基于滑动副和气体蓄能的挖掘机动臂节能装置及工作方法与流程

本发明涉及一种基于滑动副和气体蓄能的挖掘机动臂节能装置及工作方法，尤其适用于液压工程中使用，属于液压传动与控制领域。

背景技术：

液压挖掘机作为一种重要的工程机械，具有开采能力强、环境适应性好等优点，已被广泛应用在工业生产、交通运输、矿山开采、基础设施建设等许多领域。

随着国家对工程机械排放标准的日趋严格，液压挖掘机能量利用效率低的缺点引起了广泛关注。传统的液压挖掘机发动机输出的功率只有大约20％转化成了有用功，其中损失在液压系统上的就达到53％。以液压挖掘机的动臂为例，由于工作装置质量大，下放过程中需要释放出大量的势能，该能量消耗在液压阀节流口并转换为热能，造成了能量的浪费和油液发热，降低了液压元件的寿命。

在液压挖掘机的动臂、斗杆、铲斗和回转4个主要动作中均有类似的能量浪费问题，且以动臂所占的比重最大，约为51％。因此对挖掘机进行动臂下降势能回收再利用研究，是提高挖掘机效率的重要一步，同时，对节能减排、保护环境也具有着重要意义。

对于挖掘机动臂势能的回收，一般采用液压式和电气式回收，但这些现有的方法对原系统改动大，需要额外添加液压元件和电动控制系统，过程较为复杂，操作性不高，且成本较高，在一定程度上限制了其实际应用。

液压挖掘机在作业过程中动臂提升和下落频繁，在没有势能回收装置的系统中，动臂的势能会在节流阀口转化为热能耗散，不仅浪费资源还会使油温升高，需要额外添加大功率的散热器，增加了挖掘机的装机成本。为提高液压挖掘机的能量利用效率，减轻能源消耗和环境污染问题，本发明提出一种基于滑动副和气体蓄能的挖掘机动臂势能回收和再利用节能装置，通过钢丝绳沿着绕绳凸板轮廓面缠绕与分离，改变气缸与滑块铰接点的运动轨迹，在动臂下降时，使气缸产生的扭矩稍小于重力产生的扭矩；在动臂上升时，使气缸产生的扭矩能够达到充分释放气体分子内能的大小，从而助力挖掘机动臂正常进行升降作业，最终最大限度回收再利用动臂下降势能。目前大多数对动臂下降势能的研究都集中在液压式和电气式能量回收这两个方面，这两方面都存在各自的缺点，液压式能量回收系统将动臂下降势能以液能形式储存于液压蓄能器中，整个过程对原液压系统的改动很大，而且现有液压蓄能器存在储能密度不够高的问题，导致其体积较大，可靠性不高；电气式能量回收系统的问题存在设备复杂、成本较高的问题，由于电储能元件及发电机的成本较高，限制了该回收方案在实际中的应用，而且机械能、压力能、电能的反复转换也降低了能量回收的利用率。

技术实现要素：

针对上述技术的不足之处，提供一种结构简单、实施方便、成本低，不需要额外添加液压元件和电动控制系统，避免混合动力单元复杂的能量转换和传递环节，液压油在节流阀口和流经管路时损耗小的基于滑动副和气体蓄能的挖掘机动臂节能装置及方法。

为实现上述技术目的，本发明的基于滑动副和气体蓄能的挖掘机动臂节能装置，包括设置在挖掘机的动臂与上部转台之间的液压滑动装置，以及设置在上部转台尾部的绕绳凸板；所述液压滑动装置包括设置在挖掘机的动臂上的滑轨和气缸，滑轨上设有滑块，气缸的缸体与上部转台铰接，活塞杆与滑块铰接，气缸的活塞缸通过气管连接有气瓶；所述的绕绳凸板上设有类似机械凸轮的凸出的轮廓面，外缘轮廓面上设有容纳钢丝绳的绳槽。

所述动臂一侧设有定滑轮，所述绕绳凸板与滑块之间连接的钢丝绳中间缠绕在定滑轮，使钢丝绳始终处于张紧状态。

挖掘机动臂能够正常下降与上升需要气缸产生的扭矩与重力扭矩达到合适的大小关系，同时最大限度回收再利用动臂下降势能，这关键点在于气缸与滑块位于滑轨上气缸活塞杆铰接点b的运动轨迹的变化，由于定滑轮位置不变，气缸活塞杆与滑块的铰接点b的运动轨迹主要由绕绳凸板凸出的轮廓面弧度来决定来决定；因此在确定滑轮安装位置后，由于钢丝绳的长度不变，即可根据计铰接点b的工作轨迹制作绕绳凸板的轮廓面。

点b的运行轨迹计算方法：

设动臂的转轴为点o，气缸的缸体与上部转台铰接处为点a，气缸与滑块之间的铰接处为点b，动臂重心为点c，气缸与滑块铰接点在动臂滑轨上的运动轨迹为直线bd，直线bd与直线oc交点为点d；

所述直线bd的表达式为：

y-yd＝(x-xd)tan(θ+α)

式中：xd、yd即表示点d的横坐标与纵坐标；

点b在直线bd的表达式为：

yb-yd＝(xb-xd)tan(θ+α)

又有：yd＝lodsinθ,xd＝lodcosθ；式中：l表示两点之间的长度；

代入上式得：

yb＝(xb-lodcosθ)tan(θ+α)-lodsinθⅰ

在△oba中应用余弦定理，得：

由气瓶气体状态方程和动臂重力g及气缸推力f对点o的力矩平衡方程，得：

上式中：g为动臂的重力，单位n；s为气缸的活塞面积，单位m²；k为等熵指数＝1.4；p0为气缸初始压力，单位pa；lq为气瓶当量长度，单位m，lq＝v0/s；v0为气瓶和气缸中气体初始容积，单位m³；l0为气缸最大长度，单位m；

首先将式ⅰ代入式ⅱ利用式ⅱ解得直线ob与直线ab夹角δ，α为直线oc与直线bd夹角；然后将式ⅰ代入式ⅲ，式ⅲ中xb为θ的函数，θ为直线oc与x坐标轴夹角，得到xb＝f1(θ)，yb＝f2(θ)，即为点b的运动轨迹。

一种挖掘机动臂势能回收及再利用节能装置的工作方法：通过将挖掘机动臂下降过程中重力势能部分转化为气体的内能，储存在气瓶中，在挖掘机动臂举升时将气瓶中存储的气体内能充分释放出来，助力动臂上升，避免了原液压系统中动臂下降时油液经比例换向阀产生的节流损失，提高了挖掘机动臂的工作效率；

具体的：

当动臂下降时，重力势能转换为气体的内能存储过程包括：

当操作动臂下降时，动臂下降先导阀输出的控制信号使比例换向阀动作，动臂液压缸下腔回油，动臂在动臂液压缸上腔压力和动臂重力作用下下降，同时气缸活塞杆缩入，把动臂部分重力势能转化为气缸和气瓶中气体分子的内能储存起来；动臂下降过程中重力产生的扭矩在变化，同时随着气瓶气体的压缩，气缸中气压也在升高，如果不适时调节气缸的支点位置，气缸产生的反扭矩可能比动臂重力扭矩大，因此在动臂下降过程中，钢丝绳一端缠绕在绕绳凸板的轮廓面上，使滑块在滑轨滑动，通过改变支点b的位置，从而减小气缸对动臂的转动力臂，使气缸产生的扭矩稍小于动臂重力扭矩，动臂在重力作用下能按动臂下降控制信号的大小下降。

当动臂上升时，气体的内能释放再利用过程包括：

当动臂上升，动臂上升先导阀输出的控制信号使比例换向阀动作，动臂液压缸上腔回油，动臂在动臂液压缸下腔压力作用下上升，同时气缸活塞杆伸出，把气缸和气瓶中气体分子的内能转化为机械能，助力动臂上升，液压系统供给动臂液压缸下腔的压力比原系统低很多，此时发动机的功率降低，减少燃油和气体的排放，达到节能减排的目的；动臂上升过程中重力产生的扭矩在变化，同时随着气瓶气体的容积的增大，气缸中气压也在下降，如果不适时调节气缸的支点位置，气缸产生的扭矩变小，不能充分释放气瓶中储存的内能，因此在动臂上升过程中，钢丝绳一端从绕绳凸板的轮廓面分离出来，使滑块在滑轨滑动，改变支点b的位置，增大气缸对动臂的转动力臂，使气瓶和气缸的气体分子内能充分释放出来，动臂在动臂液压缸和气缸的共同作用下克服动臂的重力，按动臂上升控制信号的大小上升。

有益效果：

本发明中挖掘机动臂下降时，钢丝绳沿着绕绳凸板轮廓面缠绕，滑块在滑轨上滑动，随着气缸与滑块铰接点运动轨迹的改变，使气缸产生的扭矩稍小于动臂的重力扭矩，挖掘机动臂能在重力作用下正常下降。此过程中，气缸活塞杆缩入，压缩气缸和气瓶内的气体，将动臂下降的势能转换为气体分子的内能储存起来。

挖掘机动臂上升时，活塞杆伸出，储存的气体分子内能转化为机械能，助力动臂上升，钢丝绳一端从绕绳凸板的轮廓面分离出来，滑块在滑轨上滑动，随着气缸与滑块铰接点运动轨迹的改变，气缸对动臂的转动力臂增大，使气体分子内能能够充分释放。此过程中挖掘机液压系统供给动臂液压缸下腔的压力比原来低得多，减小了发动机的功率和燃油量，达到节能减排的效果。

本发明采用的基于滑动副和气体蓄能的挖掘机动臂势能回收和再利用方案与现有挖掘机动臂势能回收再利用装置相比，不需要改动挖掘机原液压系统，改造方便，可靠性高，也避免了复杂的能量转换环节，保证了能量回收的利用率。这种方案结构简单、成本较低；在一定程度上减少了液压油流经管路及元件时的损耗，缓解了因油温升高造成的系统发热情况，有效提高了液压系统效率。

附图说明

图1本发明的节能装置机械结构简图；

图中：1-上部转台；2-动臂；3-绕绳凸板；4-钢丝绳；5-定滑轮；6-气缸；7-滑轨；8-滑块；9-气瓶；10-气管。

具体实施方式

为了更充分的解释本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的1.一种基于滑动副和气体蓄能的挖掘机动臂节能装置，其特征在于：它包括设置在挖掘机的动臂2与上部转台10之间的液压滑动装置，以及设置在上部转台10尾部的绕绳凸板3；所述液压滑动装置包括设置在挖掘机的动臂2上的滑轨7和气缸6，滑轨7上设有滑块8，所述动臂2一侧设有定滑轮5，所述绕绳凸板3与滑块8之间连接的钢丝绳4中间缠绕在定滑轮5，使钢丝绳4始终处于张紧状态，气缸6的缸体与上部转台1铰接，活塞杆与滑块8铰接，气缸6的活塞缸通过气管10连接有气瓶9；绕绳凸板3与滑块8之间设有连接彼此的钢丝绳4，所述的绕绳凸板(3)上设有类似机械凸轮的凸出的轮廓面，外缘轮廓面上设有容纳钢丝绳4的绳槽。

挖掘机动臂2能够正常下降与上升需要气缸6产生的扭矩与重力扭矩达到合适的大小关系，同时最大限度回收再利用动臂下降势能，这关键点在于气缸与滑块8位于滑轨7上气缸活塞杆铰接点b的运动轨迹的变化，由于定滑轮5位置不变，气缸活塞杆与滑块的铰接点b的运动轨迹主要由绕绳凸板3凸出的轮廓面弧度来决定；因此在确定滑轮5安装位置后，由于钢丝绳4的长度不变，即可根据计铰接点b的工作轨迹制作绕绳凸板3的轮廓面。点b的运行轨迹或者说绕绳凸板3的轮廓面的计算方法：

设动臂的转轴为点o，气缸6的缸体与上部转台铰接处为点a，气缸6与滑块8之间的铰接处为点b，动臂重心为点c，气缸6与滑块8铰接点在动臂滑轨7上的运动轨迹为直线bd，直线bd与直线oc交点为点d；

所述直线bd的表达式为：

y-yd＝(x-xd)tan(θ+α)

式中：xd、yd即表示点d的横坐标与纵坐标；

点b在直线bd的表达式为：

yb-yd＝(xb-xd)tan(θ+α)

又有：yd＝lodsinθ,xd＝lodcosθ；式中：l表示两点之间的长度；

代入上式得：

yb＝(xb-lodcosθ)tan(θ+α)-lodsinθⅰ

在△oba中应用余弦定理，得：

由气瓶气体状态方程和动臂重力g及气缸推力f对点o的力矩平衡方程，得：

上式中：g为动臂2的重力，单位n；s为气缸6的活塞面积，单位m²；k为等熵指数＝1.4；p0为气缸6初始压力，单位pa；lq为气瓶9当量长度，单位m，lq＝v0/s；v0为气瓶9和气缸6中气体初始容积，单位m³；l0为气缸6最大长度，单位m；

首先将式ⅰ代入式ⅱ利用式ⅱ解得直线ob与直线ab夹角δ，α为直线oc与直线bd夹角；然后将式ⅰ代入式ⅲ，式ⅲ中xb为θ的函数，θ为直线oc与x坐标轴夹角，得到xb＝f1(θ)，yb＝f2(θ)，即为点b的运动轨迹。

当动臂下降时，重力势能转换为气体的内能存储过程：

司机操作动臂下降手柄，动臂下降先导阀输出的控制信号使比例换向阀动作，动臂液压缸下腔回油，动臂2在动臂液压缸上腔压力和动臂重力作用下下降，同时气缸6活塞杆缩入，把动臂2部分重力势能转化为气缸6和气瓶9中气体分子的内能储存起来。

动臂2下降过程中重力产生的扭矩在变化，同时随着气瓶9气体的压缩，气缸6中气压也在升高，如果不适时调节气缸6的支点位置，气缸6产生的反扭矩可能比动臂2重力扭矩大，动臂2无法在重力作用下下降，还要液压系统为动臂油缸上腔输入高压油液，增加燃油。在动臂2下降过程中，此节能装置中的钢丝绳4一端缠绕在绕绳凸板3的轮廓面上，使滑块8在滑轨7滑动，改变支点b的位置，减小气缸6对动臂的转动力臂，使气缸6产生的扭矩稍小于动臂2重力扭矩，动臂2在重力作用下能按动臂下降控制信号的大小下降。

当动臂上升时，气体的内能释放再利用过程：

司机操作动臂上升手柄，动臂上升先导阀输出的控制信号使比例换向阀动作，动臂液压缸上腔回油，动臂2在动臂液压缸下腔压力作用下上升，同时气缸6活塞杆伸出，把气缸6和气瓶9中气体分子的内能转化为机械能，助力动臂2上升，液压系统供给动臂液压缸下腔的压力比原系统低很多，此时发动机的功率降低，减少燃油和气体的排放，达到节能减排的目的。

动臂2上升过程中重力产生的扭矩在变化，同时随着气瓶9气体的容积的增大，气缸6中气压也在下降，如果不适时调节气缸6的支点位置，气缸6产生的扭矩变小，不能充分释放气瓶9中储存的内能，还要液压系统为动臂油缸下腔输入高压油液，增加燃油。在动臂2上升过程中，此节能装置中的钢丝绳4一端从绕绳凸板3的轮廓面分离出来，使滑块8在滑轨7滑动，改变支点b的位置，增大气缸6对动臂的转动力臂，使气瓶7和气缸6的气体分子内能充分释放出来，动臂2在动臂液压缸和气缸6的共同作用下克服动臂2的重力，按动臂上升控制信号的大小上升。

综上所述，本发明的节能装置能将挖掘机动臂下降过程中重力势能部分转化为气体的内能，储存在气瓶中，在挖掘机动臂举升时将气瓶中存储的气体内能充分释放出来，助力动臂上升，避免了原液压系统中动臂下降时油液经比例换向阀产生的节流损失，提高了液压系统的效率。