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液压挖掘机动臂自重液-气储能平衡方法研究

机械工程学报 2018年第20期54卷 197-205页

作者：夏连鹏权龙杨敬赵斌太原理工大学新型传感器与智能控制教育部和山西省重点实验室

液压挖掘机在作业中,动臂将高频次大范围举升和下降,现有挖掘机无能量回收装置,大量势能将在动臂下降时通过控制阀的节流作用浪费掉。为回收利用这部分浪费掉的能量,对动臂自重液-气储能平衡方法进行研究,在此基础上,提出采用三腔液压... 详细信息

液压挖掘机在作业中,动臂将高频次大范围举升和下降,现有挖掘机无能量回收装置,大量势能将在动臂下降时通过控制阀的节流作用浪费掉。为回收利用这部分浪费掉的能量,对动臂自重液-气储能平衡方法进行研究,在此基础上,提出采用三腔液压缸直接转换利用挖掘机重力势能的系统原理。三腔液压缸是在原两腔液压缸基础上,将双腔液压缸无杆腔分为两个容腔而构成,其中一个容腔与蓄能器连接,称为配重腔,设置蓄能器压力与动臂自重基本平衡。研究中,首先建立动臂驱动系统的能耗数学模型,分析系统的能量特性;然后以20 t挖掘机为例,建立整机的机电液联合仿真模型,分析对比分别采用双腔液压缸系统和三腔液压缸系统,动臂的运行特性和能耗特性;进一步构建试验测试平台,验证所提系统的可行性和节能效果。结果表明,新系统较双腔液压缸驱动系统,重力势能回收利用率达68%,节能效果显著,该方法也完全适用于各种类型的液压举升机构。

关键词：液压挖掘机液气储能平衡三腔液压缸势能回收节能机械臂

储能液压缸协同驱动重型机械臂系统研究与优化

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中国机械工程 2022年第11期33卷 1287-1293,1301页

作者：晋超权龙夏连鹏葛磊赵斌太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室太原030024 三一重机有限公司昆山215300

针对采用储能液压缸协同驱动重型机械臂升降来实现重力势能回收和利用的方法,研究了不同储能缸与驱动缸无杆腔面积比对系统节能效果的影响。分析了储能缸协同驱动回路控制动臂升降的工作原理,建立了系统的数学模型;以76 t液压挖掘机为例... 详细信息

针对采用储能液压缸协同驱动重型机械臂升降来实现重力势能回收和利用的方法,研究了不同储能缸与驱动缸无杆腔面积比对系统节能效果的影响。分析了储能缸协同驱动回路控制动臂升降的工作原理,建立了系统的数学模型;以76 t液压挖掘机为例,在Simulation X中构建了整机的多学科联合仿真模型,并通过试验验证了模型的准确性。依据此模型对液压挖掘机空载和带载工况下,储能缸与驱动缸无杆腔面积比对系统能耗特性的影响进行优化仿真研究。仿真结果表明:在相同的工作周期,优化后储能缸协同驱动系统的液压泵输出能量约为732.0 kJ,较改进前节省能量约253.8 kJ,节能率由27.2%提高至46%,实现了节能效果的提高。

关键词：重型机械臂液压挖掘机储能液压缸面积比势能回收

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有机朗肯循环方法回收液压系统余热试验研究

西安交通大学学报 2021年第12期55卷 9-15页

作者：谷正钊夏连鹏权龙李运华太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室太原030024 太原工业学院机械工程系太原030008 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191

针对液压系统传统油冷器冷却时能耗大、热能浪费严重的问题,提出基于有机朗肯循环的液压系统余热回收利用方案,改善系统综合能效。建立了液压系统余热回收试验平台,研究电负载、油液流量和工质流量等参数对系统运行和能量特性的影响规... 详细信息

针对液压系统传统油冷器冷却时能耗大、热能浪费严重的问题,提出基于有机朗肯循环的液压系统余热回收利用方案,改善系统综合能效。建立了液压系统余热回收试验平台,研究电负载、油液流量和工质流量等参数对系统运行和能量特性的影响规律。试验结果表明:在相同工况下,与同等规格油冷器相比,所提有机朗肯循环余热回收系统最大热效率提高到了2.56%;膨胀机压力比和系统热效率随电负载和油液流量增加而增加;随着工质流量增大,膨胀机入口工质过热度显著降低,而蒸发器换热量和膨胀机输出功率增大。在试验工况下,蒸发器最大换热量为4.18 kW,膨胀机最大输出功率为356 W。试验结果验证了液压系统余热回收系统的节能效果,得到了运行参数对系统性能的影响规律。

关键词：液压系统余热回收有机朗肯循环试验研究运行特性

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液电混合驱动液压挖掘机动臂特性及能效研究

机械工程学报 2018年第20期54卷 213-219页

作者：李泽鹏权龙葛磊夏连鹏郝云晓太原理工大学新型传感器与智能控制教育部和山西省重点实验室

液压挖掘机作业时,动臂频繁升降,举升过程中工作装置集聚的大容量重力势能,在下降时经控制阀转换为热能耗散掉,不仅造成非常大的能量损失,也使油液温度快速升高,需附加额外的冷却装置进行散热,油温的升高也常常引发液压系统故障。为此,... 详细信息

液压挖掘机作业时,动臂频繁升降,举升过程中工作装置集聚的大容量重力势能,在下降时经控制阀转换为热能耗散掉,不仅造成非常大的能量损失,也使油液温度快速升高,需附加额外的冷却装置进行散热,油温的升高也常常引发液压系统故障。为此,提出电动缸为主、液压缸-蓄能器组合为辅的液电混合动臂驱动解决方案。动臂下降时,工作装置的重力势能转化为液压能存储在蓄能器中;动臂举升时,存储在蓄能器的液压能驱动液压缸辅助电动缸驱动动臂,电动缸仅需驱动惯性载荷和物料重力。在研究中,建立了液电混合驱动动臂的试验样机,对其运行特性和能效特性进行了试验测试。结果表明,较无重力势能回收的进出口独立控制系统,相同工况下,液电混合驱动方式降低能耗达72.7%,显著提升了挖掘机动臂举升系统的能量效率。

关键词：液电混合驱动液压挖掘机电动缸节能

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液电混合直线驱动系统耦合特性及位置控制

机械工程学报 2021年第22期57卷 386-394页

作者：郝云晓乔舒斐夏连鹏权龙赵斌太原理工大学新型传感器与智能控制教育部和山西省重点实验室太原030024

液压系统与电-机械系统是广泛应用于航空航天、工业、非道路移动机械等领域的两种不同驱动方案。在实际中,两者通常单独使用,电-机械驱动方案能效高,但承载能力弱,液压驱动方案功率密度大、动态响应快,但能量效率低。为此,结合两个驱动... 详细信息

液压系统与电-机械系统是广泛应用于航空航天、工业、非道路移动机械等领域的两种不同驱动方案。在实际中,两者通常单独使用,电-机械驱动方案能效高,但承载能力弱,液压驱动方案功率密度大、动态响应快,但能量效率低。为此,结合两个驱动方案优点,集成设计电-机械执行器与液压缸,构建一种新型液电混合直线驱动系统,分析系统工作原理及两个非相似驱动子系统耦合特性、力纷争现象及其影响。在此基础上,提出一种电-机械驱动单元运动控制与液压驱动单元力控制的调控方案。研究结果表明,采用所提调控方案可减轻两个非相似驱动子系统耦合作用,在液压阀低压损的同时,可获得良好的位置控制特性。新型液电混合直线驱动系统将为液压系统和电-机械系统的进一步发展提供新思路。

关键词：电液控制系统电-机械执行器液电混合驱动位置控制

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液电混合直线驱动系统位置控制特性研究

农业机械学报 2020年第3期51卷 379-385页

作者：郝云晓夏连鹏葛磊王翔宇权龙太原理工大学新型传感器与智能控制教育部/山西省重点实验室太原030024

提出了一种采用电机械直线执行器和液压缸的液电混合直线驱动系统。为消除电机械直线执行器和液压缸之间的耦合影响,液压泵和比例阀协同控制液压缸输出力和运行方向,满足系统负载力需求,电机械直线执行器用于运动控制,并补偿液压缸输出... 详细信息

提出了一种采用电机械直线执行器和液压缸的液电混合直线驱动系统。为消除电机械直线执行器和液压缸之间的耦合影响,液压泵和比例阀协同控制液压缸输出力和运行方向,满足系统负载力需求,电机械直线执行器用于运动控制,并补偿液压缸输出力波动和外部干扰力。为实现上述目标,设计了基于扩张状态观测器的电机械直线执行器自适应滑模控制方法,以估计的负载力调节泵压力和比例阀开度,对液压缸输出力进行调控。比例阀在系统运行中主要用于控制液压缸运动方向,阀开度较大,可显著降低节流损失。通过仿真和试验分析了系统的运行特性和能效特性。结果表明,该系统具有良好的位置控制特性,能量效率高,较传统阀控系统能耗减少51%。

关键词：液电混合驱动电机械直线执行器液压系统扩张状态观测器

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闭式泵控液气储能重载举升机构特性研究

机械工程学报 2019年第16期55卷 213-219页

作者：郝云晓夏连鹏权龙赵斌程珩熊晓燕太原理工大学新型传感器与智能控制教育部和山西省重点实验室

采用变转速泵控缸闭式系统的重载举升机构,在超越负载工况下,若不采用制动电阻或能量回收装置,系统将由于电机不能支撑反向负载而失控。但制动电阻消耗电机的发电能量,降低系统能效,增加系统散热负担。针对上述问题,提出一种基于液气储... 详细信息

采用变转速泵控缸闭式系统的重载举升机构,在超越负载工况下,若不采用制动电阻或能量回收装置,系统将由于电机不能支撑反向负载而失控。但制动电阻消耗电机的发电能量,降低系统能效,增加系统散热负担。针对上述问题,提出一种基于液气储能的重载举升机构闭式泵控三腔液压缸系统,并将其应用于液压挖掘机动臂。液压泵与三腔液压缸的无杆腔和有杆腔连接,控制动臂运行;配重腔与蓄能器连接平衡挖掘机执行机构的重量,直接回收利用执行机构的势能。研究中,首先确定三腔液压缸和蓄能器的参数,然后设计系统的控制策略,最后构建闭式泵控三腔液压缸的挖掘机动臂试验系统,验证系统的可行性。试验结果表明,合理设置蓄能器的压力,不仅可以实现动臂势能的直接回收利用,而且可以使电机始终处于电动状态,提高系统的可控性和能量效率,与负载敏感控制的三腔液压缸系统相比,液压泵输出能量降低27.2%。

关键词：液压挖掘机液气储能平衡三腔液压缸闭式泵控系统能量回收利用

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液气复合驱动液压挖掘机动臂运行特性及能效

机械工程学报 2017年第20期53卷 176-183页

作者：夏连鹏权龙张晓刚熊晓燕王永进太原理工大学新型传感器与智能控制教育部和山西省重点实验室太原030024

液压挖掘机作业中,大质量动臂举升储存的势能经液压阀口节流转化为热能耗散,不仅浪费能源,还使液压油温度升高,需附加冷却系统降温,增加了机器的成本和复杂性。为解决上述问题,在原有负载敏感驱动回路的基础上,提出基于三腔液压缸的工... 详细信息

液压挖掘机作业中,大质量动臂举升储存的势能经液压阀口节流转化为热能耗散,不仅浪费能源,还使液压油温度升高,需附加冷却系统降温,增加了机器的成本和复杂性。为解决上述问题,在原有负载敏感驱动回路的基础上,提出基于三腔液压缸的工作装置自重液气平衡势能回收利用方法,三腔液压缸中一个油腔与液压蓄能器直接连通,存储利用工作装置的势能。研究中,首先根据前期的仿真结果,建立了基于三腔液压缸的液压挖掘机测试样机,通过试验,分析对比了分别采用两腔液压缸和三腔液压缸驱动动臂的运行特性与能效特性,测试结果表明,增加液气储能容腔后,提高了系统运行的平稳性,动臂运行过程中的能耗降低48.5%,峰值功率降低64.7%,节能效果显著。新的方法也同样适用于各类液压缸驱动的重载举升装置。

关键词：三腔液压缸液气储能势能回收

机电液混合驱动直线执行器构型设计与性能测试

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机械工程学报 2022年第5期58卷 212-222页

作者：乔舒斐郝云晓权龙葛磊夏连鹏太原理工大学新型传感器与智能控制教育部和山西省重点实验室太原030024

针对阀控液压缸节流损失大,电机械执行器带载能力弱的问题,通过液压缸活塞与电机械执行器螺母刚性连接的方式,将两类执行器集成为新型的机电液混合驱动直线执行器,主要由电机械驱动机构和液压驱动机构组成。电机械驱动机构用于执行器运... 详细信息

针对阀控液压缸节流损失大,电机械执行器带载能力弱的问题,通过液压缸活塞与电机械执行器螺母刚性连接的方式,将两类执行器集成为新型的机电液混合驱动直线执行器,主要由电机械驱动机构和液压驱动机构组成。电机械驱动机构用于执行器运动控制,液压驱动机构具有功率放大功能,用于提高执行器带载能力。研究中,活塞杆设计为中空结构用于长行程丝杠的安装,活塞上增设有通油孔用于油液的快速流通。通过密封设计,将活塞两侧设计为可充高压油液的容腔,采用ANSYS Workbench有限元软件对新型执行器零部件进行强度校核。最后,制造执行器试验样机并构建性能测试平台,测试结果表明,设计的机电液混合驱动直线执行器密封效果良好,运动过程中启制动平稳,具有良好的速度与位置控制特性;执行器液压驱动机构增力效果显著,且节流损失较小。所提机电液混合驱动直线执行器融合了液压驱动和电机械驱动的优点,为实现高能效高功率密度直线驱动提供了一种新的思路。

关键词：机电液混合驱动直线执行器电机械执行器液压缸集成结构设计