1.4 液压挖掘机各执行机构的可回收能量和工况分析

1.4.1 各执行机构的可回收能量分析

1.可回收能量的计算

液压挖掘机是一种多用途的工程机械，可进行挖掘、平地、破碎等多种工作，为分析液压挖掘机的工况特点，选取了液压挖掘机最常用的挖掘工况作为研究对象。挖掘工况是指液压挖掘机进行挖掘-提升-旋转90°-放铲-旋转回位-下放的工作过程。各执行机构可回收能量计算如下。

（1）动臂液压缸可回收能量

动臂上升时，来自变量泵出口的压力油经过主控制阀后进入动臂液压缸的无杆腔，而动臂液压缸的有杆腔的液压油通过主控制阀后直接回油箱，由于动臂上升时，其有杆腔具有一定的压力，因此在动臂上升时，也具有一定的可回收能量。而动臂下放时，大量的动臂势能转化成液压能储存在动臂液压缸无杆腔。假设动臂上升时，其速度为正，动臂下降时，其速度为负。动臂液压缸的可回收能量的计算式为

式中 Ehbm1——动臂液压缸伸出时即动臂上升时的可回收能量（J）；

Ehbm2——动臂液压缸回缩时即动臂下放时的可回收能量（J）；

pbm1——动臂液压缸无杆腔压力（MPa）；

pbm2——动臂液压缸有杆腔压力（MPa）；

qbm——动臂液压缸可回收流量（L/min）；

Abm1——动臂液压缸无杆腔面积（m2）；

Abm2——动臂液压缸有杆腔面积（m2）；

vbm——动臂速度（m/s）；

C1，C2——常数，分别为16.7和60000。

（2）斗杆液压缸可回收能量

同理，斗杆液压缸的可回收能量和动臂液压缸的计算相类似，其计算式为

式中 Eham1——斗杆液压缸伸出时可回收能量（J）；

Eham1——斗杆液压缸回缩时可回收能量（J）；

pam1——斗杆液压缸无杆腔压力（MPa）；

pam2——斗杆液压缸有杆腔压力（MPa）；

qam——斗杆液压缸可回收流量（L/min）；

Aam1——斗杆液压缸无杆腔面积（m2）；

Aam2——斗杆液压缸有杆腔面积（m2）；

vam——斗杆速度（m/s）。

（3）铲斗液压缸可回收能量

同理，铲斗液压缸的可回收能量和动臂液压缸的计算相类似，其计算式为

式中 Ehbt1——铲斗液压缸伸出时可回收能量（J）；

Ehbt2——铲斗液压缸回缩时可回收能量（J）；

pbt1——铲斗液压缸无杆腔压力（MPa）；

pbt2——铲斗液压缸有杆腔压力（MPa）；

qbt——铲斗液压缸可回收流量（L/min）；

Abt1——铲斗液压缸无杆腔面积（m2）；

Abt2——铲斗液压缸有杆腔面积（m2）；

vbt——铲斗速度（m/s）。

（4）上车机构回转的可回收能量

上车机构回转的可回收能量由两部分组成。一部分为上车机构在加速或匀速旋转时，其液压马达进油侧的压力较大，回油侧的压力较小，但仍然具有一定的压力，因此也具有一定的可回收能量。另外一部分能量为上车机构减速制动时，其进油侧的压力较小，但回油侧的压力较大，其可回收能量较大。同时，在一个工作周期内，上车机构包括满载加速、匀速和减速以及空载加速、匀速和减速两个过程。假设逆时针旋转时其转速为正，顺时针旋转其转速为负，其上车机构回转可回收能量的计算式为

式中 Ehsw11——满载时回转加速或匀速时的可回收流量（假设逆时针旋转）（J）；

Ehsw12——满载时回转制动的可回收流量（假设逆时针旋转）（J）；

Ehsw21——空载时回转加速或匀速时的可回收流量（假设顺时针旋转）（J）；

Ehsw22——空载时回转制动的可回收流量（假设顺时针旋转）（J）；

psw1——回转液压马达一腔压力（用于驱动逆时针回转）（MPa）；

psw2——回转液压马达另一腔压力（用于驱动顺时针针回转）（MPa）；

qsw——液压马达排量（mL/r）；

nsw——转速（r/min）；

C3——常数，60。

2.各执行机构回收能量的意义

图1-26 标准挖掘工作周期各执行机构可回收能量归一化曲线

针对各执行机构中的回收节流损耗，由式（1-22）～式（1-38）可计算出液压挖掘机各执行机构的可回收能量，测量计算结果如图1-26所示。在一个标准挖掘工作周期中，对各执行机构可回收能量的测量和计算结果进行分析，可以得到如下结论。

1）在所有可回收能量中，动臂的可回收能量约占总可回收能量的66%，其中动臂下放过程中可回收能量约占总可回收能量的50%；在所研究的挖掘机液压系统中，在动臂上升时，动臂液压缸的有杆腔也具有一定的液压能；随着液压系统的不断改进，在动臂上升时，其回油侧的背压可以设计成很小，因此在动臂上升时，其有杆腔可回收能量不在本书的研究范围之内。因此，本书的主要研究对象为动臂下放时动臂液压缸无杆腔的可回收能量。

2）由于整机上车机构的回转转动惯量比较大，因此在上车机构回转制动时，会释放大量的动能，回转液压马达的可回收能量占总回收能量的18%，其中17%来自于回转制动过程，而回转加速或匀速过程中，液压马达回油腔的压力已经很小，几乎没有可回收能量（大约只有1%）。实际上，作者在后续的章节中会介绍在回转加速过程中液压马达进油腔的溢流损耗也可以作为能量回收的对象，由于该能量不是传统意义的负载，本节可回收能量主要针对转台的制动动能，因此，上车机构回转制动时释放的大量制动动能可作为液压挖掘机能量回收的研究对象。

3）斗杆和铲斗的可回收能量较少，对系统的节能效果影响不是很明显，考虑到回收系统的附加成本，可以不回收这部分能量。

在此需要提到一种特殊工况：当先导操作手柄表征斗杆伸出时，在铲斗触地之前，在斗杆及铲斗（含斗内物料）的自重作用及斗杆无杆腔的液压油共同作用下，由于传统的多路阀只具有微调特性，当多路阀阀芯越过调速区域后，如果斗杆有杆腔回油畅通，往往会造成斗杆超速下降，引起大腔压力迅速降低。此时必须在斗杆液压缸的无杆腔建立一定的背压，阻碍斗杆的超速下降。传统的液压挖掘机中直接切断斗杆液压缸的有杆腔与油箱之间的回路，在防止斗杆超速下降的同时，使小腔压力急剧升高。此时，斗杆和铲斗势能在下降过程中经动能转化成斗杆液压缸有杆腔的压力能。因此，对于液压挖掘机来说，斗杆的有杆腔在这种工况下也具有一定的可回收能量，但由于在传统液压挖掘机中，已经采用了斗杆再生回路，使得斗杆有杆腔的高压油向无杆腔补油的同时继续保持斗杆缸向外伸出运动，使斗杆、铲斗继续下降，从而将势能经动能转化的液压能回收利用。因此，本书对在此种工况时斗杆有杆腔的可回收能量不进行介绍。