液压起重机的能量回收系统
发布时间：2025-08-24 08:43:31| 浏览次数：
摘要：本文介绍的是一种液压起重机的能量回收系统，是一个带有储能器的辅助系统和一套电液负载传感系统(ELS)共同驱动一实验起重机。这一系统是经过试验测试过的实用系统，该能量转移系统的静力学分析是基于实验过程以及一个典型的实验周期的工作循环。这一试验和理论结果显示：辅助系统和起重机电液负载传感(ELS)系统的应用可以恢复和再利用能源，节约液压泵的能源供应并且改善吊车系统的能源利用。这一液压起重机设计和试验测试的成功例子将鼓励其扩大到其它起重机械的商业应用。
提高液压机械的效率一直是工业和设计师的重要课题。随着液压驱动机械的广泛应用，尤其是大功率移动式液压起重机械，考虑到能源成本和环境法律法规等因素，大多研究者的兴趣一直倾向于采取节能措施和战略.因此，诸如装载传感系统等许多改善性技术已经应用到各种液压设备。所有这些方法均可节省液压泵能量、减少能源的消耗并产生好的经济效益。
液压起重机是一个典型的多自由度的机械起重设备。它们的作用是通过液压驱动将一个物品从一个指定的位置移动到另一个地点。多年来人们将注意力集中到减少液压能消耗和工作效率。然而有限的注意力被放在液压起重机的能源再生。现在的作者已经指出即使一个装载传感系统已被应用，液压起重机的能量运用仍然很贫乏。然而他们预测说液压起重机的能量回收将会引起人们的兴趣和重视。
能量回收与再生并不是一个新的话题。许多关于来自不同的能量回收装置的理论和实际意义已经被解决。尤其在公共交通服务车辆方面，最近一些成功研究使得能量储存与再生系统得以商业应用。一些城市的公交车已经应用了一些专业，然而他们只关心车辆动能的回收和释放。
在这篇文献中提出了一个能量回收和利用的概念。回收的能量主要不是来源于动能而是来源于大量的负载载荷。
图1显示了液压起重机能量回收和再利用系统的基本机制。它包括一个主系统和如图1、图2所示两个液压循环辅助系统，辅助系统包括两个辅助液压缸、一个储能池等元件，主系统是一个带有变量泵的电液负载传感（ELS）系统。
在第一个排气冲程中，主液压缸和从油箱吸入流进缸体腔内的液压油驱使两个辅助液压缸通过止回阀。
在第二个排气冲程，液压泵将供应足够的液压能驱动主液压缸，储能池将释放它储存的能量驱动两个辅助液压缸。从而使主液压缸和辅助液压缸共同承担负荷载。
上述能量储存理论用于图2所示示例液压起重机的联结1出，主液压缸是液压缸1。
图二中的的示例起重机是一个木材装载起重机.他拥有四种主要功能：旋转、起重、转移、伸缩。这个液压系统是一个基于微型处理器的稳定的电液负载传感系统。图一中的图a展示了它的整体配置，一个泵实现了它的四个液压功能。选择文中的电液负载传感系统是为了获得好的行为特征和稳定且迅速的反应。传统储存系统的动力以及控制力往往不令人满意。
图1中a所示的主系统——电液负载传感液压系统用来驱动联接1.在实际测量中，其它的联接不运动，油缸2和伸缩杆处于完全收缩状态。
辅助系统是一个包含储能器、安全阀、检查阀、防空阀等元件的双液压缸液压系统。双液压缸结构主要是考虑到简单安装和连接的因素。
没有辅助系统的起重机系统测试结果如图3和图5所示，当Pg0=0时，联接1出的运转除增加摩擦力以外没有其它明显的影响。因此，考虑诸如起重机系统初始状态时，Pg0=0是合理的做法。图4和6显示在pg0=7.5 MPa时，实际测量参数的改变；与原来的主系统相比，很明显，在向上的运动过程中泵的供应压力大大降低了，如图3f、4f、5f、6f所示。由于辅助液压缸能源回收和释放系统的作用，主液压缸的压力大大降低，如图3d、4d、5d、6d所示。此外，动态性能与原始系统的一样好。因此，在液压起重机中用该系统来存储和提高能源的利用率是合理和可行的。
所有的计算是在不考虑诸如泄漏，摩擦，管道和软管损失等影响液压起重机能量利用率因素的情况下获得的。
这里有必要引入一些描述起重机动力和能量传输系统的数学概念。动力和能量在阀门的损失按下面计算公式计算：
当两个辅助液压缸在它们的压缩冲程时，储能池储存液压能；在排气冲程时，释放液压能。储能池储存的能量按如 下公式计算:
实际测试是一个联合操作过程，其能量转移的液力静态分析如表1所述。这是静液压模型的参数与测试结果一致。为了比较方便的评估结果，可以假设是按同样的操作顺序进行测试实验的。
当pg0=0时，辅助系统不能工作；当pg0=7.5MPa时，辅助液压系统在向上运动时，储能池释放能量，向下运动时储存能量。
无论pg0=0还是pg0=7.5 MPa时，在向下运动过程中液压泵的能源供应没有表现出变化。同时减少了节流损失。因此，根据能量守恒定理，储能池储存的能量主要来源于大量负载的潜在势能。
以上的文献是基于简化了的接头处的运行和控制的测量结果，这些结果是令人欣慰满意的。这随后的评估是去分析一个典型的多关节驱动器工作周期的能量节省情况。
图7显示了在假设条件下液压起重机工作区中起重机的终点。吊杆端点的工作路径从c点，然后到B点，最后到无负载的A点。在A点起重机吊起一500公斤的负载。在此之后，吊杆继续沿相反的方向起吊500公斤的负载从A到B到C，最后在C点卸载。整个工作过程需要时间共11秒。
对于循环周期中的工作设置，缸1已经选择向上和向下运动，以确保蓄电池能源恢复和释放。在这里，只对两个自由度的情形进行了讨论。据推测，在关节1和关节2同时工作的整个过程中，压缩运动是完全不动的。
图8描述了在假设条件下液压缸1和2以固定的速度移动时的循环过程中的液压缸的位置和负载力。
当辅助系统中不加入关节1的运动时，F1和F2之间的差异较大，他们是沿着不同的工作路径克服阻力过度运转。之后辅助系统的工作压力在Pg0=7.5MPa时，沿着路径B到A、A到B和B到C的F1大大降低了，F2在上述上述两种情况下没有发生变化.
1、从C到B，这是一个预设的步骤，以便液压缸1完成排气冲程，同时辅助液压缸可以装满液压油。
2、从B到A，储能池存储和恢复能源。泵的压力取决于负载气缸2。因此，泵的供应能量Epump没有变化，回收的能源Eacc主要来源于损失能量Eloss。能量的直接来源是需要工作的与机器相关联的大量负载和提升的物料，或者说是潜在的能量。在表二是很容易找到它们能量之间的平衡关系。
3、从A到B，储能池释放其存储能源，辅助液压缸和主液压缸共同分担关节1的负载力。泵压力取决于液压缸1的负载力。因此能量供应Epump减少了。
储能器在辅助系统中起着非常重要的作用。它的选择应考虑经济投资，集成兼容，减轻重量，以及安装和可控性等。试验中所用是一个气囊储能器，充气压力的设置的非常关键的因素，直接作用于能源的回收和再利用，合理设置可以取得很好的结果。此外，为进一步研究其可控性，需要合理地选择和控制储能器。
介绍一个简单的过程，根据理想气体定律关系，当气体进行等温压缩到一定程度会发生绝热膨胀。
上面表述不是很准确地描述了气体的压缩和膨胀过程。在这里，理论的评价是基于根据试验测量所得的修正指数 n。因此，它可能不会对节能理论产生较大的影响。所有液压动态分析的能源计算是在没有考虑动态，动能以及摩擦，泄漏等因素影响的前提下计算的。
对于应用的这一节省概念，要求主液压缸的扩展和回缩动作建立一个周期，使储能器具有从液压油转化为能量、释放能量的替代进程。通过这种PG电子方式，能够恢复储能器能源并释放到系统。固定负载和几乎相同的工作周期非常有利于提高效率，并选择储能池合适的参数进行优化，使其适应于一些特殊的周期。当这种辅助驱动系统用于长距离和重型起重机时，就有获得较为理想的再生能源的可能性。
起重机系统是一个可变的ELS系统泵，如图1a所示。到现在它已是一个很好的高效率的驱动装置，因为泵输出压力和流量，适应于运动负载的要求。但是，当它的能源利用结果不能达到理想要求时，多气缸起重机系统这时就被激活。
根据负荷特性的假设周期，汽缸1和2在有力量的负荷之间是有巨大差异，如在沿路径A至B的过程中，关节2处作用的大量动力和能源丢失了。在关节1处添加了辅助液压系统后，辅助液压缸和主液压缸1共同承担了负载力，气压和供应压力都大大降低了。液压功率损耗和能源消耗也大大减少了。它也有利于改善起重机吊车系统的可靠性和寿命。6、结论
1、起重机电液负载传感（ELS）系统这一辅助系统应用于能量的回收和利用是合理可行的，它可以恢复和再利用的能源。
2、它可以在同样的工作情况，使泵的能源供应系统中的损失能量大量的减少。因此，可以大大改善液压起重机能源的利用。
3、液压起重机的能量损失主要是由两个来源：液压能源和与机器相关联的大量负载以及起吊物料的潜能量。
5、储能池的选择和参数设置是辅助系统中的一个重要因素。进一步在实际工作中寻求广泛的与其相适应得实际应用范围，来尽可能的提高能源利用率。
6、在起初的投资中，相对于节能的结果，成本、重量，安装以及能源的可控回收系统等，都需要仔细审议。
1、Backe, W. 高效率液压驱动 流体能量系统和技术，1995年，FPST第 2卷， 45 -73页（美国机械工程师协会，纽约）。
3、Vaughan, N. D. and Dorey, R. E.液压蓄能器能量储存在城市公共汽车的应用。综合发动机传动系统工程师协会会议，1986年，C卷186 /86，105 -116页（机械工程师学会，伦敦）。
5、Curtis, C. H. 公共服务车辆的能源存储系统. 集成引擎传输系统工程师协会会议，1986年，C卷197/86， 117 -126页. 机械工程师协会，伦敦.
