（机械电子工程专业论文）基于数据统计的小型液压挖掘机动力系统选型匹配.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 小型液压挖掘机主要用于城市狭窄地区，代替人力劳动，在世界工程机械市场， 属于销量最大的工程机械产品之一。随着我国经济建设的发展，对其需求量越来越大， 对其性能的要求也越来越高。动力传动系统作为液压挖掘机最复杂和重要系统，直接 影响的挖掘机的作业能力，因此，设计之初的具体选型就显的尤为重要，不仅需要有 理论计算和相关经验，还要对市场上的同类产品做详细的参数统计和相关对比，这样 才能对整个液压挖掘机系统性能的提高做好充足的理论准备，同时也能够节省样机的 实验时间。 本文通过对目前整机质量为3 8 吨的液压挖掘机基本参数进行统计，结合相关文 献的理论计算程序、v b 编程语言以及a m e s i m 仿真软件，完成以下内容： ( 1 ) 对小型液压挖掘机动力系统中的发动机、变量泵等部件的品牌以及功率、转 速、压力、流量等基本参数进行统计、分析和整理，将整机质量与对应参数值绘制成 图表，对其进行曲线拟合。探讨各个参数与整机质量之间的关系趋势。 ( 2 ) 将数据统计的资料和统计拟合的结果输入数据库，利用v i s u a lb a s i c 编程 语言开发设计选型平台，该平台不仅可以实现查找、修改、删除、添加各种相关数据 的功能，还可以显示查找部件的三维图形、平面图形、特性曲线以及拟合趋势图。 ( 3 ) 以某公司生产的7 吨机为例，依照数据统计的结果和相关文献的理论计算程 序对其动力传动系统中各个部件进行选型匹配计算和相应分析，将统计结论和计算结 论结合起来进行选型，并将选型结果与投入市场的产品的具体选型做对照，验证数据 统计部分和理论计算程序的相应参考价值指数。 ( 4 ) 通过a m e s i m 建模仿真软件对选型过程中涉及到的l u d v 系统的压差以及 当前小型液压挖掘机主要应用的两种液压控制系统l s 系统和l u d v 系统进行建模仿 真，用具体的仿真曲线验证理论部分得出的结论。 本文将数据统计，编程开发，理论计算分析以及建模仿真四者结合起来，其研究 成果为小型液压挖掘机动力系统中发动机、变量泵、马达以及液压控制系统设计之初 的具体选型提供了充分的理论准备，提高了动力系统的选型效率。 关键词：小型液压挖掘机；动力系统；选型；数据统计；仿真 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s 仃a c t t h em i n ih y d r a u l i ce x c a v a t o rr e p l a c et h em a n p o w e rw o r ki sm a i n l yu s e di nc a b i n e d a r e as u c ha sc i t y , i nt h ew h o l ee n g i n e e r i n gm a c h i n e r ym a r k e t , i tb e l o n g st oo n eo fm a x i m u m s a l e sv o l u m ee n g i n e e r i n gm a c h i n e r yp r o d u c t s t h er e q u i r e m e n tf o rb o t ht h eq u a n t i t ya n dt h e p e r f o r m a n c eo fe x c a v a t o rh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yh i g h e r 、i mt h er a p i dd e v e l o p m e n to f i n d u s t r y a st h em o s tc o m p l e xa n dc r i t i c a ls y s t e m so ft h ee x c a v a t o lt h ed r i v e l i n eh a sad i r e c t i m p a c to nt h eo p e r a t i o n a lc a p a c i t yo fh y d r a u l i ce x c a v a t o r s s oi ti sv e r yi m p o r t a n tf o ru st o d ot h es p e c i f i cs e l e c t i o no ft h eo r i g i n a ld e s i g n n o to n l yn e e d st h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n a n dr e l e v a n te x p e r i e n c e ，b u ta l s on e e d st os t a t i s t i c st h ep a r a m e t e r si n d e t a i la n dd ot h e r e l a t e dc o n t r a s t i nt h i sw a yw ec a nt a k et h es u f f i c i e n tt h e o r e t i c a lp r e p a r a t i o nt oi m p r o v et h e o v e r a l ls y s t e mp e r f o r m a n c ea n ds a v et i m ef o rp r o t o t y p ee x p e r i m e n t s i nt h i sp a p e r , t h r o u g hc o l l e c t i n gt h eb a s i cp a r a m e t e r so ft h es m a l lh y d r a u l i ce x c a v a t o r s w h o s ew e i g hb e t w e e n3 - 8t o n s ，c o m b i n i n gw i t ht h ec a l c u l a t i o np r o g r a mo fr e l a t e dl i t e r a t u r e ， v bp r o g r a m m i n gl a n g u a g ea n dt h es o f t w a r eo fa m e s i r n ，w em a i n l ym a d et h es t u d ya s f o l l o w ： ( 1 ) c o l l e c t i n g , a n a l y z i n ga n dt i d y i n gt h ep a r a m e t e r so ft h ee n g i n ea n dv a r i a b l ep u m p w h i c h b e l o n gt ot h ed r i v e l i n eo fh y d r a u l i ce x c a v a t o r , f o re x a m p l et h eb r a n d ，t h ep o w e r , t h e r o t a t i o n a ls p e e d ，t h ep r e s s u r e ，t h ef l o wa n ds oo n ，t h e nm a k i n gt h ec h a r tb e t w e e nt h ew h o l e m a c h i n ew e i g h ta n dt h ep a r a m e t e r s ，c a r r y i n go u tt h ec u r v ef i t t i n g , e x p l o r i n gt h er e l a t i o n s h i p a n dt r e n db e t w e e nt h ep a r a m e t e r sa n dw h o l em a c h i n ew e i g h t ( 2 ) i n p u t t i n gt h es t a t i s t i c a ld a t aa n dt h es t a t i s t i c a lf i t t i n gr e s u l t si nt h ed a t a b a s e d e v e l o p i n ga n dd e s i g n i n gap l a t f o r mt os e l e c t i o nm a k i n gb s eo ft h e v i s u a lb a s i c p r o g r a m m i n gl a n g u a g e t h ep l a t f o r mn o to n l yc a nf i n d ，m o d i f y , d e l e t e , a d dav a r i e t yo f r e l e v a n td a t a , b u ta l s oc a ns e a r c hf o rp a r t so ft h r e e d i m e n s i o n a lg r a p h i c s ，f l a tg r a p h i c s ， c h a r a c t e r i s t i cc u r v e sa n df i t t i n gt r e n dc h a r t s ( 3 ) t a k i n gt h e7t o np r o d u c t i o nw h i c hi sd e v e l o p e db ys o m ec o m p a n ya sa ne x a m p l e ， c a l c u l a t i n g ，m a t c h i n ga n da n a l y z i n ge a c hp a r to ft h ed f i v e l i n ei na c c o r d a n c ew i t ht h ed a t ao f t h es u r v e yr e s u l t sa n dt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o np r o g r a mr e l a t e dl i t e r a t u r e , m a k i n gt h e s e l e c t i o nu s et h es t a t i s t i c a lr e s u l t sc o m b i n e dw i t ht h ec a l c u l i a t i o nr e s u l t s ，c o m p a r i n gt h e s e l e c t i o nr e s u l t sw i mt h ep r o d u c t sw h i c hp u ti n t om a r k e t , v a l i d a t i n gt h ev a l u eo ft h ed a t a s t a t i s t i c a la n dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o np r o g r a m ( 4 ) u s i n gt h es o r w a r eo fa m e s i mt om o d e la n ds i m u l a t et h ep r e s s u r ed i f f e r e n c eo f l u d vs v s t e m ，t h el sc o n t r o ls y s t e ma n d t h el u d vc o n t r o ls y s t e mw h i c ha r em a i n l yu s e d i i lm 砸h y d r a u l i ce x c a v a t o r , m a k i n gu s eo ft h es i m u l a t i o n c u l w et ov e e r yt h eo ft h e t h e o r e t i c a lc o n c l u s i o n s i i l 鲫m m a r y ，t h i sp a p e rc o m b i n e st h ed a t as t a t i s t i c s ，p r o g r a m m i n g ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s a r l ds i l l 伽a t i o n ，m er e s e 乏瓜mr e s u l t sp r o v i d et h ea d e q u a t et h e o r e t i c a lp r e p a r a t i o n f o rt h e s e l e c t i o no fe n ；i i l e ，v a r i a b l ep u m p ，m o t o ra n dt h eh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m w h i c hb e l o n gt o t h ed d v e l i n eo ft h em i n ih y d r a u l i ce x c a v a t o r , i m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo f t h ep o w e rs y s t e m s d e c t i o n k e y w o r d s ：m i n ih y d r a u l i ce x c a v a t o r ；d y n a m i cs y s t e m ；s e l e c t i o n ； d a t as t a t i s t i c s ；s i m u l a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密囱，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ”) 喾譬论文作者签名：哆闳 日期：阳fd 、中、l 。 誓翥秒签名：捆日期： 7h 加、中、f 易 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 统计、分析和整理液压挖掘机用发动机和变量泵的相关信息，绘制图表， 拟合曲线，为液压挖掘机设计之初提供参照。 2 利用v i s u a lb a s i c 编程语言开发设计选型平台，该平台可以实现发动机、 变量泵、液压马达、多路阀等部件的信息查找和相关计算。 3 综合统计结果，理论计算程序和软件仿真对液压挖掘机动力系统进行选型 和匹配分析。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作 了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 考f 司 日期：( d 、午、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 小型液压挖掘机简介 第一章绪论 小型液压挖掘机，国外一般指整机质量在6 吨以下的液压挖掘机，国内由于生产 规模较小故没有明确的定义。目前，国外专业批量生产小型液压挖掘机的著名企业主 要分布在日本、美国、欧洲等发达地区。处于i i i 列的有日本的小松、久保田、石川岛、 竹内、洋马、美国的凯斯、山猫、欧洲的j c b 、阿特拉斯、雪孚、韩国的现代、大宇 等公司。国内生产小型液压挖掘机械的主要有广西玉柴、湖南山河智能、江西南特、 柳工等厂家【l j 。 1 1 1 小型液压挖掘机迅速崛起的原因 近年来，在国家宏观调控政策的影响下，我国工程机械产业进入了迅速增长阶段， 特别是小型工程机械在市政工程、交通等施工中发挥了较大优势并得以迅速发展。小 型液压挖掘机作为其中的一个分支，呈现出前所未有的繁荣态势。 小型挖掘机的发展主要依赖于城市建设的发展，用于城市的改造、建设施工较多， 要求施工时间短、施工机械对周围环境影响小、安全、低污染、回转半径小、便于运 输以及具有与城市景色相协调的外观等等。以下是推动小型挖掘机市场快速发展的因 素( 2 】【3 】： 1 小型挖掘机体积小、机动灵活，非常适用于城镇的各种管道开挖、基础施工、 公用事业以及房屋维修等作业。小型挖掘机紧凑的体积、特殊的设计使其能够在大型 挖掘机无法施工的环境中进行作业。 2 小型挖掘机的真正优点在于它具有的多功能性。由于有相关的液压动力系统， 小型挖掘机能够安装许多辅助作业机具，如安装破碎锤、液压钳用于轻量级的拆除作 业，安装夹指钳用于清除作业，安装滚筒、平板夯用于沟槽的填埋压实，安装旋挖钻 具用于钻孔，钓钩用于起吊重物等等。 3 小型挖掘机便于各个施工现场间的转移，无需大型拖车或是重型卡车来进行运 输，小型的运输工具就可将其运载。这样不但能够方便运输，还可以大大降低机器的 运输费用。 4 尾部旋转半径为零的设计应用，使得小型挖掘机在作业空间有限的环境下作业 时挖掘机操作人员无须考虑施工现场是否有障碍物阻碍挖掘机的转动，从而使操作人 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 员能够史专心于铲斗的操作，这也防止了施工现场周围建筑物以及挖掘机自身的损坏。 小型挖掘机适合狭窄区域作业的最主要的特点就是其特殊动臂和斗杆的设计。小 型挖掘机的动臂是与机身铰接的，这就使其能够在一个很大的范围内进行摆动。这一 设计使得挖掘机在周围有障碍物时也能避开障碍物进行作业而无需经常移动机身。同 时，这也使得挖掘机能够便于在墙壁或是围墙的旁边进行挖掘作业。 小型挖掘机的橡胶带有助于减少挖掘机施工时对狭窄施工范围内的景观区域以及 道路的损坏。 5 小型挖掘机投资回报率高，一般情况下，一台1 5 , - - 2 0 吨的小型挖掘机能够取 代大约6 个成年人用铁铲和一辆手推车工作土方工程量，小型挖掘机不仅作业效率高， 而且作业成本低，在小型土方工程中有很强的竞争力。较高的投资回报率使得小型挖 掘机深受广大中小土方工程施工承包业主的欢迎。 正是由于小型挖掘机所具备的这些特点，小型挖掘机才开辟了自己广泛的市场， 才能够得以迅速发展。与之相适应的是，目前市场对小型挖掘机性能也做了以下几点 的要求【4 】【5 】： 1 改进挖掘机可控性和控制精确性以及复合动作。 2 简化液压系统、降低成本，达到大作业量与低油耗的动态平衡。 3 改进工作可靠性。 4 改进驾驶操作舒适性及降低劳动强度，提高单位生产率。 5 改进操作安全性。 6 低振动、低噪音适用生活区工作。 同时，小型挖掘机的设计原则是确保设备可以在狭窄、复杂，也就是大型挖掘机 不能进入的地区进行高效施工。小型挖掘机因使用环境的特殊要求，它必须具有如起 重机的精细作业等特性，此有别于中大型挖掘机。中国的小挖市场( 指机重1 3 吨以下) 在中国挖掘机行业过去的十年，关键配套液压件等的先天性国产缺损，导致了在中大 型挖掘机市场被韩、日、美、欧等外资企业瓜分了9 0 以上的分额。经十年艰苦奋斗， 国内企业夺回了近2 7 份额，特别是大型和小型液压挖掘机上，近两年已有较大起色。 中国小型挖掘机市场上人们好像又看到了中国制造的“曙光”，正在夺回和扩大国产小 挖市场。国内小挖制造企业正由少数几家发展到6 0 余家，这不能不说这是行业的大发 展，而且出现了许多年产销量超千台企业。 1 1 2 小型液压挖掘机现状及前景 小型挖掘机由于其小巧、灵活、多功能和高效率等特点，极受用户的欢迎。主要 用于小型土石方工程、市政工程、路面修复、混凝土破碎、埋设电缆、自来水管道的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 铺设、园林栽培及河道河沟清淤工程。小型挖掘机具有中型挖掘机的多项功能，又具 有运输、能耗、灵活性、适应等方面的优势，非常适用于空间狭小的施工场地作业， 而且价格低、质量轻、保养维修方便等优点。近几年小型挖掘机销量增长较快。国内 小型液压挖掘机的市场随着我国经济的快速发展而发展，据统计，销量从2 0 0 2 年的 1 5 0 0 台到2 0 0 6 年的1 7 5 万台，增长了1 1 倍，2 0 0 7 年实现销售2 2 万台，2 0 0 8 年已 经突破2 7 万台。预计在未来5 年，中国农村对小型设备尤其是小型挖掘机的需求会 快速增长。预计在2 0 1 0 年，中国小型挖掘机可达到4 2 0 0 0 台年的需求量，总体上会 在2 0 1 2 - - 2 0 1 5 年前后达n 4 , 型挖掘机与中大型挖掘机市场保有量l ：2 的比例。按照工 程机械行业“十一五”规划预测，到“十一五 末，我国液压挖掘机市场需求量约为 7 0 0 0 0 台，其中小型液压挖掘机的需求量将会继续攀升【4 】。 从全球范围看，小型挖掘机市场已处于成熟发展期，需求稳定并呈缓慢上升趋势， 2 0 0 8 年小型液压挖掘机约占全球工程机械产品销量的3 0 。西欧、日本、北美等经济 发达国家和地区是小型挖掘机的主要消费地，且产品需求结构趋于小型化和微型化， 主要为6 吨和6 吨以下产品，需求量也相当大。美国、日本、欧洲等地区的小型土方 机械年需求量在1 0 万1 5 万台左右【4 j 。 许多国外企业在中国加大投资，进军中国市场也说明他们看好中国这个工程机械 大市场。如韩国斗山、现代在中国实现年销2 0 0 0 台小挖目标的基础上加大技改与新产 品研发，目标直指年产5 0 0 0 台。日本石川岛也在厦门建厂生产小挖图谋1 0 的市场 份额。全球销量第一的日本久保田也希望能占领2 0 的份额，美国特雷克斯兼并了合 肥卓尔及北建，成立了三河工程机械公司。j c b 、c a s e 也都加大中国市场的开拓力 度，而国内工程机械企业也想抓住目前的好时机进行调整，纷纷加强技术改造，调整 小挖产能。如广西玉柴工程机械公司投资2 1 亿元技改完成5 0 0 0 台小挖生产能力，已 占据国内小挖第一把交椅。湖南山河智能机械股份有限公司加大技改，调整出三条装 配线，年产能力也达3 0 0 0 台，而且大批出口。其他企业如广西桂林华力重工、广西柳 工集团、江西南特集团、大连黑猫、湖南九五重工、江西南昌华工等都在紧跟市场调 整结构，力争在最短时间跃上新台阶，向行业前列挺进【2 】【3 1 。 另一方面，小型挖掘机的技术发展顺应全球多样化施工现场的需求，经历了三十 多年的历史演变过程，经过不断的改进完善，在技术性能、作业功能、作业效率、安 全、环保、节能和维护保养等方面有了大幅度的提高，形成了比较一致的技术标准和 作业规范。现在，国外几乎所有的挖掘机制造商都涵盖了小型挖掘机的所有型号，具 有性能优越、多功能化的显著特点。随着小型挖掘机市场的慢慢兴起，国内生产小型 挖掘机的企业逐年增多，产量的不断增加，小型挖掘机市场的竞争将会愈演愈烈5 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 数据统计分析的意义 数据作为客观事物的一种数量表现，是事物必然性与偶然性共同作用的结果。偶 然性使得对同一事物的多次观察得到不同的统计数据，而必然性则隐含在统计数据背 后，这正是我们要利用统计方法去寻找的。只有通过大量的统计数据，才可以探索出 其内在的数量规律性，这也就是所说的统计规律，但统计规律的发现及其定量式的刻 画，都离不开数据的采集和分析，从而进行定量与定性的研究活动【6 j 。 数据统计分析的最常用的解决形式就是e x c e l 电子表格，e x c e l 电子表格通过 加入数据项并定义一系列常用计算公式和图表分析类型，按照电子表格中提供的相应 分析方法( 比如回归分析法、移动平均分析法) 对数据进行规律和趋势的总结和拟合， 当然最终应用的分析方法一定要得到相对的最优解，这样就可以给予数据统计分析人 员以简洁、明了、准确以及客观的结论，统计分析人员便可以根据相应的结果探讨和 研究相关的方向和命题，达到事半功倍的效果【7 】。 1 3 液压挖掘机动力系统简介 液压挖掘机动力传递路线如图1 i 所示，基本工作原理是柴油机( 发动机) 输出 的动力经过液压泵转变为静压能，通过液压管路、多路换向阀分配给各液压执行机构 去做功。 匪互 爿至三 ( 至蛋孬霎淼马达 图1 - 1 液压挖掘机动力传递路线 1 3 1 液压挖掘机动力系统发展概况 从诞生于1 8 3 6 年的动力铲到目前的半自主全液压挖掘机，挖掘机的动力驱动经历 了蒸汽、电力、内燃机的演变过程。挖掘机的操纵和控制方式也随着动力驱动方式、 传动形式以及控制技术的发展经历了机械操纵、液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵 和电气控制、电子控制、无线电遥控等阶段。液压传动技术和电子控制技术的应用极 大地提高了挖掘机的操作性能和经济性。现有的动力源一般为柴油发动机和电动机， 随着柴电混合动力系统向工程机械的推广及应用，动力源的性能显著提升，液压泵或 者液压泵组将动力源的能量经过液压阀传递给执行机构( 液压缸和液压马达) 。在挖掘 机上大规模采用机电一体化技术是从1 9 8 6 年开始的，主要目标是为了节能。随着发动 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 机性能的提高和变量泵、比例阀、负载传感技术的出现及广泛应用，发动机与泵的匹 配由静态向动态方向发展，发动机和泵的效率区问得到了划分，系统的性能和效率得 到了显著提耐8 1 。 1 3 2 液压挖掘机动力系统选型必要性 当液压挖掘机中的发动机、液压泵、液压缸、液压马达组成一个负荷驱动系统后， 该系统的综合性能不仅取决于发动机、液压泵、液压缸、液压马达等各元件本身的性 能，而且还要受到上述各部件性能参数之间合理匹配的制约，这一匹配要考虑元件之 间的压力、功率、扭矩等因素，还要考虑到元件本身的使用寿命、生产厂家以及制造 成本掣明。 作为不同于传统传动方式的具有可控性的液压传动系统，发动机、变量泵、液压 马达、多路阀组成的系统是一个多变量的复杂系统，为使系统在任何状态下都有最佳 的动力输出，必须选择合适的液压控制系统对其进行控制。理论研究表明：合适恰当 的液压控制系统能使发动机的转速以及输出扭矩适应外部的负荷变化而连续变化，并 保持高效率 9 l o 因此，为了提高系统的综合性能以及动力输出，液压挖掘机在设计之初必须很好 的解决下列问题： 1 发动机和变量泵的参数选择及性能匹配： 2 液压泵与液压马达性能参数的选择与匹配； 3 液压系统控制方式的选择。 1 4 本论文研究内容 1 在查阅国内外大量挖掘机相关资料的基础上，阐述液压挖掘机动力系统各部件 的性能，对液压挖掘机发动机与液压传动装置的参数匹配及控制原理进行研究。 2 对目前国内外市场上整机质量为3 8 吨的小型液压挖掘机动力系统中的发动 机、变量泵等部件的品牌、功率、转速、压力、流量等基本参数进行统计、分析和整 理，将整机质量与对应参数值绘制成图表，对其进行曲线拟合。探讨各个参数与整机 质量之间的关系趋势，为小型液压挖掘机的动力系统各部件的选型及相关匹配提供参 考依据。 3 将数据统计的资料和统计拟合的结果输入数据库，利用v i s u a lb a s i c 编程语 言开发设计选型平台，该平台不仅可以实现查找、修改、删除、添加各种相关数据的 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 功能，还可以显示查找部件的三维图形、平面图形、特性曲线以及拟合趋势图，可以 大大提高数据查找和参照的效率。 4 以某公司生产的7 吨机为例，依照数据统计的结果和相关文献的理论计算程序 对其动力传动系统中各个部件进行选型匹配计算和相应分析，系统详细的阐述选型匹 配的原因及原理，最后将统计得出结论和计算得出结论两者结合起来进行选型，并将 选型结果与投入市场的产品的具体选型做对照，己验证数据统计部分和理论计算程序 的相应参考价值指数。 5 综合统计数据趋势曲线以及具体选型例子的结果，通过a m e s i m 建模仿真软 件对选型过程中涉及到的l u d v 系统的压差以及当前小型液压挖掘机主要应用的两 种液压控制系统l s 系统和l u d v 系统进行建模仿真，用具体的仿真曲线验证前面理 论部分得出的结论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第二章动力系统各部件选型 动力系统在液压挖掘机系统构成中占据了相当大的一部分，起着至关重要的作用， 它不但承担着动力源和能量转换的任务，还是人的肢体延伸，完成操作者的各种控制 策略，经过半个多世纪的演变和发展，目前液压挖掘机的动力系统的相关技术已经趋 于成熟和完善。了解液压挖掘机动力系统各部件的原理、功能以及特性是对其进行选 型匹配的基础。 2 1 发动机选型 大多数工程车辆采用柴油机作为它的动力装置，柴油机的动力性和经济性是决定 机器整机使用性能的基础。在工程机械动力系统设计中，通常只关注柴油机的静态特 性。柴油机厂家提供的静态参数和曲线是设计人员选择柴油机、进行动力匹配的原始 依据【l o l 。 2 i 1 负荷特性 负荷特性是指当柴油机保持某一转速不变，而移动喷油泵齿条或拉杆位置，改变 每循环供油量6 时，每小时燃料消耗量研、燃油消耗率g c 随负荷e 变化的关系。 这种特性曲线清楚地显示了在柴油机转速一定时，负荷变化与燃油消耗的关系【1 0 1 。 2 1 2 速度特性 柴油机的性能指标随转速变化的关系称为速度特性。具体指喷油泵油量调节杆位 置一定时，柴油机的转矩尥、功率肌、每小时燃料消耗量研和燃料消耗率g e 等参数 随转速n 变化的关系。喷油泵调节拉杆固定在标定功率循环供油量位置时测得的速度 特性称为标定功率速度特性，通常也称为外特性。喷油泵调节拉杆固定在小于标定功 率循环供油量位置时的速度特性称为部分负荷速度特性。显然部分负荷速度特性曲线 有无数条，柴油机生产厂一般只给出外特性曲线【i o j 。 2 1 3 万有特性 速度特性和负荷特性只能表示某一转速或某一齿条位置时柴油机参数间的变化规 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 律，不能全面表示柴油机性能，而万有特性则能表示三个或三个以上参数之间的关系。 一般以柴油机转速以为横坐标、输出转矩尥( 或平均有效压力尸e ) 为纵坐标，做出 若干条等燃料消耗率g e 曲线和等功率曲线e 等，构成一系列的曲线族，称为万有特 性曲线，如图2 1 所示。它可以表示各种转速、各种负荷下的燃料经济性。最内层的 等油耗线内部相当于经济工作区域，曲线越向外，耗油率越高，经济性越差。从万有 特性曲线上还可以看出，柴油机在每一个运行功率值下，都有一个最经济工作点，就 是等功率曲线和等耗油率曲线的切点。如果将所有功率下的最经济工作点连起来，就 形成一条经济工作曲线，如图中所示。无论柴油机输出功率是多少，只要工作点位于 经济工作曲线附近，其燃油在此功率下的利用率就高，此即柴油机节能控制的理论依 据【l o l 。 2 1 4 调速特性 1 0 0 01 2 0 01 4 0 0 1 6 0 01 8 0 0 2 0 0 0 图2 1 柴油机万有特性曲线 柴油机的调速特性是指在不同的调速手柄位置上，柴油机转速与负载转矩等参数 间的关系。工程机械柴油机上通常安装的是全程式调速器，全程调速是指在柴油机的 最低工作转速和最高工作转速的范围内，调速器均能控制柴油机的转速。在任何速度 工况下，供油量由调速器自动控制，以保持速度的恒定。转速的指令值由调速手柄设 置。驾驶员改变调速手柄的位置，实质上是改变了调速弹簧的预紧力，即调速器起作 用的转速，而不是直接调节喷油泵循环供油量的大小。当调速手柄在不同位置时，柴 油机在调速器的控制下稳定运行在不同的速度。实际上，机械式调速器不可能将柴油 胁h 鼬 奶 耄言 叭 们 ( 1 1 8 7 5 4 2 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 机转速控制在不变的恒定值，而是随着负载的变化而与指令值有一定的偏差，这在柴 油机调速特性曲线上很容易看出来。由于调速器的作用，柴油机的转矩特性得到改善， 转矩值随负载的变化从零到最大或从最大值降到零，而转速的变化却很小，从而保证 柴油机的稳定运转。在挖掘机作业的过程中，驾驶员根据作业工况改变调速手柄的位 置来改变柴油机的调速特性，使柴油机处于不同的工况位置以适应作业工况与负荷的 变化 1 0 1 。 在研究柴油机与液压泵的匹配时，最常用的是柴油机的转矩特性曲线，其它曲线 是辅助性的。柴油机的转矩特性曲线包括转矩外特性曲线和转矩调速特性曲线，二者 之下的面积都是柴油机可以工作的范围。由于柴油机在驱动液压泵之前，尚需驱动一 系列辅助设备，因此需要得到扣除辅助设备消耗的功率后的净功率和净转矩特性。 2 2 变量泵选型 在液压传动中，采用变量泵有两个目的：( 1 ) 实现功率调节，节约能源，减少系统 发热；( 2 ) 实现无级调速。恒功率控制、负流量控制和功率切换控制的组合是开中心系 统变量泵的基本控制方式【i o 】。 在挖掘机的动力系统中，柴油机若不工作在高效区的最佳工况，同样会造成能量 损失，恒功率控制是为了使柴油机在液压泵的任何工况下都能工作在最佳工况而设计 的。因液压功率为压力p 与流量q 的乘积，即n = p q ，所以恒功率变量泵的总输出 功率具有与负载无关，维持恒定的性质。在精确地恒功率控制中，流量与压力的关系 是压力升高时，流量随压力呈双曲线减小，如图2 2 所示【1 0 】。 图2 2 变量泵恒功率曲线 图2 3 变量泵近似恒功率曲线 要实现精确的恒功率输出特性是不容易的，在大多数场合尤其在工程机械上也不 必要。若只要求近似的恒功率特性，则其控制方案可大大简化。目前的变量泵的恒功 率曲线是用数根刚度不同的弹簧来近似实现的，如图2 3 所示u o l 。 目前在挖掘机液压系统上广泛使用的是斜盘式轴向柱塞泵或斜轴式柱塞泵，本文 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 研究的液压系统采用的是斜盘式柱塞泵。柱塞泵是依靠柱塞在其缸体内往复运动时， 泵体内的密封工作腔发生容积变化来实现吸油和压油的，是容积式液压泵。液压泵的 输出流量与驱动转速及液压泵排量成正比，通过调节斜盘的位置可无级改变流量。斜 盘式柱塞泵的排量为： 矿：车d t g y x z 1 0 3 ( 2 1 ) 4 。 式中扛柱塞直径( 咖) ； d 一柱塞在缸体上的分布圆直径( m i l l ) ； 一盘倾角( 。) ； 弘柱塞数。 斜盘式柱塞泵的理论输出流量为： q 也= v n x l o 。3 ( 2 - 2 ) 斜盘式柱塞泵的实际输出流量为： g 口= q t l l r 。= v n x r l 。x l o 。3 ( 2 3 ) 式中，卜泵的转速( r m i n ) ； ，7 广泵的容积效率，当压力p 2 0 m p a 时，一般取0 9 2 0 9 5 。 斜盘式柱塞泵是将柴油机的机械能转换成液压能的元件。若液压泵的输入转矩为 娣，角速度为c o ，泵的出口压力为尸，流量为q ，假设没有效率损失，则根据能量守 恒定律x o j = p x q ，n - 膨。：鱼(2-4) 若以g = g 也和= 2 以死佑o 代入上式，则液压泵的理论输入转矩为： m 呻= 警( 2 - 5 ) 液压泵的实际输入转矩为： m p = m p t “r = 器= 等 江6 ， 式中p - 一液压泵的出v i 压力( m p a ) ； 叩旷液压泵的机械效率，一般取0 9 2 - 4 ) 9 5 。 液压泵的输入功率和输出功率分别为： l = 羔m px n x l 0 3 ( 2 7 ) 3 0 p o = 警= 孥川q ( 2 - 8 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 3 马达选型 液压挖掘机用马达分为行走马达和回转马达，分别应用于液压挖掘机回转驱动和 行走驱动。行走马达普遍采用高速马达加行星式减速机或摆线针轮减速机，而回转马 达则会根据具体的情况和要求选择低速大扭矩径向柱塞马达还是带回转减速机高速轴 向柱塞马达。 工程行走机械大多数选择高速马达，主要是因为同低速大扭矩马达相比高速液压 马达有以下特点【9 j ： 1 它在结构上和液压泵相同或相近，二者零部件通用程度高，易于组织生产和降 低成本。 2 马达配以不同速比的减速机后，可以组成不同等效排量的驱动装置，从而扩大 了液压马达的工作能力和范围，特别是随着行星减速机的推广和普及为利用高速马达 提供了非常有利的条件。 3 高速马达转动惯量小，能高速启动，工作扭矩小易于制动。 4 高速马达本身稳定性并不好，但是配合减速机使用之后可以得到甚至比低速马 达更好的低速性能。 5 驱动轮传递的各种径向和轴向负荷均由减速机承受，马达仅为纯扭矩转动，加 之马达和减速机均为批量生产的系列成熟产品，因而工作可靠，性能良好。低速马达 为承受车轮负荷需专门设置支撑装置，使用不便。 6 高速马达可以在高转速高压力下持续工作，因而适用于重负荷工程车辆驱动， 加之行星减速机构尺寸小，可以构成大功率驱动装置用于多种车辆；而低速马达则由 于持续高压高速工作能力较差，加之结构尺寸较大，不宜于持续、重负荷、大功率的 车辆传动。 7 制动时马达成为泵工况，高速马达有和泵基本相同的结构，可以安全可靠的工 作，而连杆型低速大扭矩马达往往难以胜任。 8 轴向柱塞马达可以连续变量，对工程车辆负荷压力进行无级调节，这一点有级 变量的低速马达是无法达到的。 总之。从无极调速能力、工作可靠性、制动性能、驱动能力、等效排量范围等考 虑高速马达驱动装置有着独特的优点。 。 液压挖掘机普遍采用轴向柱塞马达的原吲9 】： 1 轴向柱塞马达和轴向柱塞泵一样，适宜在高压下工作，马达和泵不同的是进口 油压力，不存在吸油和空穴的问题，通常轴向柱塞马达的允许转速较泵更高，因而功 率密度很高，功率质量比可达4 k w k g 以上，是电机的2 0 倍以上，这是它的最大特点 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 之一。 2 轴向柱塞马达的静摩擦副静压平衡较好内部摩擦力小，因而低速稳定性和带载 启动能力在高速马达中是最高的。 3 轴向柱塞马达可以连续变排量工作，将工程机械变化很大的负荷压力调节在一 个较小的范围内，这是其他所有高速马达和低速马达均无法达到的。 4 轴向柱塞马达在大范围内有很高的容积和机械效率，不论在驱动工况还是制动 工况这一点是非常重要的。 轴向柱塞马达的以上特点与液压挖掘机的需要是十分吻合的。本文研究选用的回 转马达和行走马达马达均采用带减速机构的高速轴向柱塞马达。 2 4 液压控制系统选型 从2 0 世纪8 0 年代开始，机电一体化技术在液压泵和发动机的联合调节中得到应 用，取得了较好的节能效果。它不再追求完全用足发动机的功率，而是根据具体的工 作状况使发动机只发出工作所需要的功率，减少功率浪费，同时减轻了发动机的工作 强度。进入9 0 年代，国外各挖掘机生产商开发了第二代控制系统，不仅对泵和柴油机 进行联合调节，而且将主阀和先导阀的控制考虑在内，在保证节能性的同时，进一步 提高了挖掘机的操纵性。以下就主要的几种液压控制方式进行简要说明，为后面的选 型做准备。 2 4 1 负流量的节流控制系统 负流量控制系统是指主泵排量与控制压力成反比，各个换向阀都采用开芯结构， 液压油在经过换向阀回油箱前增加一个节流阀，根据节流阀前的压力大小来调节主泵 排量。当所有换向阀阀芯处于中位时，泵输出的液压油直接通油箱，控制油路的压力 升高，最后调节主泵排量减小，控制先导压力，使一个或多个换向阀阀芯移动，这时 通向油缸或马达的阀芯开口逐渐增大，通向油箱的阀芯开口逐渐减少，当阀芯移动到 一定位置时最终关闭。这一过程中控制油路压力逐渐下降，主泵排量逐渐增大，执行 元件动作的快慢，由操作人员操纵先导滑阀决定，先导滑阀的控制压力决定换向阀开 度，换向阀开度决定了回油量的大小，进而控制泵排量【i 。 2 4 2 正流量的节流控制系统 正流量控制系统是指主泵排量与控制压力成正比，控制压力取自换向阀两边先导 压力差，控制手柄在中位时，执行元件不工作，控制压力为零，主泵的斜盘角度很小， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 排量很低；当操作手柄动作时，系统的先导压力由小变大，控制压力作用于主泵的变 量机构，换向阀的阀芯向一端移动，开口而积增大，主泵排量增大，执行元件的运动 速度变快。正流量控制模式是在控制回路中建立起与操作手柄偏转量成正比例的压力 来控制换向阀阀芯的位移和泵的排量，这种控制模式的最大优点是节能，实现了主泵 按照执行元件实际需要( 速度快慢) 调节排量，不需溢澍1 1 】。 2 4 3l s 负荷传感系统 如图2 - 4 a 所示。在多年来众所周知的负载传感系统( l o a ds e n s i n g ) 中，与负载压 力无关性是通过设在测量阻尼孔前的压力补偿阀实现的。通过各自的压力补偿阀以及 负载传感泵的作用，能使泵的输出压力和流量自动适应负载需求，大幅度提高液压系 统效率。将负荷传感控制用于类似挖掘机这样的行走式工程机械，是在2 0 世纪6 0 - - 7 0 年代被提出，但直到1 9 8 8 年才在欧洲真正用于液压挖掘机。进入9 0 年代后，日本也 开始在这方面加以研究，并推出了一系列相应的挖掘机产品，如小松公司的p c 2 0 0 - 6 、 日立建机的e x 2 0 0 2 等。将负荷传感控制应用于液压挖掘机时，为了保证正常工作， 泵输出压力只能与最高的负载压力适应，即负荷传感控制只在最高负载回路上起作用， 对其他负载压力较低的回路采用压力补偿，使阀口压差继续保持定值。当阀口开度过 大，使系统要求的流量超出泵的供油能力时，最高负载回路上的执行元件速度将会降 低直到停止运动，使挖掘机动作失去协调性【5 】。 酐酐 a ) l s 控制系统b ) l u d v 控制系统 图2 4 液压控制方式 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 4 4l u d v 负荷传感系统 如图2 - - 4 b 所示