基于蓄能器和蓄电池的电动叉车势能回收研究.pdf

第期(总第 期)年月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o A u g 文章编号:()基于蓄能器和蓄电池的电动叉车势能回收研究郭志敏(中国宝武太钢集团 热连轧厂,山西太原 )摘要:针对电动叉车的液压系统,采用蓄能器配合蓄电池进行能量回收,并在叉车工作时为其提供能量,以实现能量的回收和再利用.对电动叉车整个节能系统进行分析,对能量回收系统中蓄能器的参数进行选择.利用AME S i m软件对货叉下降过程中势能回收进行了仿真分析,分析结果表明:利用蓄能器储能节能效果明显,可减少电动叉车的充电次数,实现绿色运行.关键词:电动叉车;蓄能器;能量回收;蓄电池中图分类号:U 文献标识码:A收稿日期:;修订日期:作者简介:郭志敏(),男,山西太原人,工程师,本科,从事起重运输机械管理工作.引言随着物流运输行业的不断壮大,电动叉车需求量不断上升,目前叉车已经被广泛应用于车站、码头、仓库等场所,不仅降低了工人的劳动强度,而且提高了工厂的效率.伴随着现代新型绿色环保低碳发展模式的提出,对电动叉车节能技术的研究显得越来越重要.电动叉车的能量损失主要在于其货叉频繁升降时产生的重力势能被液压系统消耗,给液压系统的寿命带来负面影响.由叉车的工作特点所决定,当货叉下降时会释放大量的重力势能,对于频繁工作的叉车来说,对其进行能量回收研究具有重要意义.不少研究者通过对电动叉车势能回收系统的研究,提 出 了 对 应 的 节 能 措 施.年,M i n a v T等通过实验测试了势能回收的可行性,分析了不同因素对势能回收效果的影响.年,陈步童对叉车液压系统中各液压元件匹配的问题进行了分析,合理选择液压源、液压泵负载、发动机液压泵、阀泵,并对其进行了更好的匹配,从而达到了液压系统节能的目的.年,M i n a vT等研究了不同电机和储能元件对回收效率的影响,分析了不同下降速度对势能回收效率的影响.年,李灵芝等分析了叉车液压系统的工作特点,对可运用于叉车上的节能技术进行了分析,包括负载敏感技术、二次调节静液压传动技术、蓄能器能量回收技术等,并对叉车节能技术的发展提出了思考与展望.年,王一新等提出采用比例溢流阀代替普通溢流阀,应用于叉车泵阀联合调速系统中,降低了叉车能耗,起到了一定的节能效果.综上所述,现有研究绝大多数采用各种能量回收技术对能量进行回收和重新利用,其能量传递过程较复杂,尤其能量转换环节相对于液压方式更复杂,总体效率有限,能量利用效率不高.为此,本文将蓄能器节能技术与蓄电池节能技术相结合,将蓄能器引入液压系统中,提出一种配置蓄能器的蓄电池叉车液压节能系统,并且通过AME S i m仿真,对电动叉车蓄能器和蓄电池节能系统进行能量回收研究,并对节能效果进行评价,为后续电动叉车势能回收研究提供参考.节能系统原理能量回收方式可分为机械能量回收方式、电能量回收方式和液压能量回收方式等几种形式.其中液压能量回收方式应用最为广泛,其可较长时间储能,各部件技术成熟,工作可靠.蓄能器在液压系统中是一种液压能储存装置,其主要用途为:蓄积压力能,以备需要时投入系统中使用;可吸收压力冲击或减轻油路中的压力波动.目前液压节能系统中能量回收普遍采用液压蓄能器方法,由于蓄能器和电容器相比具有更大功率密度,在能量转化过程中产生的能量损失主要取决于温度变化过程,当温度趋于稳定时,其损失为零,因此液压蓄能器的能量损失是较小的.液压蓄能器储能原理与弹簧储能相类似,其储能的多少及能量的释放与其内部的压力有关.在能量回收过程中,液压回路中的高压液体流入蓄能器中,压缩蓄能器中的压力装置,将能量以压力的形式储存起来.在能量释放过程中,通过蓄能器中的高压将油液压出蓄能器,推动负载运动.在能量回收利用过程中,液压蓄能器中的压力会随着所存储的能量多少而发生变化,即储能时压力逐渐增大,释放时压力逐渐减小.在储能过程中,当液压回路中的压力大于蓄能器中的压力时,液压油流入蓄能器进行存储,反之则无法继续回收能量.能量释放过程中,当蓄能器中的压力小于等于回路中的压力时,蓄能器的能量无法释放.本文设计的液压系统的势能回收原理如图所示.其中加入的蓄能器 作为储能装置,配合蓄电池为电动叉车工作提供能量.卸货作业时,货物 依靠自重下降,如举升液压缸无杆腔压力较蓄能器的压力高一定值时,压差式发讯器 接通,举升液压缸 中的压力油会充入蓄能器 储存,如果回路中压力小于蓄能器 内部压力,将无法继续回收能量,这时压差式发讯器 会关闭,多余的液压油会进入液压马达,然后带动发电机给蓄电池充电;举升作业时,电动机带动液压泵开始工作,同时换向阀接通蓄能器 与液压泵的入口油路,蓄能器 的压力油通入液压泵与电动机共同作功,换向阀左位接通液压缸对货物 进行举升.整个过程中,通过蓄能器 回收电动叉车在高位货物下降产生的重力势能,并在耗能作业时实现再利用,释放蓄存的能量以减小电动机的输入功率,从而达到节能的目的.油箱;吸油过滤器;液压泵;电动机;液压马达;发电机;蓄电池;,换向阀;蓄能器;压差式发讯器;举升缸和重物图液压系统的势能回收原理图理论计算 动力源计算蓄能器功率密度大,回收能量速度快.皮囊式液压蓄能器内的气体为惰性气体氮气,通常认为其性质与理想气体相近.根据波义耳定律,有如下的关系:pVnp VnpfVf()ppfpp(VnfVn)()其中:p、V分别为蓄能器初始压力与容积;p、V分别为蓄能器预充后的压力与气体体积;pf、Vf分别为蓄能器存储液压能后的压力与气体体积;p为蓄能器存储液压能后与预充后的压力差;n为气体指数,由于充液时间短,蓄能器充液过程可以看作绝热过程,取n.当蓄能器压力从p变化到pf,气体体积从V变化为Vf,该液压蓄能器内液压能量为:EVfVpdVVfVpV V dVpV(VVf)()蓄能器释放能量的功率P为:PEt()其中:t为蓄能器释放能量的时间.蓄能器参数的确定当电动机正向旋转时,液压泵在电动机和液压蓄能器的共同作用下工作,蓄能器压力与液压泵输出压力一致,此时就不需要电动机输出功率驱动.假设举升额定载荷稳定时,液压缸无杆腔压力约为 M P a,由此初步确定蓄能器工作压力为 MP a,这样可以尽可能地减少电动机的输出功率.设液压缸行程为 m,一次完整的举升中单个液压缸无杆腔体积变化为 L,两个液压缸无杆腔体积变化约为 L.通过实际分析,需要保证蓄能器总体积最小,单位容积储存能量最大,蓄能器预充压力计算公式为:p pf()p pf()按pf MP a计算,将相关参数代入式()、式()计算得p MP a,p MP a.蓄能器在绝热工作过程中总容积V由下式确定:VVVfV(pp)/(ppf)/()即V V(pp)/(ppf)/()其中:V为蓄能器有效容积.将相关数据代入式()计算得蓄能器总容积为 L.AME S i m中系统模型建立及参数设置根据上述蓄能器液压系统节能原理,为验证蓄能器 和 蓄 电 池 势 能 回 收 系 统 的 能 量 回 收 效 率,在AME S i m仿真软件中建立电动叉车液压系统的仿真模型,如图所示,电动叉车液压系统仿真参数如表所示.仿真分析 仿真结果因本文只研究起升系统的节能效果,所以对倾斜油路、转向油路忽略.以某型号电动叉车为例,设置电动叉车举升t的重物,先对蓄能器进行能量存储,当蓄能器无法继续存储能量时,剩余的液压能通过液压马达发电机对蓄电池进行充电.仿真实验中,电动叉车模拟满载升降工况.图为举升液压缸位移曲线,在s s内,电动叉车将机 械 工 程 与 自 动 化 年第期进行次起升,每次液压缸位移最大为 m.当第一次电动叉车处于举升阶段时,液压系统处于耗能状态,当液压缸第一次下降时,无杆腔内的液压油在重物重力势能作用下通过换向阀进入液压蓄能器,此时蓄能器作为储能装置,当蓄能器达到饱和状态后,关闭蓄能器通道,使液压油通过液压马达带动发电机工作,为蓄电池补充电能.在第二次开始举升时,首先通过释放蓄能器中的能量,为叉车门架系统提供所需能量,到蓄能器无法继续释放能量时,再通过蓄电池为其提供能量.随后完成第三次举升,整个仿真结束.仿真试验中蓄能器压力变化情况如图所示.图电动叉车液压系统能量回收仿真模型表电动叉车液压系统仿真参数叉车额定载重(t)满载额定提升速度(m/s)空载额定提升速度(m/s)液压缸活塞直径(mm)活塞杆直径(mm)液压缸行程(m)电动机额定功率(k W)电动机额定转速(r/m i n)图举升液压缸位移曲线 能量回收效果的评价本势能回收系统通过增加蓄能器作为储能装置,提高了能量的利用率,在重物下降阶段,蓄能器负责储能,在重物上升阶段,蓄能器可立即为门架系统提供所需能量,避免蓄电池长期处于工作状态,不仅延长了蓄电池的寿命,同时也延长了电动叉车工作时间,具有较高的工程应用价值.图蓄能器压力变化情况结论本研究将蓄能器节能技术与蓄电池叉车相结合,利用蓄能器减少能量转换所导致的能量损失,通过利用软件AME S i m建立仿真模型,进行了次举升实验.仿真结果表明:与普通电动叉车相比,利用蓄能器储能节能效果明显,减少了蓄电池电动叉车的充电次数,延长了电动叉车工作时间,能量利用率得到了提高.参考文献:朱建新,张秋阳,陈丽伟电动叉车势能回收液压系统的效率分析与仿真研究J现代制造工程,():隆彩云叉车动力制动系统中囊式蓄能器的选择J工程机械与维修,():M i n a vT,I mm o n e n P,L a u r i l a L,e ta l E l e c t r i ce n e r g yr e c o v e r ys y s t e mf o rah y d r a u l i cf o r k l i f t T h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l e v a l u a t i o nJI e tE l e c t r i cP o w e rA p p l i c a t i o n s,():陈步童叉车液压系统能耗分析及节能控制技术研究J中国农机化学报,():M i n a vT,L a u r i l aLIE,P y r h o n e nJ J A n a l y s i so f e l e c t o r h y d r a u l i c l i f t i n gs y s t e m se n e r g ye f f i c i e n c yw i t hd i r e c t r i cd r i v ep u m p c o n t r o lJA u t o m a t i o ni n C o n s t r u c t i o n,:李灵芝,柯坚,杨志军,等液压节能技术在电动叉车行业的应用研究J机械制造,():王一新,柯坚,杨志军,等电动叉车泵阀联合调速系统优化J起重运输机械,():唐中勇,张大庆,汤雄,等蓄能器在叉车节能技术中的应用J工程机械,():李云霞,王增才电动叉车液压起升节能系统中液压蓄能器的选择计算J流体传动与控制,():郝前华,何清华,朱俊霖,等配置蓄能器的电动叉车液压起升系统能耗试验研究J山东 大学 学 报(工 学版),():钱宇,王海波,蒋毅电动叉车举升系统的能量回收研究J机床与液压,():(英文摘要转第 页)年第期 郭志敏:基于蓄能器和蓄电池的电动叉车势能回收研究缩,使、向左偏转,最后、伸长恢复预备状态,其运动步态如图所示.由于该机器人设计时采用了对称结构,因此其后退及右转的运动过程与前进及左转的运动过程原理相同,在此不再赘述.图左转步态试验验证通过试制样机对该机器人的运动性能进行测试.图为该并联式蠕虫机器人在前进过程中某一位置时的姿态.图 为该机器人左转时的位姿图.试验结果表明:该机器人可顺利完成前进、后退及转弯等运动;并且可以搭载感应拓展模块以应对错综复杂的工作环境,具有良好的灵活性和环境适应性;能够实现人机环境的交互,可以达到预期的目的.图前进位姿图图 左转位姿图结论为了有效实施灾后救援,降低灾后伤亡率,以自然界中蠕虫的运动为灵感,设计了一种并联式蠕虫机器人,并进行了试验验证.通过机械结构和控制系统的设计,利用局部电推杆的伸缩运动实现对蠕虫动作的模仿.通过建立三维模型及进行试验验证,结果表明:该机器人可以顺利实现前进、后退及转弯等运动;并可根据需要通过搭载感应拓展模块来应对错综复杂的工作环境,具有良好的灵活性和环境适应性;能够实现人机环境的交互,具备一定的实用价值.参考文献:厉登敏,朱永远,张伟灾后救援仿生机器人设计J数字技术与应用,():,全瑞琴,刘岩,徐媛媛,等基于机器视觉的救援机器人的设计与研究J工业仪表与自动化装置,():,张新,徐建华,陈彤,等面向重大自然灾害的救援装备研究现状及发展趋势J科学技术与工程,():高广聚野外救援机器人的结构设计及运动规划D秦皇岛:燕山大学,:栾宪超,常健,王聪,等主动关节履带式蛇形救援机器人结构参数多目标优化设计J机器人,():武慧挺,周海晶,董仕涛煤矿救援机器人嵌入式实时操作系统设计和分析J煤炭技术,():于文妍,徐康,许县忠,等新型核电站救援维护机器人运动学分析J机械工程与自动化,():刘红军,王菁,王淏,等基于改进并联机构的钻孔末端执行器特性分析J工具技术,():盛连超,李威,王禹桥,等柔性平面 R R R并联机器人耦合动力学及模态特性研究J振动与冲击,():刘辛军,谢福贵,汪劲松当前中国机构学面临的 机 遇J机械工程学报,():S t r u c t u r eD e s i g na n dI m p l e m e n t a t i o no fP a r a l l e lW o r mR o b o tZ H A N GB o,X UY u x i n,Y A N GH a i j i a n g,G U OZ e a n,Z H A N GY i j i e,S U NJ i n g(D e p a r t m e n to fM e c h a n o t r o n i c sa n dV e h i c l eE n g i n e e r i n g,T a i y u a nU n i v e r s i t y,T a i y u a n ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t oe f f e c t i v e l y i m p l e m e n t r e s c u ea n dr e d u c e t h ec a s u a l t yr a t e i ne a r t h q u a k e,t y p h o o na n do t h e rn a t u r a l d i s a s t e r s,ap a r a l l e lw o r mr o b o t f o re a r t h q u a k er e l i e fw a sd e s i g n e d T h er o b o ta d o p t st h ed e s i g nm e t h o do fp a r a l l e lm e c h a n i s ma n di m i t a t e st h em o v e m e n to fw o r mt h r o u g ht h e t e l e s c o p i cm o v e m e n t o f e l e c t r i cp u s hr o d s T h e Dm o d e l o f t h e r o b o tw a sb u i l t b yS o l i d W o r k s,a n dt h ee x p e r i m e n tw a sd o n e T h e r e s u l t ss h o wt h a t t h e r o b o t c a nm o v e f o r w a r d,m o v eb a c k w a r d,a n dt u r ns m o o t h l y I t c a nc o p ew i t ht h ec o m p l e x w o r k i n ge n v i r o n m e n tb yc a r r y i n gt h ei n d u c t i o ne x p a n s i o n m o d u l e,w h i c hh a sg o o df l e x i b i l i t ya n de n v i r o n m e n t a la d a p t a b i l i t y I t c a nr e a l i z eh u m a n m a c h i n e e n v i r o n m e n t i n t e r a c t i o n,w h i c hc a na c h i e v e t h ee x p e c t e dp u r p o s ea n dh a s c e r t a i np r a c t i c a lv a l u e K e y w o r d s:p a r a l l e lw o r mr o b o t;c o n t r o l s y s t e m;m e c h a n i c a l s t r u c t u r e(上接第 页)R e s e a r c ho nP o t e n t i a lE n e r g yR e c o v e r yo fE l e c t r i cF o r k l i f tB a s e do nA c c u m u l a t o ra n dB a t t e r yG U OZ h i m i n(H o tR o l l i n gM i l l,T a i y u a nI r o n&S t e e l(G r o u p)C o,L t d,C h i n aB a o w uS t e e lG r o u pC o r p o r a t i o nL i m i t e d,T a i y u a n ,C h i n a)A b s t r a c t:F o r t h eh y d r a u l i cs y s t e mo f t h ee l e c t r i c f o r k l i f t,t h 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