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  液压基于液压系统结构改进的节能研究

  (1)主控阀进出口独立节流调节

  传统的液压一般采用六通多路阀控制主泵供给液压执行元件的液压油的流量、压力和流动方向,进而控制执行机构按照操作人员指令进行工作。由于主控阀进、出和旁通油口是联动的,工作过程中必然导致一些不必要的能量损失。例如控制执行元件开始加速时,如果主控阀阀口未控制在全开状态,则回油口也未全开,使得回油口产生节流损失,同时在执行元件出油口形成一定的背压,造成系统的额外能耗,也影响了执行元件加速过程的快速性。控制执行元件开始减速时,由于执行元件运动速度较快,回油腔压力较高,导致较大的回油节流损失,同时进油腔出现低压,液压泵输出的高压油在主控阀进口处会产生较大的进油节流损失;如果主控阀阀口关闭过快,则会在执行元件的出口产生压力冲击,造成溢流损失。可见主控阀进出油口联动是降低液压系统效率的一个主要原因。
液压小型挖掘机基于液压系统结构改进的节能研究
  随着电液比例控制技术的不断发展,国内外学者提出了采用双阀芯控制技术分别控制系统进出口通流面积的节能方案,可以在一定程度上减少主控阀进、出节流口及旁通油口的压力损耗,且使系统的控制性能得到了有效的改善。提出了利用进出口独立控制原理改善泵控差动缸系统效率的节能方案,不仅提高了系统的效率,而且降低了系统本身的能量消耗;文献[38]对电液比例负载敏感负载口独立控制系统进行了仿真研究,结果表明与传统负载敏感系统相比,该系统有更快的响应速度和较好的节能效果;对负载口独立控制负载敏感系统模式切换特性进行了研究,结果表明负载口独立控制单元对比传统多路阀控单元有其明显的动态响应和节能优势。 虽然进出口独立调节技术的应用降低了系统的节流损失,但工作过程中动臂下放和回转平台制动释放出来的势能和惯性能较大,仍有很大一部分能量以回油节流的形式被耗散掉,造成了能量的浪费。

  (2)泵控系统代替阀控系统的改进

  液压一般是由一个或两个液压泵来驱动多个执行机构,工作过程中多个执行机构进行复合动作时,液压系统的压力取决于执行机构所受最大负载的压力,这必然导致低负载执行机构的压力补偿损失,造成系统能量的浪费和低负载执行机构工作效率降低。随着新型变量泵的出现和液压节能环保要求的日益提高,液压泵控系统(多泵多回路液压系统)的研究已经取得了一定的成绩。在泵控系统中,每个执行机构都由单独的液压泵供油,减少甚至消除了负载差异造成的系统压力补偿损失。泵控系统在液压中的应用为系统能量的回收也创造了条件,提出了一种可进行能量回收的液压泵控系统,其单个装车工作周期内约节能46%。 一般泵控系统多应用于大型和超大型液压,近些年,随着节能要求的提高,泵控系统也日益受到中小型的青睐,如德国O&K公司推出的带有独立回转泵的中小型液压,提高了系统的能量利用效率。

  (3)二次调节静液传动技术

  二次调节静液传动技术是德国汉堡国防科技大学H. W. Nikcolaus教授提出的,它是一种压力偶联系统,通过闭环调节二次元件(可在四象限内工作)的排量控制整个系统的功率流,达到调速和调转矩的目的。同时系统还可实现工作装置制动动能和重力势能的回收与再利用,极大地提高了系统的能量利用效率。近些年,国内外学者对二次调节静液传动的控制及节能规律进行了深入的研究,并将其应用到很多领域的液压系统中,取得了显著的节能效果。

  二次调节静液传动系统可将多个负载相互独立地并联在一个恒压网络上,并可分别对各负载端二次元件进行互不相关的闭环反馈控制,来实现转角、转速、转矩及功率的控制。二次调节静液传动技术的应用扩大了系统的工作区域,改善了系统的控制特性,减少了系统设备的总投资,降低了系统的能源消耗和冷却费用。对恒压网络二次调节液压系统进行了研究,并与传统挖掘机液压系统能耗进行了对比分析,结果表明基于恒压网络二次调节技术的液压具有较好的节能效果。

  由于二次调节静液传动技术具有很多优点,并且伴随着理论研究的不断深入,使二次调节静液传动系统得到了迅速的发展。目前已在码头、近海作业的大型起重设备、钢铁工业、大型集装箱转运车、车辆传动等领域得到广泛应用。但是,用于二次调节静液传动系统的液压元件成本较高,使其在短时间内还不能代替传统的静液传动技术。
液压小型挖掘机基于液压系统结构改进的节能研究
  (4)液压变压器技术

  二次调节静液传动技术的发展提高了液压系统的柔性和效率,但由于缺少一种高效传送液压能的液压元件,使其在液压领域并没有得到广泛的应用。液压变压器作为一种新型的流量和压力转换元件,理论上可以无节流损失地实现多种不同等级的压力回路,弥补了传统二次静液传动技术的不足。 从20世纪70年代以后,液压变压器从单向压力变化发展到了双向压力变化,但其结构形式并没有较大的改进,基本结构为两个轴向柱塞泵、马达机械地连接在一起。在此期间,日本Sophia大学对该类型液压变压器开展了大量的研究,研究结果表明如果液压变压器和液压缸的连接方式合理,液压变压器的效率可达80%以上。1977年荷兰的Innas和Noax公司联合提出了一种新型液压变压器,它将液压马达和液压泵集成为一个独立的液压元件,使其在结构上得到了突破性的发展,且新型液压变压器的结构简单,转动惯量小,动态性能好,可以驱动旋转和直线负载。

  鉴于液压变压器的优点,国内也对液压变压器进行了大量的研究,将液压变压器应用到了液压电梯系统中,降低了液压电梯系统的装机功率,节能效果显著。对采用液压变压器的动臂势能回收系统进行了研究,其结果表明该系统运行状况良好,可显著提升节能效果。因此,随着液压变压器技术的不短发展和完善,它会越来越得到更广泛的应用。

  (5)能量回收技术

  液压回转平台和前端工作装置(动臂、斗杆和铲斗)的质量和惯性较大,在工作过程中,回转平台的制动能和前端工作装置下降势能绝大部分在主阀节流口转化为热能,造成了能量浪费和液压系统温度的升高。因此,对这部分能量进行回收和再利用是解决系统发热和降低能耗的有效方法。 在能量回收系统中,储能元件对提高系统能量回收与再利用效率非常重要,是影响系统节能效果的重要因素之一。一般系统所回收能量的储存方式可分为:机械式、电力式和液压式三种。

  (a)机械式

  机械式能量回收出现较早,常见的储能方式有:飞轮式、弹簧式、重力式。 飞轮是机械蓄能的一种常见形式,它以动能的方式将能量储存于高速旋转的飞轮中。普通的金属飞轮价格低廉,易于加工,运行可靠,并因在传动系统中易于实现连接而得到广泛的应用。但由于普通飞轮能量密度较低,通常用于改善发动机的工作状态。近年来为了提高飞轮的储能效果,出现了以碳纤维为材料的超级飞轮,其能量密度是普通金属飞轮的10倍,比能量可以达到125kw/kg。目前,由于超级飞轮制造成本高,技术难度大,使用过程中容易引起共振等安全性问题,限制了工程实际的推广应用。 弹簧储能能力较差,长时间工作容易发生疲劳断裂。因此弹簧式蓄能装置应用于能量回收系统较少,常用于车床液压系统的保压回路、系统的减震、隔振等。 重力式储能方式通常应用于往复运动系统,其工艺简单,储能效果较好。但系统可回收能量较高时,储能设备会比较庞大,一般不适用于行走设备。

  (b)电力式

  电力式能量回收是将可回收能量转化为电能储存到电力式储能元件中,待系统需要时再将电能转化为机械能对外做功。 由于电力式储能元件体积较小、储能密度较高和移动灵活的特点,适用于常规行走式液压的能量回收和再利用系统,但是由于电池和超级电容等电力储能元件及电动发动机成本较高,加上电力储能元件、发动机和电动机的多级能量转化效率较低,限制了该回收方案在大功率行走设备上的应用。近年来,随着超级电容技术的迅速发展,电力式储能元件的生产成本正在不断下降,已经在电动汽车领域得到了广泛的应用。

  (c)液压式

  液压式能量回收系统的优点是零件少,工作可靠性高、比功率较高、能够长期有效地储存能量。目前,液压式能量回收技术已经在混合动力汽车上得到了较好的应用。

  (6)流量再生技术

  流量再生是指当执行装置的运动方向与负载方向相同时,利用负载产生的压力将高压腔液压油输送到低压腔,使系统主泵输出流量最小或者为零,流量再生技术能够有效降低主泵输出功率,节约发动机的燃油消耗量。近年来,国内外部分上采用了动臂流量再生液压回路,其流量再生回路如图1.3所示。该液压回路在动臂液压缸无杆腔回油路安装节流装置,提高了系统回油压力,当动臂下降时,使得动臂液压缸无杆腔输出的液压油能够通过单向阀向动臂液压缸有杆腔补油,主泵仅向动臂液压缸有杆腔提供少量液压油。回路中节流装置的作用是防止动臂因重力作用迅速下降而使动臂液压缸有杆腔产生吸空。
液压小型挖掘机基于液压系统结构改进的节能研究
  目前很多国内外上已经成功的采用了动臂和斗杆流量再生回路,如JBC公司的JS45、Hitachi公司的ZAXIS-3系列、CAT公司的345D和Volvo公司的EC210B等。流量再生技术的应用大幅度提高了动臂和斗杆收回速度,降低了系统的能源消耗,且取得了较好的节能效果。


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