（机械电子工程专业论文）挖掘机负流量控制液压系统建模仿真及能耗分析研究.pdf

原创性声明 凄 i i l l ll li i l lii l l ll li ii i l ： y 19 1 4 5 9 7 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：矗必瞌 醐：一耻月卜日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 醐：丛碰月日 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 液压挖掘机的节能研究是一项非常迫切、具有发展前景的课题。 采用仿真方法，在虚拟环境进行挖掘机的研究分析，是近年来兴起的 一项新技术，在此背景下，本文以中型负流量控制型液压挖掘机为研 究对象，建立其机械一液压系统联合仿真模型，在此基础上研究系统 能耗，探讨节能优化方案，论文的主要工作如下： 综述了液压挖掘机节能研究的意义，概述了挖掘机液压系统与液 压系统仿真技术的发展现状以及国内外挖掘机液压系统能耗分析研 究现状。分析了挖掘机负流量控制液压系统基本原理与特性，讨论了 液压系统能量损失途径。 在进行了挖掘机整机动力学理论研究的基础上，运用仿真分析平 台a d a m s 建立了挖掘机整机动力学模型；在进行了液压系统控制理 论与液压元件原理特性研究的基础上，在a m e s i m 平台中建立了该型 液压挖掘机负流量控制液压系统模型；在介绍了a m e s i m 和a d a m s 联 合仿真方法和原理的基础上，通过联合仿真模块连接挖掘机动力学模 型和液压系统模型，形成了整机的联合仿真分析模型。 运用联合仿真，求解各种操作下液压系统及整机机构的动态响应 特性，并与实验测试数据相比较，验证了仿真模型的正确性。在此基 础上，对液压挖掘机的空载作业循环进行了仿真研究，得到了其动态 响应及系统能耗，通过对各部分能量损失的研究，得到系统的能耗分 布图，结果表明，节流损失是液压系统能量损失的主要方式。论文进 行了简单节流控制液压系统与负流量控制液压系统在装车工况的功 率消耗对比，量化了负流量控制系统的节能效果，最后，采用仿真与 实验结合的方法，进行了挖掘机节能优化设计的一种实例应用。 关键词液压挖掘机，负流量控制，液压系统，联合仿真，能耗 分析 、j k ， ： o t- 、 j 誓 一 气、 ， i 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t e n e r g y - s a v i n go fe x c a v a t o ri sa l lu r g e n ta n do fh i g h e rd e v e l o p m e n t p o t e n t i a lp r o je c t c a r r y i n go ne x c a v a t o r sr e s e a r c ha n da n a l y s i s i n v i r t u a le n v i r o n m e n tb yu s i n gs i m u l a t i o nm e t h o d ，i san e wt e c h n o l o g y w h i c he m e r g e di nr e c e n ty e a r s u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h ep a p e rt o o ka n e g a t i v ef l o wc o n t r o lh y d r a u l i ce x c a v a t o ra sa no b je c tt or e s e a r c h ， e s t a b l i s h e di t sc o s i m u l a t i o nm o d e lo fm e c h a n i c a l h y d r a u l i cs y s t e m ，a n d t h e no b t a i n e dt h es y s t e me n e r g yc o n s u m p t i o n ，d i s c u s s e de n e r g y s a v i n g o p t i m i z a t i o nb a s e do nt h i ss t u d i e s t h em a i nr e s e a r c hw o r ka sf o l l o w s ： t h es i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c ho fe n e r g yc o n s e r v a t i o no nh y d r a u l i c e x c a v a t o rw a ss u r v e y e d t h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fe x c a v a t o rh y d r a u l i c s y s t e m ，h y d r a u l i cs i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h er e s e a r c hs t a t u so fe n e r g y c o n s u m p t i o no fe x c a v a t o rh y d r a u l i cs y s t e mi nd o m e s t i ca n df o r e i g nw a s r e l a t e d t h eb a s i cp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee x c a v a t o rn e g a t i v e f l o wc o n t r o ls y s t e mw a sa n a l y s i s e d t h ew a yo ft h eh y d r a u l i cs y s t e m e n e r g yl o s sw a sd i s c u s s e d t h e d y n a m i c m o d e lo fi t s w o r k i n gd e v i c ew a sb u i l t w i t h a d a m s ，b a s e do nt h er e s e a r c ho fm u l t i b o d yd y n a m i ct h e o r y t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fn e g a t i v ef l o wc o n t r o lh y d r a u l i cs y s t e mw a sb u i l t w i t ha m e s i m ，b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h ep r i n c i p l eo f h y d r a u l i cs y s t e m a n dh y d r a u l i cc o m p o n e n t s t h e p a p e ra l s od e s c r i b e dt h ep r i n c i p l ea n dt h e u s eo fc o - s i m u l a t i o nb ya d a m sa n da m e s i m t h r o u g ht h ec o n n e c t i n g o fd y n a m i cm o d e lw i t ht h eh y d r a u l i cs y s t e mm o d e lb yc o s i m u l a t i o n m o d u l e ，t h ec o s i m u l a t i o nm o d e lo b t a i n e d w e g o tt h ed y n a m i cr e s p o n s eo fh y d r a u l i cs y s t e ma n dm e c h a n i s m a c c o r d i n gt os p e c i f i co p e r a t i o n sb yd o n et h ec o - s i m u l a t i o n t h e nb y c o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ea c c u r a c y o ft h em o d e lw a sv e r i f i e d a n dt h e nb yd o i n gt h es i m u l a t i o no ft y p i c a l o p e r a t i n g c o n d i t i o nc i r c l ew i t hn ol o a do fh y d r a u l i c e x c a v a t o r ，t h e d y n a m i cr e s p o n s e a n de n e r g yc o n s u m p t i o nw e r eo b t a i n e d t h e nw e g a i n e dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o nd i s t r i b u t i o nc h a r tb yt h er e s e a r c ho fe a c h p a r to fe n e r g yl o s s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h em a i n l ye n e r g yl o s sc a m e f r o mt h r o t t l e t h ep a p e rc a r r i e do nc o n t r a s to fs i m p l et h r o t t l eh y d r a u l i c 塑奎堂堡圭兰垡垒茎二1 一 仙sk ，l s y s t e ma n dn e g a t i v ef l o wc o n t r o lh y d r a u l i c s y s t e mi nv 掣e 仰竺e 竺 i ee n e r g yc o n s e r v a t i o ne f f e c to f n e g a t i v ef l o wc o n t r 0 1h y d r 叭l i cs y 妣m w a sq u a n t i f i c a t e d f i n a l l y , t h ep a p e r t o o ka r te x a m p l eo f e x c a v 咖r 黜? c o n s e r v a t i o no p t i m i z a t i o nd e s i g n t os t u d yb ys i m u l a t i o na n de x p e n m e n t l ( e yw o r d sh y d r a u l i ce x c a v a t o r , n e g a t i v e f l o wc o n t r o l ，h y d r a u u c s y s t e m ，c o s i m u l a t i o n ，r e s e a r c ho f e n e r g yc o n s u m p t i o n m 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s l r a c t i i 目录。i v 第一章绪论l 1 1 课题提出的背景及意义1 1 2 挖掘机液压系统发展概况2 1 3 液压系统仿真技术发展概况5 1 4 挖掘机节能研究概况6 1 5 挖掘机能耗分析研究概况7 1 6 论文研究的主要内容8 第二章挖掘机负流量控制液压系统及能量损失分析1 0 2 1 负流量控制液压系统分析1 0 2 1 1 挖掘机负流量控制液压系统基本原理1 1 2 1 2 液压泵原理及特性分析l l 2 1 3 负流量控制泵六通多路阀系统控制模型1 4 2 2 液压系统能量损失分析。1 7 2 2 1 节流损失18 2 2 2 溢流损失1 8 2 2 3 沿程功率损失19 2 4 4 摩擦功率损失l9 2 4 5 功率匹配不合理引起的损失2 0 2 4 6 负流量控制系统节能性分析：2 0 2 4 7 负流量控制系统功率损失分析2 1 2 3 本章小结2 2 第三章负流量控制型液压挖掘机联合仿真模型的建立2 3 3 1 液压挖掘机整机动力学理论基础2 3 3 1 1 多刚体系统的自由度2 3 3 1 2 等效原则2 4 3 1 3a d 蝴s 多刚体系统动力学模型2 5 3 1 4 多刚体系统的建模与求解流程2 7 3 2 基于a d - 蝴s 平台的挖掘机整机动力学模型的建立2 8 3 2 1 a d j 蝴s 软件简介2 8 3 2 2 a d a m s 动力学仿真模型的建立2 9 3 2 3 动力学仿真分析相关参数确定3 2 3 3 基于a m e s i m 平台的液压系统模型建立3 3 3 3 1 液压泵模型的建立3 3 3 3 2 多路阀原理及其模型的建立3 4 3 3 3 回转马达及液压油缸模型的建立3 7 3 4 挖掘机机械液压系统联合仿真模型建立3 8 3 5 本章小结3 9 第四章系统仿真研究及能耗分析研究4 0 i v 目录 4 0 4 0 4 2 4 4 4 5 4 7 ! ；：! 5 ：! 。5 4 ! ；! ； ! ；6 ：；7 失分析5 7 4 3 7 能耗分布图5 7 4 3 8 功率利用率5 8 4 3 9 负流量控制节能性分析5 8 4 4 节能优化设计应用实例研究6 0 4 4 1 斗杆外摆节能优化研究6 0 4 5 本章小结6 2 第五章实验研究。6 3 5 1 用于仿真分析的实验6 3 5 1 1 实验目的与内容6 3 5 1 2 实验设备6 3 5 1 2 实验方案6 4 5 1 3 实验结果及分析6 6 5 2 斗杆外摆节能优化设计应用实例实验研究6 7 5 2 1 实验目的与内容6 7 5 2 2 实验方案6 8 5 2 3 实验结果及分析一6 8 5 3 本章小结6 9 第六章总结与展望7 0 6 1 全文总结7 0 6 2 工作展望7 0 参考文献7 2 附录1s w e 2 3 0 l c 液压挖掘机a d a m s 模型主要仿真参数列表。7 6 附录2s w e 2 3 0 l c 液压挖掘机a m e s i m 模型仿真参数列表7 8 致谢一8 0 攻读学位期间主要的研究成果8 1 攻读硕士学位期间发表及录用论文情况8 1 v 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题提出的背景及意义 在现代施工建设中挖掘机作为进行土石方开挖的主要设备，在现代工程机械 中占据着重要地位，其广泛应用在矿山采掘、水利电力施工、工业与民用建筑、 农机工程、油田建设、交通运输、港口建设以及军事工程施工等各类工程中。据 初步统计，全世界各国土方工程施工中约有6 5 - 7 0 左右的土石方开挖量是靠液 压挖掘机完成的n 1 。 借助于经济的高速发展，我国挖掘机市场已逐渐成为世界最大的市场，市场 规模不断扩大，从1 9 9 8 年的3 2 1 1 台，发展到2 0 1 0 年的1 6 万多台。随着挖掘机 用量的迅速增大，由此带来的油耗和排放问题成为人们普遍关注的焦点。研究结 果表明液压挖掘机功率利用率仅为5 0 - 7 0 ，而能量利用率甚至不到1 0 乜3 ，由 此可见，挖掘机的节能研究势在必行。 液压挖掘机损失的能量中，有很大一部分转化成为热能，这些热能一部分散 发到大气中去，其余的大部分则传到液压元件和油液中，导致液压系统温度升高， 使得系统的可靠性降低。在液压挖掘机上采用节能技术后，可使燃油效率得到有 效提高，液压系统的功率损失减少，动力系统和负载所需功率能够更好地匹配， 且能有效降低发动机和液压件的工作强度，使得机器的可靠性提升较大。 近年来，随着人们环保意识的提高，工程机械的环保性也越来越受到人们的 重视。工业发达国家早在1 9 8 0 年代末到1 9 9 0 年代初，就相继出台了一系列政策， 针对工程机械在工作时的噪声、振动、排放等指标进行限制口钔。在工程机械上 采用节能技术后，在降低燃油消耗的同时还可以减少排放量，减轻工作时的振动 和噪声，因此基于环保的角度，挖掘机的节能研究也日显重要。 综上所述，对于液压挖掘机，人们要求其具有低使用成本、高可靠性、环保 等特点，而所有这些都要求挖掘机有较好的节能性。由此可见，节能技术已成为 人们对挖掘机先进性进行衡量的一项重要指标两1 ，因此，研究液压挖掘机的节能 问题具有非常重要的实际意义。 挖掘机功能复杂，工况多变且机、电、液一体化集成度较高，对它进行节能 研究不仅需要依靠实物仿真和实机试验，还需借助于计算机仿真技术来进行开发 和评估3 ，以达到缩短开发周期、降低开发成本和提高节能效果的目标，因此对 计算机仿真提出了更高的要求：模型建立简单快速，能反映真实物理样机特性， 能实现参数的在线调整，且能实现机电液多领域共同仿真，以进行系统性能的综 合评估，为挖掘机的设计开发提供全面和准确的分析功能。 本文的研究就是在这种背景下提出的，以中型负流量控制液压挖掘机为研究 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 对象，基于多学科领域复杂系统建模与仿真分析平台a m e s i m 软件建立该型挖掘 机液压系统模型；整机动力学模型采用目前最具权威的机械系统动力学仿真分析 平台a d a m s 构建，利用a m e s i m 和a d a m s 进行机械一液压系统联合仿真，对该型负 流量控制液压挖掘机在作业过程中液压系统的能耗进行了深入的分析研究。 1 2 挖掘机液压系统发展概况 在液压挖掘机的发展历程中，液压系统的种类和形式有很多，可以按照不同 的角度来分类。按多路阀的形式可以分成开中心系统和闭中心系统或节流控制系 统和负载敏感控制系统两大类；按泵的形式来分则可以分为定量泵系统和变量泵 系统；此外，泵的控制方式也有多种，而且根据泵的数量不同还可以将液压系统 分为单泵、双泵、三泵和多泵系统。本文从多路阀的分类角度，介绍目前广泛应 用的几种挖掘机系统口3 。 ( 1 ) 简单节流控制系统 简单节流控制液压系统( 图1 1 ) 采用的是开 中心的三位六通阀。液压系统具有两条供油路，如 图中所示，一条是旁通油路l 、另一条是并联油路 2 ，流入执行元件的液压油流量经过并联油路通过 改变阀口的开口量来进行调节，多余的压力油则通 过旁通油路流回油箱。简单节流控制系统调速特性 受负载压力和液压泵流量的影响较大，且该系统操 纵性能和微调性能较差。此外，由于采用这种油路 的液压执行元件在进行复合动作时相互之间有干i 扰，使得复合动作操纵比较困难哺1 ，复合动作协调 性较差，但是由于该系统具有结构简单，且能够满 足挖掘机的基本工作要求，生产制造成本低等特 图l i 简单节流控制液压系统 点，使得目前简单节流控制液压系统在小型液压挖掘机上仍有较为广泛应用呻1 。 ( 2 ) 负流量控制系统 主泵排量与多路阀中位回油控制压力成反比是负流量控制液压系统的主要 特点，多路阀中的各联阀采用的结构形式都是开中心形式，增加的节流孔布置在 多路阀的中位油路经过每一联换向阀后、回油箱之前，根据节流孔入口处的压力 大小来实现液压泵的排量调节。当液压系统中所有换向阀主阀芯都处于中位时， 主泵输出的液压油通过中位油路直接通油箱，节流孔入口处的压力升高，即控制 油路的压力升高，从而调节主泵排量减小，减小液压系统空流损失。在操作手操 作先导手柄动作时，多路阀中的一个或者多个换向阀阀芯就会离开中位向两端移 动，此时液压油通向执行元件的阀芯开口面积逐渐增大，而通向油箱的阀芯开口 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 面积则逐渐减小至最终关闭。整个动作过程中节流孔前压力即负流量控制油路压 力逐渐下降，液压泵的排量则逐渐增大，同时，执行元件的速度也逐渐增大。负 流量控制液压系统中，先导控制压力决定了换向阀阀芯各节流口的开度，进而决 定了系统旁路回油量的大小，最后决定了负流量控制油路的压力，由该压力的大 小来调节主泵的排量阳3 ，其原理如图1 2 所示。 a 一负流量控制原理b - q p q a q r 与先导压力关系示意图 图1 - 2负流量控制液压系统原理简图 ( 3 ) 正流量控制系统 正流量控制系统控制压力通过梭阀组的组合取自换向阀阀芯两端先导压力 中的最大值，当先导手柄无动作时，执行元件不动作，此时液压系统控制压力为 零，液压泵的斜盘角度很小，排量很低，仅能维持自身泄漏；当先导手柄动作时， 多路阀中相应的换向阀阀芯一端的控制压力由小变大，推动阀芯向一端移动，进 油口的开口面积增大，执行元件的运动速度增加，同时控制压力作用于液压泵的 变量调节器，使泵的排量增大。正流量控制系统原理如图1 3 所示，正流量控制 系统实现了主泵按照执行元件实际需要”速度快慢”来调节泵排量，不需溢流和空 流呻，具有很好的节能效果。 a 一正流量控制原理图 b - q p q a 与先导压力的关系曲线 图1 - 3 正流量控制液压系统原理简图 ( 4 ) 负载敏感控制系统 3 ( a )( b )( c ) ( a ) 力士乐l s 系统( b ) 力士乐l u d v 系统( c ) 东芝i b 系统 图1 - 4 负载敏感液压系统原理图 对于中大型液压挖掘机而言，目前常用的为正流量、负流量和负载敏感系统， 这三种流量调节控制方式中，在国内挖掘机上应用较多的是负流量控制系统，其 次是负载敏感系统，正流量控制系统是近年来逐渐兴起的，在国内应用较少。近 来来，随着机电液一体化技术的不断发展，电子控制也逐渐应用于正流量和负流 量控制的液压系统中，形成了电控正流量系统和电控负流量系统，以期实现更加 精确的控制，改善系统性能，表1 所示为世界上主要的挖掘机生产厂商各种控制 方式应用统计。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 l p l 21 5 1 82 02 22 5 2 83 0 一3 24 0 - 4 5 电机厂 lllll h l t a c h l pppppnn c a t p l l l a rn nnnnll k o b e l c oe ，p e 伊e 摩b ，pe 伊e 但n s u m i t o m onnnnnn k a t o nnnnn v o i v 0 nnnnnnn d 1 6 n w 0 0 nnnnnnn h y u n d a innnnnnn n 一负流量控制系统l 一负载敏感控制系统p 一正流量控制系统e p 电控正流量控制系统 表l 各种控制形式液压系统应用统计 1 3 液压系统仿真技术发展概况 液压系统仿真技术是指运用仿真技术建立液压系统及其元件的仿真模型，模 拟实际液压系统工作进行计算机仿真运算。在国外，液压系统和元件的计算机数 字仿真研究始于2 0 世纪7 0 年代初，到2 0 世纪8 0 年代，我国也逐步开始进行这 方面的研究。经过近几十年的研究开发，液压仿真软技术有了很大提高，开发的 液压软件，实现了从精度低，速度慢发展到精度高，速度快；从只能处理单输入 单输出的线性系统发展到能处理多输入多输出的非线性复杂系统；从复杂的编程 和输入发展到人机交互友好的图形用户界面。近年来，国外尤其在欧洲，液压仿 真技术的发展更是突飞猛进，各国都纷纷推出了最新版的专业液压仿真软件，例 如，瑞典的h o p s a n ，英国的b a t h f p ，德国的d s h + 等。此外一些在液压仿真模块 上具有优势的综合系统仿真软件在商业上也获得了成功，极具有代表性的有法国 的a m e s i m ，美国波音公司的e a s y 5 ，均在行业内得到了较为广泛的应用。 a m e s i m ( a d v a n c e dm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o ne n v i r o n m e n tf o rs y s t e m s e n g i n e e r i n g ) 是世界著名的工程系统高级建模与仿真平台，它提供了一个系统 级工程设计的完整平台，使得用户可以在单一的平台上建立复杂的一维多学科领 域的机电液一体化系统模型，并在此基础上进行仿真计算和深入的分析。工程师 在一个基于工程应用的a m e s i m 友好环境下可研究任何元件或者系统的稳态和动 态性能。a m e s i m 的图形化用户界面使得用户可以在完整的应用模型库中选择需 要的模块来构建复杂系统的模型。大量的用户群使得a m e s i m 已经成为世界范围 内的车辆，发动机，越野设备，航天航空，船舶，轨道交通，冶金设备，海洋工 程以及重型设备等工业领域内的多学科专业，包括控制、流体、机械、热分析、 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 电、磁以及能源等复杂工程系统建模与仿真的首选平台。工程设计师完全可以应 用集成的一整套a m e s i m 应用模型库来设计一个系统或一个液压元件，所有的这 些来自不同物理领域的模型都是经过严格的测试和实验验证的。a m e s i m 使得工 程师迅速达到建模仿真的最终目标，分析和优化工程师的设计，从而帮助用户降 低开发的成本和缩短开发的周期。 1 4 挖掘机节能研究概况 自世界上第一台液压挖掘机诞生以来，节能、高效一直都是国内外厂商追求 的主要目标之一。目前，国内外在液压挖掘机节能方面的研究主要有以下几个方 面：结构轻量化节能技术、液压系统节能控制技术、发动机一泵功率匹配节能技 术和混合动力节能技术。 ( 1 ) 结构轻量化节能技术 挖掘机在工作时，为了克服工作装置自身重量所消耗的能量，往往比液压油 缸举起负载所消耗的能量还要高，减轻工作装置自身重量，实现结构轻量化是挖 掘机节能降耗的有效方法，挖掘机结构轻量化的技术内涵在于：采用现代设计方 法和有效手段对挖掘机结构进行优化设计，或在确保挖掘机综合性能指标的前提 下，采用新材料、新工艺尽量减轻挖掘机自身重量，实现节能减排的目的。 ( 2 ) 液压系统节能控制技术 前文所述，液压挖掘机液压系统发展经历了从简单节流控制系统，到广泛应 用负流量控制、正流量控制、负载敏感控制等节能控制技术，这些技术的推广对 于液压挖掘机的节能起到了较大的作用，近年来一些新的节能技术被引入到新型 液压挖掘机的研发当中，如负载口独立控制技术，二次调节技术，执行机构单独 驱动以及执行机构下放制动能量的回收等。 ( 3 ) 发动机一泵功率匹配节能技术 液压挖掘机系统的功率匹配一直是影响燃油经济性的主要因素，目前主要是 采用先进的机电一体化控制技术，如自动怠速控制、分工况控制、转速感应控制 和恒功率控制等，来提高能量的利用率，这些控制方法对系统的节能起到了一定 的促进作用，并已被制造商和用户普遍接受。 ( 4 ) 混合动力节能技术 混合动力技术是近年来兴起的新技术，也是挖掘机节能研究的新热点课题， 由于液压系统效率低下，造成液压挖掘机能耗高，故改进液压系统结构，配合混 合动力驱动系统，开展液压马达能量回收、利用电机储存势能或动能，实现能量 的再利用，可以有效节省燃油消耗，具有广阔应用前景，目前，日本的小松，神 钢公司已经进入了混合动力液压挖掘机产业化阶段，国内的山河智能、三一、詹 阳动力等企业也实现了混合动力液压挖掘机成功下线。 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 5 挖掘机能耗分析研究概况 由于挖掘机液压系统功率利用率低下，深入研究液压系统功率损失，能耗分 布，对于寻找系统节能措施，优化系统流量分配，降低系统能耗，具有深刻的意 义。目前，国内对于挖掘机液压系统能耗分析的研究主要集中在部分高等院校和 科研院所，而国外的著名挖掘机生产企业已经走在了该项研究的前列，国内外对 于挖掘机液压系统能耗的研究可归纳如下： ( 1 ) 针对简单节流控制系统能耗分析的研究 中南大学的叶鹏飞等采用a m e s i m 与a d a m s 联合仿真与实验相结合的分析方 法，对应用简单节流控制液压系统的小型液压挖掘机进行了空载9 0 。装车工况 仿真分析，对采用三泵系统的小型节流控制液压挖掘机液压泵功率消耗及动臂和 铲斗联阀的节流损失进行了研究，得到了其能耗动态分布曲线，量化了节流损失 的动态过程盯1 。 ( 2 ) 针对负载敏感系统能耗的研究 太原理工大学的武宏伟、权龙等采用联合仿真研究方法，对于液压挖掘机的 不同工况分别采用不同的挖掘方式( 包括斗杆单独挖掘、铲斗单独挖掘以及斗杆 和铲斗复合挖掘) 与不同的负载工况( 最高负载力为2 0 k n 和3 2 k n ) 进行了仿真研 究，并且分析了上述不同工况能量消耗情况。研究结果表明：对于负载敏感控制 系统，铲斗和斗杆单独挖掘时比复合挖掘节能，但是单独挖掘作业效率低n 钔。 中南大学的王炎等人基于a m e s i m 仿真平台搭建了负载敏感控制系统液压挖 掘机整机模型，对挖掘机的挖掘工作过程进行了仿真研究，得到了动臂、斗杆和 铲斗液压缸的位移、速度和受力曲线以及挖掘过程中液压系统的功率消耗曲线， 通过与实际测试数据对比，验证了利用挖掘机整机模型进行仿真的方法对于进行 挖掘机节能研究的可行性。此外，通过仿真研究，对负载敏感型液压挖掘机在采 用不同挖掘方式下的能量消耗对比，研究结果表明斗杆和铲斗复合挖掘消耗的能 量比单独挖掘消耗的能量大；对比了挖掘机采用不同液压系统的能量消耗，结果 表明负载敏感系统和负流量系统都具有很好的节能效果，相对于定量节流系统， 它们的能量利用率有较大的提高n 钔。 ( 3 ) 针对正流量控制液压系统能耗的研究 世界著名挖掘机生产厂商日本神钢公司对于其生产的正流量控制型液压挖 掘机能耗进行了深入的研究，并取得了卓越的成果，神钢公司基于自主开发的机 液联合仿真平台，对挖掘机整个作业过程进行动态仿真模拟，通过虚拟操作，在 上位机上就可以实时得到系统的动态特性曲线，实时监控系统能耗，该系统不但 为评价现有液压系统的节能性，以及开发新型节能系统提供了很好的参考依据， 并且对于引导未来挖掘机行业仿真技术的发展指明了方向。图1 - 5 为神钢公司机 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 液联合仿真平台，在建立液压系统仿真模型的基础上，通过i 0 接口与机器的主 控制器及液压系统实测压力信号交换数据，在上位机上实时得到操作过程中的能 耗曲线，图1 - 6 为采用机液联合仿真平台分析得到的某型液压挖掘机液压系统能 耗分布图1 6 邶1 。 v i r t u a lo p e r a t i o no r a c t u a lm a c h i n ed a t a 图1 5日本神钢公司挖掘机液压系统能耗分析平台 r t m ei 图1 _ 6 某型挖掘机液压系统能耗分布图 1 6 论文研究的主要内容 综上所述，随着我国经济的高速发展，对于液压挖掘机的需求量越来越大， 与此同时，人们对于挖掘机的节能环保性也提出了更高的要求，采用仿真方法， 进行液压挖掘机的节能研究是近年来逐渐兴起的新技术。本课题以中型负流量控 制液压挖掘机为研究对象，运用机械系统动力学自动分析平台a d a m s 和多学科领 域复杂系统建模与仿真平台& m e s i m 对挖掘机液压系统进行建模与仿真研究，并 在此基础上研究液压系统能耗，开展节能优化研究。论文的研究内容如下： 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 、在查阅大量国内外相关文献的基础上，介绍了挖掘机液压系统及液压系统 仿真技术的发展现状，概述了国内外挖掘机液压系统能耗分析研究现状。 2 、深入研究分析了液压挖掘机负流量控制液压系统基本原理，组成液压系统 各主要部件的工作原理及内部构造；在此基础上，进行了挖掘机液压系统能量损 失方式和途径的研究，并对于负流量控制液压系统的节能性和功率损失进行深入 研究。 3 、基于a d a m s 多刚体系统动力学理论对液压挖掘机整机进行了动力学分析研 究，并运用a d a m s 平台建立了中型液压挖掘机整机动力学模型；基于流体力学理 论对挖掘机负流量控制液压系统进行了理论研究，并运用a m e s i m 平台建立了液 压系统各主要部件的仿真模型和整机液压系统模型，在此基础上，采用a m e s i m 和a d a m s 联合仿真的方法，建立了液压挖掘机整机机械一液压系统联合仿真模型。 4 、基于负流量控制液压挖掘机机械一液压系统联合仿真模型对挖掘机的空载 单动作工况进行了仿真与试验测试对比研究，验证了仿真研究的正确性，在此基 础上，基于仿真平台，对该型液压挖掘机进行了空载9 0 。装车典型工作循环仿 真研究，并研究了典型工况下挖掘机液压系统能耗分布，最后，基于仿真平台， 论文进行了挖掘机液压系统节能优化研究。 5 、进行了s w e 2 3 0 l c 液压挖掘机相关试验研究，包括单动作压力测试试验和 液压系统节能优化设计应用试验研究。 9 和k y b 公司生产的k v m g 系列多路阀组成的负流量控制液压系统，其部分液压系 统原理如图2 - 1 所示，两个泵p 1 ，p 2 组成交叉功率控制，泵排量变化受自身压力 与另外一个泵的压力共同作用，泵1 的液压油向回转马达，动臂和斗杆油缸供油， 泵2 的液压油向铲斗，动臂和斗杆油缸供油，因此动臂提升和斗杆内收外摆分别 由双泵合流供油，此外，动臂下降，斗杆内收和铲斗内收都有再生油路，加快了 动作速度。设置在多路阀中位回油通道上的负流量检测装置产生的反馈压力p s l 和p s 2 分别作用在两个泵的控制柱塞上，影响泵的排量变化，构成整机的负流量 控制液压系统。 图2 - 1s w e 2 3 0 l c 部分液压系统原理图 l o 中南大学硕士学位论文 第二章挖掘机负流量控制液压系统及能量损失分析 2 1 1 挖掘机负流量控制液压系统基本原理 图2 2 所示的是经过简化后的挖掘机负流量控制液压系统原理图。液压系统 工作原理如下：当操纵多路阀动作时，来自主液压泵的液压油流量场分为两部 分，一部分液压油流量场通过多路阀后进入执行元件做功，而另一部分液压油 流量则经过多路阀中位回油道流回液压油箱。在多路阀回油路上设置有一个 节流孔，在此节流孔前通过引出一条油路至液压泵的变量机构，从而将此节流孔 上的流量蜴的变化转化成为控制油压尸的变化，即可控制主液压泵排量。当多 路阀阀芯行程s 变小时，多路阀回油量场变大，负流量控制油路的油压p 增大， 泵的流量坼减小，反之，泵的流量坼将增大。当多路阀处于中位时全部流量流 回液压油箱，作用在液压泵变量机构有杆腔上的控制油压尸最大，泵的流量场减 到最小n 耵。图2 - 2 中的一表示负流量控制过程，而图则表示当多路阀阀芯 行程变化时液压系统的调速特性。 图2 - 2 负流量控制原理简图 2 1 2 液压泵原理及特性分析 本文所研究的负流量控制液压系统采用的k 3 v 系列双联泵，其液压原理如图 2 - 3 所示，该液压泵油两个完全相同的柱塞泵1 和泵2 组成，他们各自有一个独 立的调节器，调节器由伺服阀、控制活塞、功率控制柱塞、流量控制柱塞等零部 件组成，其具有以下控制特性。 中南大学硕士学位论文第二章挖掘机负流量控制液压系统及能量损失分析 图2 - 3k 3 v 双联泵液压原理图 ( 1 ) 恒功率控制 不管在任何情况下，为了使柴油机都能工作在最佳工况下，现代的挖掘机普 遍采用具有恒功率控制功能的液压泵，k 3 v 系列液压泵即为一种典型的恒功率控 制泵，我们知道，液压功率，为压力尸乘以流量q ，即坼= p q ，因此恒功率 泵总的输出功率理论上不受负载影响，维持恒定。在实现精确的恒功率控制中， 流量与压力的关系呈双曲线关系，即压力升高时，流量减小，如图2 4 ( a ) 所 示。但是事实上在液压挖掘机上，实现泵的精确的恒功率特性既不容易也没有必 要，k 3 v 系列液压泵采用的是近似的恒功率输出特性，其恒功率控制曲线是用两 根不同刚度的弹簧来近似实现的，如图2 4 ( b ) 所示。 q q 珊l q 。血 0 ( 2 ) 总功率控制 p d p p ( a ) 图2 4 泵的恒功率控制曲线 1 2 ( b ) 中南大学硕士学位论文第二章挖掘机负流量控制液压系统及能量损失分析 k 3 v 双联泵中的两个液压泵各自配置有一个调节器，两个液压泵输出的压力 油分别进入到自泵调节器上功率控制柱塞的环行腔和另外一个液压泵调节器功 率控制柱塞的小端面腔，因为功率控制柱塞上的小端面腔面积与环行腔面积相 等，所以两个液压泵压力的变化对调节器的推动作用效果是一样的，在不考虑负 流量控制的前提下，这种控制效果将使得两个液 压泵的斜盘摆角始终是相等的，即输出流量相等。 由上面的分析可知，液压泵输出流量的变化是由 两个液压泵工作压力之和y p = 毋+ 最决定的，p 对于这种控制方式而言，只要满足 2 p o ：p 2 己。，双泵的功率总和将始终维持在 恒定值，而不会超过柴油机的输出功率，有利于 在图2 - 3 中，对泵1 ( p 1 ) 而言，从多路阀中 位回油路上的节流孔反馈回来的负流量控制压力 q p s l 作用