液压起重机能量回收系统.doc

课程名称：专 业 英 语

学 院：机 械 工 程
专 业：机械电子工 程
班 级：机 研 1006
学 号：2010020893
学生姓名： 訾建平
指导老师： 何 锋

2011年6月28日

液压起重机的能量回收系统

摘要：这篇文章介绍了一种液压起重机的能量回收系统。用蓄能器的辅助系统来使实例起重机与电动液的负载传感(ELS)系统相结合，并对实际系统进行了测试。本文对能量传递的流体静力学分析是基于实验的过程和假定的典型的工作周期。实验和理论结果表明,辅助系统与起重机ELS系统的结合应用，可以回收和重新利用能量、节约泵的能量供应、改进起重机系统的能量利用率。实例起重机的成功设计和测试，将会为其他的起重机械提供不同的商业应用。

关键词：能量回收，液压起重机，负载传感系统，蓄能器

符号
能量储蓄 能量损失
能量供应 缸的负载力
关节/气缸/阀门数目 关节/气缸数目
吊起负载的质量 指数
缸内的压力 气压
充气压力 供应压力
阀门电力 整机功率
功率供应 时间
循环周期 控制信号
气体体积 缸的位置
1. 介绍
提高液压机械的效率对于企业和设计师来说，是一个重要的课题。随着液压驱动机械（特别是大功率的液压机械）的广泛应用，由于能量的消耗和环境立法的实施等原因，现在他们更多地对采取措施来节约能源方面进行了研究。因此，许多改进的技术，如负载传感系统，被用于不同的液压系统中。所有这些方法都能节约液压泵的功率，降低液压能量的消耗，也能带来很好的经济利益。
液压起重机是典型的多自由度(两平移两转动多自由度)机械臂。它们的基本功能是通过液压驱动来移动或吊起一个大质量的负载。多年来,人们更多注重研究如何使液压能量的供应达到最小化和提高效率。但是，很少考虑到液压起重机的能量回收和再生本文作者向我们陈述了即使液压挖掘机应用了负载传感系统，它的能量利用率依然不高。但是，他们预测人们对液压起重机的能量回收会感兴趣，对它的研究将会更有价值。
能量的回收和再生不是一个新课题。不同种类能量的回收所带来的理论和实际利益已被关注。特别是最近成功地将能量存储和再生系统用在了公交车上。一些专利也已用于城市公交车上。但是他们只关注了车辆动能的回收和释放。本文提出了能量的回收和利用的驱动概念，回收的能量主要来自于大负载中的势能，而不是动能。
2. 能量回收原理
图1所示是液压起重机的能量回收和再利用的基本原理。a图和图b分别是主液压回路图和辅助液压回路图，辅助系统包括两个辅助缸和一个蓄能器等。主系统是带有可变容积泵的ELS系统。

图1 主系统和辅助系统
工作原理如下：
1. 在第一个排气冲程中，主缸驱动两个辅助缸，液压油从油箱经过单向阀到达储油器。
2. 在接下来的吸气冲程中，液压油从储油器进入蓄能器。
3. 在第二个排气冲程中，液压泵提供足够的液压能来驱动主缸，蓄能器将释放储存的能量来驱动辅助缸。主缸和两个辅助的缸分担负载力。
3. 实例起重机的试验
驱动图2中实例起重机的关节1使用了上述的能量存储理论，主缸是缸1。
3.1 实例起重机

图2 实例液压起重机

图2的实例起重机是罗高力装卸设备，它有四个主要的自由度：旋转，上升，移动，下降。起重机系统是一个基于单片机（68HC11，8位）的稳定的ELS系统，它的整个构造如图1（a）所示，四个液压机能共用一个泵。测试中选用ELS系统来达到良好的动作，得到快速稳定的响应。通常传统的LS系统的动力和可控性不能满足要求。
3.2 实验环境
测试的环境包括以下几个方面：
1. 如图1（a）所示，主要的系统，一个ELS起重机系统用于驱动关节1。在实际的测试中，其他的关节没有动，缸2和折叠臂是完全缩回的。
2. 辅助系统是一个带有囊状蓄能器、溢流阀、止回阀和防空阀等的双缸系统，双缸的结构是基于简单地安装和连接。
3. 充气压力有两种情况，0或者7.5,经过溢流阀时没有泄露。
4. 给LS阀一个步进信号来完成上升和下降的动作。
5. 控制为手动操作。
3.3 结果
没有辅助系统的起重机系统的测量结果如图3和5所示，当 =0时，辅助系统除了增加摩擦力外，对关节1的动作没有明显的作用。因此我们有理由把 =0时的系统作为起重机的原始系统。图4和6显示了在 =7.5时测量参数的实际变化，与原始的主要系统比较，当执行上升的动作时，泵的压力大大地降低。如图3（f）、4（f）、5（f）、
6（f）所示。由于辅助系统能量的回收和释放，主缸的压力降低，如图3（d）、4（d）、5（d）、6（d）所示。此外，它的动态性能和原始系统一样好。因此，在液压起重机上利用驱动概念存储能量和改进能量利用率是合理可行的。

图3 的测量值 图4 的测量值

图5 的测量值 图6 的测量值
4. 理论评估
测量结果显示参数的实际变化过程，以下对能量转移进行了细致的分析：
（a） 测量过程中一个关节的运动；
（b） 一个设定循环周期的多关节运动。
所有的计算过程没有考虑影响起重机系统能量利用率的其他因素，如泄露、摩擦、管道和软管的损失等。
4.1 数学定义
这里有必要引入一些定义来描述起重机系统的动力和能量传输，阀的动力和能量损失可由以下公式计算：
（1）

（2）
泵的供应能量是
（3）
当辅助缸是吸气冲程时，蓄能器存储液压能；当是排气冲程时释放液压能。蓄能器的能量存储如下：
（4）
4.2 测量过程的流体静力学分析
实际测试的是一个关节的动作，它的能量传输的静力学分析如表1所示，流体静力学模型的参数与测量值一致。为了方便与评估结果比较，我们假定了相同的动作。
表1 实验过程的能量传输

当辅助系统不工作，当蓄能器释放能量完成上升动作，储存能量完成下降的动作。
无论还是泵的供应能量在下降动作时没有发生改变，减少了节流损失。因此，根据能量守恒原理，蓄能器回收的能量主要源于大负载的势能。
4.3 一个典型工作周期的评估
为了简化测量过程，上述的测试是基于一个关节的操作和控制。结果得到了支持。下面的评估分析了一个典型工作周期的多关节驱动的节能效果。
4.3.1 一个工作周期
图7显示了起重机末端工作空间的一个假定工作周期。无生产负荷的支臂工作路径是从点C到点B再到点A。在点A起重机承受了500kg的负载。然后支臂又继续携带500kg的负载沿着与原来相反的方向，从A点运动到B点再到C点，在C点卸载。整个的周期T大约11秒。

图7 垂直平面的工作空间和假定的工作周期ABC
周期设置后，缸1选择上升和下降的动作来确保蓄能器能量的回收和释放。这里只讨论了两个自由度。假定整个周期关节1和2同时运动，折叠臂不运动。
4.3.2 缸的负载特性
图8描述了假定工作周期的缸的位置和负载力，缸1和缸2以恒定的速度运动。

图8 缸的位置和受力
——没有辅助系统的关节1
-○-有辅助系统的关节1
当辅助系统没有加在关节1上时， 和 差别很大，它们在不同的工作路径上相互阻碍并互相超越。当辅助系统工作在在路径B到A,A到B和B到C上，急剧的减小，在上述两种情况下未发生改变。
4.3.2 能量评估
一个工作周期的能量传输的比较如表2所示：
1. 从C到B。这是一个预设的步骤，缸1在排气冲程，辅助缸里充满液压油。
2. 从B到A。蓄能器存储和回收能量，泵的压力取决于缸2的负载力。因此泵的供应能量未发生改变，回收能量 主要来源于 ，直接来源是大负载的机械连接与提起物体所做的功，更确切地说是势能。在表2中不难发现它们的能量守恒关系。
3. 从A到B。蓄能器释放它储存的能量，辅助缸和主缸分担关节1的负载力。泵的压力取决于缸1的负载力。因此，降低了。
4. 从B到C。类似于路径从B到A。
5. 以下的循环中，蓄能器沿着路径从C到B释放能量。
表2 一个典型工作周期的能量传输

5.讨论
5.1 蓄能器
蓄能器对辅助系统来说很重要，它的选择应考虑到经济性，重量轻，便于安装和可控性好。本实验中用了囊状蓄能器。
充气压力的设置是关键的因素，对压力的回收和再利用有直接的作用。它的合理设置可获得所需的结果。此外，使用可控性好的比例控制蓄能器有利于作进一步地研究。
5.2 模型的简化
引入了一个简单的过程，气体体积遵循绝热膨胀的等温压缩，根据理想气体定律：

上述的不能精确描述压缩和膨胀的过程，这里，理论的评估是基于测量的指数n值的模型评估。因此，可能对于节能理论的评估没有什么作用。所有的能量计算是流体静力学分析，没有考虑动力，动能和摩擦、泄露等。
5.3 能量存储和释放的必要条件
节能概念的应用需要在一个周期内建立主缸的伸出和缩回动作，使蓄能器有一个充气放气的交替过程。用这种方法蓄能器能够回收能量和释放能量到系统中。
固定载荷和相等的工作周期利于效率的改进，选择的蓄能器参数能够在一些特殊周期内优化。当该辅助驱动系统用于长距离的重型起重机时，能获得能力再生的满意结果。
5.4 对比
如图1所示，起重机系统是一个带变量泵的ELS系统，到目前为止，这是一个高效的驱动概念，因为泵的压力和流量与负载的动作相匹配。但是当起重机系统的很多的液压缸同时动作时，它不能达到能量利用的理想结果。
根据假定周期的负载特性，缸1和缸2的负载力有很大的不同，如在轨迹A到B上，在关节2处有很大的力和能量的损失。直到将辅助系统加在关节1处，和 大大降低，因为辅助缸和缸1同时分担负载力。功率的损耗和液压能的消耗大大降低。它也是有利于改进起重机系统的可靠性和寿命。
6. 结论
1. 利用辅助系统和起重机ELS系统来回收和利用能量是合理可行的，它能实现能量的回收和利用。
2. 在相同工作条件下，它能使泵的能量供应大大减少，同时也是系统的工作损失大大减少。因此，液压起重机的能量利用率得到了改进。
3. 液压起重机的能量损失有两个来源：液压能和大负载的机械连接与吊起物体的势能。
4. 液压起重机的成功实验可用于其它的起重机械中。
5. 蓄能器参数的选择和设置是辅助系统的重要因素。进一步的工作是，尽可能地寻求一个适于较宽范围的提高能量利用率的措施。
6. 对比节能效果、成本、重量，安装性和可控性，能量回收系统需要仔细考虑再投资。

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