分析，開發(fā)作為實(shí)驗(yàn)電動挖掘機(jī)及其驗(yàn)證模型來評估所提出電動挖掘機(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)的根底上的。最后，通過實(shí)驗(yàn)電動挖掘機(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局部。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)

3、荷操作、平整。然而，典型的液壓挖掘機(jī)總是需要高能量，快速提地供應(yīng)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)液壓動力系統(tǒng)承受最大負(fù)載時(shí)，總是從一個(gè)泵供應(yīng)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)停頓時(shí)，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(dāng)動臂被驅(qū)動到一個(gè)較低的位置時(shí)，作用在動臂的重力使其降低。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)駐留在較高位置動臂的勢能就會喪失。同時(shí)，燃料本錢的迅速增加，大氣污

4、染、全球變暖已經(jīng)成為嚴(yán)重的問題。因此，減少能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(jī)是可行的解決方案。許多設(shè)計(jì)并應(yīng)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(jī)械領(lǐng)域，廠商也開發(fā)了各種機(jī)器的根本混合概念，如串聯(lián)，并聯(lián)或復(fù)合類型的混合機(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)沒有太大的憂慮。 為了克制傳統(tǒng)挖掘機(jī)的缺點(diǎn)，以及滿足挖掘機(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)行器更少的電動液壓執(zhí)行器。此外，在機(jī)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

5、對一臺5噸的帶有改良的混合臂架系統(tǒng)的挖掘機(jī)進(jìn)展實(shí)驗(yàn)，實(shí)施驗(yàn)證所提出電動挖掘機(jī)性能?；趯?shí)驗(yàn)電動挖掘機(jī)構(gòu)造和工作條件，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。 本文的其余局部安排如下。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)電動挖掘機(jī)硬件構(gòu)造。第3節(jié)是程序如何控制實(shí)驗(yàn)電動挖掘機(jī)。第四和第五節(jié)驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)電動挖掘機(jī)使用效率仿真和實(shí)驗(yàn)。第6節(jié)結(jié)語。 2、電動挖掘機(jī) 2.1設(shè)計(jì)理念 在文獻(xiàn)中，已經(jīng)提出了混合動力挖掘機(jī)的幾種構(gòu)造。例如，在混合動力挖掘機(jī)的串聯(lián)型，如下圖。 由發(fā)動機(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)能量由電動馬達(dá)驅(qū)動的液壓泵再

6、次轉(zhuǎn)換成機(jī)械動力。因?yàn)橐簤汗苈泛捅奂芟到y(tǒng)是別離的，動臂的勢能可以被回收。另外，由一個(gè)電動馬達(dá)驅(qū)動回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。因此，動能在此系統(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系統(tǒng)充電。與此相反，上述存儲設(shè)備在負(fù)載功率較大時(shí)放電。液壓泵是由電動機(jī)驅(qū)動的無液力控制閥，減少液力損失。有時(shí)該發(fā)動機(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)動機(jī)通過機(jī)械和液壓與負(fù)載斷開連接。然而對于此挖掘機(jī)類型，發(fā)電機(jī)應(yīng)具有更大的容量，這增加了機(jī)器的本錢。 混合動力挖掘機(jī)，如下圖的平行型的另一種設(shè)計(jì)。 , 發(fā)動機(jī)和機(jī)構(gòu)直接由機(jī)械軸或液壓管線彼此相連。這里

7、，發(fā)動機(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，對于平行型，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)并不需要具有一樣的容量作為發(fā)動機(jī)，因此它可以被設(shè)計(jì)成比該系列類型更小。因此，額外的本錢這方面并聯(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)動的執(zhí)行器。由于液壓的分流與合流一臺使用獨(dú)立驅(qū)動執(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，如勢能和動能。 基于上述所需的功能，提出的用于混合動力挖掘機(jī)設(shè)計(jì)理念的電動挖掘機(jī)的

8、構(gòu)造顯示在下列圖。 驅(qū)動系統(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，動臂，臂和鏟斗系統(tǒng)。每個(gè)電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電動機(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應(yīng)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)動使泵能在兩個(gè)方向供應(yīng)壓力油。電機(jī)的操作，以滿足電液執(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)，其中電動機(jī)/發(fā)電機(jī)可與電動機(jī)或發(fā)電機(jī)模式功

9、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(dāng)它出現(xiàn)故障時(shí)通過液壓馬達(dá)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能。同時(shí)，挖掘機(jī)上部回轉(zhuǎn)體停頓旋轉(zhuǎn)時(shí)的動能可以被回收，并轉(zhuǎn)換成電能。 該電動挖掘機(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)動器內(nèi)部。該電源提供應(yīng)操作機(jī)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(dāng)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(gè)能量被存儲然后再用于電動挖掘機(jī)的下一個(gè)操作。 電動挖掘機(jī)的工作原理和性能，然后通過對一臺5噸的電動挖掘機(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)采用混動系統(tǒng)電動挖掘機(jī)

10、2.2.1分析 為了評估電動挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)理念，5噸的實(shí)驗(yàn)電動挖掘機(jī)被設(shè)置在一個(gè)動臂機(jī)構(gòu)參加了電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的5噸的傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)。因此,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)。 首先考慮如下列圖的傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng)的液壓回路。 這里，發(fā)動機(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(dāng)給定一個(gè)操縱桿信號時(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

11、小腔室進(jìn)油，致使活塞被伸出或縮回?；钊麠U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(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 ，大局部的勢能通過連接到油箱的低壓端浪費(fèi)了。 為了克制傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng)的缺點(diǎn)，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(jì)，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(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。 基于期望的目標(biāo)，一個(gè)控制上述動臂液壓缸的混合臂架系統(tǒng)電路被設(shè)計(jì)下列

12、圖。 這里，轉(zhuǎn)臂液壓缸是由一個(gè)電動機(jī)/發(fā)電機(jī)結(jié)合雙向液壓泵/馬達(dá)和液壓控制電路來驅(qū)動兩個(gè)方向。一個(gè)由電信號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(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〔參見上圖〕。 為了評估設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)電動挖掘機(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)展比擬。因此，為實(shí)驗(yàn)電動挖掘機(jī)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，如下列圖所示。 該電路擁有從個(gè)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(jī)使用傳統(tǒng)

13、的臂架系統(tǒng)或混合臂架系統(tǒng)模式，當(dāng)然也可以通過兩個(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的控制信號處于低邏輯電平。相反，這些控制信號處于高邏輯電平時(shí)，挖掘機(jī)的混合動力臂架系統(tǒng)正常工作。 2.2.2 傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng)和混合臂架系統(tǒng)對于實(shí)驗(yàn)電動挖掘機(jī)的硬件構(gòu)造要求 基于上面兩圖所提出的電路，選擇實(shí)驗(yàn)電動挖掘機(jī)所需要構(gòu)建組件以滿足工作要求。首先，電動機(jī)/發(fā)電機(jī)是根據(jù)挖掘機(jī)工作扭矩和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系選擇的，如下列圖。 從圖可以看出，滿足扭矩和速度要求的電動機(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)的主泵排量類似的?；?/p>

14、于研究的結(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(dá)，而斷路的電阻與電動機(jī)/發(fā)電機(jī)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，平安閥等〕以確保動臂系統(tǒng)的正常運(yùn)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(shí)驗(yàn)電動挖掘機(jī)的硬件條件顯示于下列圖。 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(jī) 轉(zhuǎn)速〔rpm〕 2300 主泵 可變排量(cc/rev)

15、 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) 無碳刷伺服電機(jī)〔MPP2308〕 輸入電壓〔VAC〕 400 額定轉(zhuǎn)速〔rpm〕 1805 額定扭矩〔Nm〕 73.757 擊穿電阻 電阻〔Ohm〕 27 雙向液壓泵/ 馬達(dá) 排量〔毫cc/rev〕 45 溢流閥 溢流壓力〔bar〕 320 比例溢流閥閥 溢流壓力〔bar〕 0?315 比例節(jié)流孔閥 最大的百分比開口面〔％〕 0?100 主控制單位 〔MCU〕 電腦 英特爾酷睿2雙核 2.4 GHz PCI1711 研華多功能卡 A / D PCI1720 研華多功能卡 D / A . z.