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  液压挖掘机液压系统节能技术国内外研究现状


  2008 年 6 月,日本小松公司推出了世界首台 20 吨并联式混合动力挖掘机。随后,日立的建机、凯斯和韩国的斗山重工等国外企业也推出了自己的混合动力挖掘机。


  2009 年三一重工推出了国内首台混合动力挖掘机,其型号为 SY215C。但是,由于电力式能量回收技术存在转化环节过多,变频器整流环的效率约为 90%左右、储能原件充放电效率为 79%~97%和电池效率随使用寿命降低等原因,导致该技术的效率非常低,有待进一步研究。


  近几年,企业、高校和研究所对采用液压蓄能器回收挖掘机负负载工况能量损耗的节能技术研究颇多。Hitachi 设计的 ZAXIS-3 系列挖掘机采用先进的斗杆和动臂提速、再生系统。此系统在动臂和斗杆多路阀阀芯内分别增加了一条带单向阀的油路,使无杆腔与有杆腔相相连。
液压挖掘机液压系统节能技术国内外研究现状

  当动臂下降或斗杆回收时,流量再生多路阀动作,油缸活塞下移,无杆腔液压油一部分经多路阀回油节流口流回油箱,另一部分经多路阀内单向阀和主泵液压油一起流入无杆腔流,从而了减少从系统流入油缸有杆腔的液压油。此系统在动臂下降或斗杆回收时,提高动臂或斗杆的动作速度,减少了它们的油耗,使动臂或斗杆动作平均油耗降到了 10%左右,动作速度增加了 15%左右。


  针对挖掘机动臂下放时释放出大量的能量,卡特彼勒的 Lars  Bruun 设计出了一种用于 50 吨级液压挖掘机上的液压式能量回收系统,与传统液压挖掘机相比,该系统动臂上升过程的平均油耗降低了 37%,被认为是近十年来最成功的动臂节能系统之一;Paeker Hannifin 公司蓄能器部门的 Edwin Godin 和 Mike Schubert 提出了通过高压回油驱动马达带动辅助泵为蓄能器充液以回收能量的方案。


  芬兰的坦佩雷理工大学提出了用于液压挖掘机动臂油路的油缸-蓄能器平衡节能系统。

液压挖掘机液压系统节能技术国内外研究现状
  与此方案类似的还有西南交通大学的张树忠、邓斌等人提出了一种基于液压变压器的挖掘机动臂势能回收系统,该系统所设计的动臂流量再生回路,使动臂工作时所需流量仅为原动臂系统流量的 21.35%,降低了主泵的供油量,使液压挖掘机整机节能效果得到了进一步提升。


  他们都是采用蓄能器作为储能元件,变量泵马达作为能量回收元件的方法设计液压节能装置。 这种液压式节能装置,当动臂下降时,其重力势能和动能转化成的液压能,通过变量泵马达调压后存储到蓄能器中;当动臂上升时,蓄能器中的液压能再通过变量泵马达调压和主泵的液压油一起流向动臂油缸无杆腔。虽然其回收效率比电力式节能装置略高,但其对液压能转化的环节也较多,蓄哈尔滨工业大学的姜继海、于斌等人针对液压挖掘机在回转制动时浪费的能量提出了一种采用液压式蓄能器为蓄能原件的液压挖掘机回转能量回收系统。


  该液压系统利用变量泵马达作为回转执行元件,通过调节变量泵马达的斜盘摆角,实现其泵和马达工况的切换、回转速度控制和能量回收。 当挖掘机回转平台启动时,变量泵马达工作于马达工况,驱动车体转动;当上部回转平台制动时,在惯性负载作用下变量泵马达工作在泵工况,将回转的动能转化成液压能存储在液压式蓄能器中,实现回转制动能的能量回收;浙江大学提出了一种与其类似的节能方案,其以液压蓄能器为储能元件,采用全液压自


  动控制回转制动能量回收的系统,在以回转作为单独执行机构时,系统节能效率能够达到 16%以上。


  综上所述,目前为液压挖掘机设计的节能装置存在以下缺点和不足:

液压挖掘机液压系统节能技术国内外研究现状
  (1)仅能回收某一工况单个负载的能量,如动臂下降物料的重力势能、回转机构的动能。然而液压挖掘机在正常作业时,其工况包括:挖掘、满斗回转、卸载、空斗回转等,负载包括动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸、回转马达等,存在两个及其以上负载同时动作的工况,同一主泵提供油液的负载之间存在较大的压差,现研究方案没有考虑到这种压差产生的能量损失的回收。


  (2)回收的能量先存在蓄能器,再通过液压能-机械能-液压能的转换使用,转换环节多、效率低。


  (3)大部分节能装置的能量回收方案采用回收某一个负载的能量还用于这个负载,导致回收能量的利用不灵活。


  因此目前大部分液压挖掘机的节能装置还不能较好地解决液压挖掘机效率低下、发热量大的问题,需要进一步研究多负载复合动作下压差能量、动臂下降的势能和回转机构的动能的综合回收方案,尽量把回收的能量汇入主液压回路直接利用,减少能量转换环节,提高能量利用效率。
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