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制造方法及图纸

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，适用于挖掘机使用。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；绕绳凸板与滑块之间设有连接彼此的钢丝绳。其结构简单、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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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，本专利技术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。
技术实现思路
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，本专利技术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，因此在动本文档来自技高网...

【技术保护点】
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)，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。/n

【技术特征摘要】
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)，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。


2.根据权利要求1所述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：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。


3.根据权利要求1所述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：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。


4.根据权利要求3所述基于滑动副和气体蓄能的挖掘机动臂节能装置，其特征在于点B的运行轨迹计算方法：
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ΔOBA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0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；...

【专利技术属性】
技术研发人员：周连佺，瞿炜炜，张宁，张楚，薄晓楠，
申请(专利权)人：徐州纳维尔机械制造有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32