液压挖掘机动臂势能回收系统设计

液压挖掘机动臂势能回收系统设计

崔子聪

沈阳建筑大学 110168

身份证号码210111200205135911

摘要：随着综合国力的不断提高，信息化技术在工程机械行业得到广泛应用，尤其是PLC技术的工业化有力推动了工程机械控制系统智能化。目前，液压挖掘机广泛使用以PLC为核心的机电液一体化技术，通过使用CAN通信油门、传感器、限位开关等技术对发动机和液压系统进行精确控制，达到提升操作性能、节能降耗、提高维修效率等目的。

关键词：液压挖掘机；动臂势能；回收系统设计

引言

液压挖掘机是矿山施工的重要作业工具之一，工况复杂、环境恶劣。在高温、高寒、高海拔等地带作业时，挖掘机的工作能力受到极大的限制，经常出现发动机转速降低、冒黑烟、动作无力等问题。究其原因是在高海拔下，不仅发动机功率会降低，其响应性也会一并降低。而环境温度通过影响挖掘机的散热能力间接影响散热功率，在面对极端温度时，需要调整最大或最小散热能力并配合适当散热策略以达到较好的散热效果，同时需要功率匹配策略以发挥发动机的动力。

1研究背景

挖掘机的双节动臂由上动臂、下动臂组成，上下动臂可以通过相连的液压缸来调整夹角，这种结构在欧洲被称为2-pieceboom。配置双节动臂的挖掘机可根据工况需要调节两节臂间的夹角，与普通臂挖掘机相比，具有操作灵活和挖掘范围大等优点。双节动臂主要应用在短尾挖掘机和轮式挖掘机上。相比于常规挖掘机，短尾挖掘机配置双节动臂，不但尾部回转半径小，可以避免挖掘机在回转时破坏邻近的物体，保证安全性，而且工作范围灵活，可以在不移动机器的姿态下灵活处理周围的物体，非常适合道路维修、市政工程这些空间受限的场合应用。欧洲的很多国家如法国、德国和波兰等，在升级内部城市的光缆、自来水、天然气和电力等设施时，会做很多如修路、拆除、吊装的作业，像这样的工作要求机器能够在狭窄的空间工作，并且在施工时对道路影响最小，短尾并有双节动臂的挖掘机提供了完美的解决方案。因此，搭配双节动臂的短尾挖掘机已经是欧洲必不可少的机型。

2车辆电路的特点

2.1低压

车辆电气系统的额定电压分为12V和24V两种。汽油机普遍采用12V电源，挖掘机一般采用24V电源。车辆运行中的电压，一般12V系统为14V，24V系统为28V。车辆电控系统输为12V，输出一般为5V电压信号，变换为执行电压。如空气流量传感器信号电压范围为0～5V。该参数的大小一般与进气量成反比，即进气量增加时，输出电压数值下降，“5V”表示进气量最小，“0V”表示进气量最大。使用万用表检查车辆线路的电压值，就能大致判断线路来自哪类电路系统，如车辆上的用电设备一般使用12V作为动力电源；而传感器电路，一般采用5V感应电压或电源等；同时，车载电脑往往通过电压逆变装置为各类传感器提供适合其工作范围的电压，各类执行器的控制也通过各类继电器来间接控制。

2.2直流

车辆发动机是靠串联式直流启动机启动，启动机由蓄电池供电，而向蓄电池供电又必须用直流电源，所以车辆电气系统为直流系统。现代车辆上电气系统大多是由12V直流电源提供动力。由于直流不像交流电那样正负极交替出现，所以车辆上大部分导线可以看成是直流电源的正极而不会出现逆向情况。同时也因为电压较低，在维修操作时可以直接接触裸露的导线而不会发生触电现象，但在驱动较大功率车载电气设备时，所需要电流会很大，要求导线的线径会很粗，线损也较大。

3电动挖掘机技术介绍

3.1智能施工ICT技术

小松也在不断利用最新数字技术对智能施工解决方案持续优化创新。无人机上配备的立体摄像头和三维激光扫描仪可以对施工区域进行扫描从而获得相关三维数据，然后在电脑上绘制3D立体图像。通过将整个施工过程与三维数据连接起来，测算土方量等施工工作，大幅度减少误差，实现施工作业全程可视化管理的思路。为了减轻操作员的负担，增加了控制功能，例如沿设计表面移动铲斗铲刃的自动平地辅助和自动停止控制（当铲斗齿尖到达设计表面时停止）。因此，操作员可以半自动控制工作机器，这样他就不必担心过度挖掘设计表面，而不必精细操作工作机器。

3.2高效动力电池组技术

电池在车辆运行过程中产生大量的热量，会降低电池的充放电效率，影响电池的功率；严重时还会导致热失控，影响系统的安全性和寿命。整车电池热管理控制技术让电池组能够始终保持在一个合适的温度范围内进行工作，从而来维持电池组最佳的工作状态。电池管理智能控制安全技术通过对电池外特性的在线测量和估算，实时地掌握电池的工作状态，在不出现滥用和不合理使用的情况下，实现电池能量的充分高效的利用，提高运行效率；主要功能有电池状态监测、电池状态分析、故障诊断与处理、充放电控制管理、能量控制管理、电池信息管理、高压安全管理等。

4对发展电动工程机械的建议与看法

4.1探索电动工程机械营销模式的转变

当前电动工程机械的购机成本高，以及对电池寿命的顾虑制约了客户的购买行为。为解决客户的顾虑，有企业尝试“车电分离”的销售方式，即车身按购买形式，电池按租赁形式提供使用。如一台电动装载机原价格１００万，现在只购置机身５０万就可以了，后续的电池使用按租赁的形式，这样可大幅减少首次购机成本。电池可以短租或长租，长租可以达５年，每月支付租金。为了降低用户的购车压力，当前不少新能源汽车品牌推出了“车电分离”的购车方案。相信不久的将来，这种“车电分离”的购车方案将会在工程机械行业推广。或者尝试“整车租赁形式”，每月支付租金获取机子的使用权。因电动工程设备的获取成本高但是使用成本低，所以市场极易倾向租赁业务。

4.2政府对工程机械电动化产品实行补贴政策

国内新能源汽车能够较快速的普及，离不开政府对购买新能源汽车给予补贴的支持政策。当前，我国工程机械电动化处于发展的关键阶段，龙头企业在关键技术、产品研发、技术验证与工业性试验、产业链构建等方面取得了一定进展，部分企业电动化产品经过一定的考核、试验、改进，开始进入工程应用。但目前由于使用量较少，产业链构建有待进一步加强，当前电动工程机械整机成本居高不下，用户购买价格相当于同类内燃动力工程机械的２倍以上，严重削弱了用户购买意愿，形成“叫好不叫座”局面。

结语

当今，世界正在经历能源紧张和传统工业化操作习惯改变的历史时期，工业4.0带来的数字化转型需求，能源及产业链升级调整，还有社会化人口老龄化和低出生率现状，迫切要求工程设备具有高效、节能、环保的特点。数字化施工技术，为电动化挖掘机的设计和操作提供了新的思路和方法。通过优化设计、智能控制和大数据管理，可以实现节能减排、提高施工效率和质量的目标。未来需要进一步探索更先进的数字化技术在挖掘机施工中的应用，从单机智能化向机群智能化管理迈进，推动行业向智能化和可持续发展的方向迈进。

参考文献

［1］罗艳蕾，周山旭，杜黎，等．混合动力农业装载机能量回收系统分析［J］．液压与气动，2021，45(8):109－114．

［2］李建松，黎少辉，周波，等．融合流量再生的飞轮储能挖掘机能量回收系统［J］．液压与气动，2020，44(5):68－74．

［3］叶月影，林添良，任好玲．基于平衡油缸的势能液压式存储和再利用研究［J］．液压与气动，2018，42(1):71－77．

［4］李泽鹏，权龙，葛磊，等．液电混合驱动液压挖掘机动臂特性及能效研究［J］．机械工程学报，2018，54(20):213－219．

［5］关澈，程珩，权龙，等．纯电驱液压挖掘机电气式动臂势能回收再利用系统研究［J］．液压与气动，2020，44(1):21－26．