（机械制造及其自动化专业论文）挖掘机多路阀系统节能控制研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 液压挖掘机是一种大功率设备，其节能性的好坏直接影响了设备使用的 经济性和可靠性。国外挖掘机节能技术主要体现在对柴油机、液压泵和主阀 的综合控制上，而国产挖掘机在此方面刚处于起步阶段。采用阀控节能控制 技术的研究是液压挖掘机机电一体化技术的发展趋势，本文针对液压挖掘机 阀控节能精确控制与设计：在设计好初步的液压系统之后，进行精确的控制 设计，使用p i d 控制方式，达到运动的精确快速，在流量饱和的情况下能较 好的进行流量分配和功率利用。 本文首先介绍了挖掘机液压系统的基本回路，然后对回路进行功率损失 进行分析，为后面设计挖掘机液压回路提供了方向。 通过对挖掘机一般系统进行了分类，在针对挖掘机功率利用率进行液压 系统方案的设计。从技术要求分析，到动力和运动分析，确定液压缸参数编 制工况图，拟定液压系统原理图到最后的选择液压元件、辅件这一套完整的 设计流程，对挖掘机功率匹配系统设计提供了一种思路。 在初步的系统设计之后基础上对其阀控系统进行优化改进，使其具有良 好的操作性和节能性，并用a m e s i m 仿真验证表明，综合采用以上各种措施， 具有良好的节能效果和经济性，在国内有较高的推广价值。 关键词：液压挖掘机 节能仿真多路阀 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t h y d r a u l i ce x c a v a t o ri sak i n do fc o n s t r u c t i o ne q u i p m e n tw i t hh i g hp o w e r a n dt h ee n e r g ys a v i n gc o n t r o l sw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h ee c o n o m i c sa n dr e l i a b i l i t y o ft h ee x c a v a t o r a ta b r o a de x c a v a t o re n e r g y s a v i n gt e c h n o l o g i e sm a i n l yi n d i e s e le n g i n e s ，h y d r a u l i cp u m p sa n dt h em a i n c o n t r o lv a l v e ，a n dd o m e s t i c e x c a v a t o rj u s tb e g a ni nt h i sr e g a r d t h es t u d yo fv a l v ee n e r g y 。s a v i n gc o n t r o l t e c h n o l o g y o fh y d r a u l i ce x c a v a t o ri st h ed e v e l o p m e n t o fm e c h a t r o n i e s t e c h n o l o g yt r e n d s ，t h i sp a p e ri s f o rp r e c i s ev a l v ec o n t r o lo fe n e r g y 。s a v i n g d e s i g nh y d r a u l i ce x c a v a t o r sa n d ：f r o mt h ei n i t i a ld e s i g no f t h eh y d r a u l i cs y s t e m t ot h ed e s i g no fp r e c i s ec o n t r o l ，w i t ht h eu s eo fp i dc o n t r o l ，t oe x e r c i s ev a l v e p r e c i s e l ya n df a s t f l o ws a t u r a t i o nc a nb eb e t t e rd i s t r i b u t i o nw i t hh ig hp o w e r u t i l i z a t i o nr a t i o f i r s to fa l lt h i sp a p e rd e s c r i b et h eb a s i cc i r c u i tf o rh y d r a u l i ce x c a v a t o r s y s t e ma n da n a l y s i st h ec i r c u i t sp o w e rl o s s w h i c hm a k et h ee x c a v a t o r h y d r a u l i cc i r c u i td e s i g nt o w a r d s t h er i g h td i r e c t i o n t h e nc l a s s i f yt h eg e n e r a le x c a v a t o rs y s t e m s ，d e s i g n i n gh y d r a u l i cs y s t e m a f t e rt h ec o m p a r i s o no ft h e i ru t i l i z a t i o nr a t e s f r o mt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s a n a l y s i s ，p o w e ra n dm o t i o na n a l y s i s t od e t e r m i n et h e p a r a m e t e r so ft h e p r e p a r a t i o no fh y d r a u l i cc y l i n d e r c a s ed i a g r a m ，s c h e m a t i cp r e p a r a t i o no ft h e h y d r a u l i cs y s t e m t ot h ef i n a ls e l e c t i o no fh y d r a u l i cc o m p o n e n t s a n d a c c e s s o r i e s ，w h i c hc o m p l e t ead e s i g nf l o w t h i sd e s i g nf l o wp r o v i d e sa t r a i n o ft h o u g h tf o rt h ep o w e rm a t c h i n ge x c a v a t o rs y s t e md e s i g n a f t e rt h ef o u n d a t i o no ft h ei n i t i a ld e s i g n ，i m p r o v i n gv a l v es y s t e mt o o p t i m i z ei t so p e r a t i o na n de n e r g yc o n s e r v a t i o n a n da m e s i m s i m u l a t i o ns h o w e d t h a tac o m b i n a t i o no ft h ea b o v eh a sag o o de n e r g ys a v i n ge f f e c ta n de c o n o m y , t h e r ei sah i g h e rv a l u eh a v eah i g h e rp r o m o t i o ni nt h ed o m e s t i c k e yw o r d s ：h y d r a u l i ce x c a v a t o r ；s i m u l a t i o n ；e n e r g y s a v i n g ；m u l t i p l e w a y d i r e c t i o n a lv a l v e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得西南科技大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：罔宁日期：1 。哆，f 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定。) 签名：罔宇导j 币签名：凇么日期： 6 。g 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1液压挖掘机节能控制系统研究的重要性 进入新世纪，我国国民经济持续高速增长，然而能源短缺的问题却日益 成为制约我国国民经济增长的一个瓶颈。国际石油资源越采越少，价格越来 越高，我国的能源供应相当紧张。世界性的能源紧张已经导致了越来越多的 国际争端和社会问题，节能问题也已经不仅仅是部分科学技术人员应该考虑 的事了，它已经深入到每个人的日常生活当中。液压系统的能源利用率很低， 众所周知，液压能是靠原动机转换成机械能再转换成液压能的，几次转换能 量损失较多，加之液压传动本身的效率就低，例如最优良的柱塞泵和柱塞马 达的总效率最高也只有0 9 ，如果用两者组成系统，由于系统并不一定能在 最高效率下工作，并考虑系统的其他损失，有的系统效率只有o 5 左右甚至 更低，如果加上电能一一机械能一一液压能转换过程中的损失，则液压传动 系统的能源利用率实际只有o 3 左右，甚至更低。 而在工程机械中液压系统运用广泛，尤其是挖掘机在工程机械中占有相 当大的比重，它是土石方开挖的主要设备，在工业与民用建筑、矿山采掘、 水利电力施工、交通运输、农机工程、油田建设、港口建设和军事工程施工 等各类工程中都有着广泛的应用。据统计，工程施工中约有6 0 左右的土石 方量是靠液压挖掘机完成的【l 】。今年虽然持续金融危机，但是各挖掘机生产 厂家却影响不大，由于桥梁公路需求较大，2 月份小松在国内销售达到了1 6 0 0 多台，其后的三一重工也有8 0 0 多台，今年预计挖掘机的销量还将继续增加， 几年内中国将成为世界上最大的挖掘机市场和产地【2 】。但是同时我国挖掘机 行业整体水平相对落后、制造工艺水平低、技术条件差，加上挖掘机作业条 件比较恶劣，载荷变化大，工人野蛮操作，使得挖掘机利用率降低和使用寿 命减少，加上液压系统的消耗使得整个系统能量损失更为严重。目前我国正 在进行大规模的基础设施建设，液压挖掘机虽能进行大功率、高灵敏度的各 种作业，但其能量的总利用率不到1 5 ，巨大的能量损失是的节能技术成为 衡量液压挖掘机先进的重要指标1 3 j 。 1 2液压挖掘机功率自适应控制节能技术的现状与发展 随着机械和电子技术的迅速发展，新的控制技术和控制理论的研究，以 及新的液压元件的诞生，越来越多的液压挖掘机控制技术被大量运用，使液 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 压挖掘机由简单的杠杆操作发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电 气操纵、无线电遥控、电子计算机综合控制等，新的节能控制系统的研制和 使用，也取得了良好的控制效果和社会效益【4 1 。 1 2 1国内控制节能技术 我国的液压挖掘机生产起步较晚，从1 9 5 4 年抚顺挖掘机厂生产第一台容 量为1 m 3 的机械式单斗挖掘机至今，大部分产品与发达国家相比，节能效果 仍较落后【5 】。目前，国内液压挖掘机许多仍然采用非电控制节能装置。对机 电一体化技术应用比较成熟的地方仅仅在工况故障报警方面，而节能控制、 半自动操纵、遥控等机电一体化技术与国外相比还有相当大的差距，尤其是 在商品化生产方面差距更大。由于国内长时间不能提供高质量、高性能的基 础配套件，如柴油机、液压元件等，再加上自改革开放以来挖掘机市场的迅 速扩大和需求的多样化，许多挖掘机生产厂家纷纷采取了合资或引进国外先 进技术等方式，通过数年的消化吸收和移植，使国产液压挖掘机产品的节能 指标全面提高到一个新的水平。 贵州詹阳机械工业有限公司生产的j y 3 2 0 型履带式液压挖掘机，采用了 日本川崎公司k m x l5 r 型多路阀和k 3 v 11 2 k t - 15 l r 液压泵，通过对旁路回 油路上对液压油流量的检测，控制泵的排量与旁路回油流量成负线性的关系， 从而减少旁路回油功率损失，同时，多路阀上还设有势能回收油路，以吸收 动臂、斗杆下降时的势能。 玉柴工程机械公司试制出两台w y 2 0 y c 具有一定机电一体化水平的 液压挖掘机。其柴油机和液压系统等主要部件均是进口件，增强了挖掘机的 工作可靠性。其双泵系统与m e c 机械电子控制系统相结合，使挖掘机具有 交叉功率调节、正向控制、三档功率预选、自动降速、自动降档、故障监测 和系统状态的液晶显示及蜂鸣报警等功能，可以使发动机的功率最大限度地 得到利用，减少发热，降低能耗，提高泵和液压元件的使用寿命。但由于成 本较高，推广有一定难度。此外，上海铁道大学的宋又廉、张谦等人提出了 一种能感受负载的节能液压系统。该节能液压系统能时刻根据负载情况调整 泵的压力和流量，使油泵流量恰好满足负载变化要求，而油压仅比负载压力 略高一较小值，达到降低液压系统能量损失的目的。但此项目的研究仍在进 行中。虽然国内在挖掘机节能控制方面的研究已经有了良好的开端，但是由 于受到经费、设备及其它方面条件的制约，目前国内还没有开发出性能优良、 具有自主知识产权的液压挖掘机节能控制系统。在国家对基础设施的投资大 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 幅度增加的今天，液压挖掘机的需求量越来越大，而挖掘机用户的要求也越 来越高，另一方面，国内挖掘机厂家也强烈地受到国外先进挖掘机的冲击， 迫使它们必须加快产品的更新换代，提高产品的水平和质量，以高质、高效 的产品去参与市场竞争。因此，对于节能技术比较落后的国内挖掘机，必须 加大节能控制研究的力度，努力赶上或超过世界先进水平。 1 2 2国外控制节能技术 工业发达国家的挖掘机生产较早，在美国、德国、口本、法国、俄罗斯 等挖掘机生产国家，主要生产斗容量3 5 4 0 m 3 的机械式或液压式单一斗挖 掘机，大型挖掘机已十2 0 世纪8 0 年代开始生产。各种各样的挖掘机节能控 制系统也层出不穷，不但提高了液压挖掘机的生产效率，降低了油耗，也改 善了操作员的作业环境，提高了机器的自动化程度【6 】【7 】【8 】。 下面介绍几个在液压挖掘机上应用成功的控制系统： ( 1 )日本小松公司的c l s s ( c l o s e dc e n t e rl o a ds e n s i n gs y s t e m ) 闭 式负载感应系统由变量泵、多路操纵阀、负载传感阀( l s 阀) 和液压泵控制 阀( p c 阀) 等组成。l s 阀依据液压泵的出口压力与操纵阀的出口压力之差 p l s 来控制液压泵的输出流量。p c 阀根据柴油机不同级别的功率设定，使 液压泵的驱动功率不超过发送机功率，实现恒功率控制。电子控制系统的控 哺0 功能主要有：液压泵与柴油机的复合控制、液压泵与操纵阀的控制、触式 功率增强功能、触式速度下降功能、自动减速功能、柴油机自动加热和过热 防止功能、回转控制、行走控制、快速模式功能、快速增加功率和自诊断功 能。该系统的特点是：1 ) 调速特性不受负载变化的影响，容易实现精细作业； 2 ) 复合操作时，具有依照各个操纵阀开口面积决定流量分配的特性。该系统 具有良好的节能效果，不但减少了能量的损失，降低了挖掘机的平均耗油量， 使其燃油节省了2 3 ，而且还消除了作业装置的滑移和噪声现象，同时延长 了液压油的使用寿命。 ( 2 )k a t o 公司的a p c ( 自动输出功率控制) 系统所控制的双泵能 根据负载的大小自动调节液压泵的压力和流量，百分之百地利用柴油机输出 功率，以适应各种作业工况。根据作业内容与现场状况，始终使柴油机输出 转矩与液压泵供油量处于最佳匹配状态。 ( 3 )日立建机公司的转速感应系统能根据负载( 土质、作业速度) 的 情况，由驾驶员给定其功率模式一轻载、正常和重载模式，系统自动调节柴 油机油门开度和液压泵的排量，通过柴油机一液压泵的联合调节，使液压泵 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 的吸入功率等于柴油机的输出功率，同时使柴油机工作在最佳工作点。采用 该系统不仅能获得较高的工作效率，而且能降低燃油的消耗量和噪声【9 】。 ( 4 )韩国大宇的e p o s 系统 目前，韩国大宇在中国投产的大宇挖掘机一型普遍采用了新型电子动 力优化系统一e p o s ( e l e c t r o n i ep o w e ro p t i m i z i n gs y s t e m ) ，该系统通过e p o s 一i 控制器( 微处理器) 实现对发动机、液压泵和控制阀的电子控制，使挖 掘机具有了动力模式、作业模式、回转优先功能、自动怠速、自动变速和防 过热等功能。由于这些机电一体化技术的应用，使挖掘机提高了作业效率和 操纵性能，降低了油耗，延长了使用寿命。 ( 5 )k o b e l c o 公司的i t c s 电子控制系统具有三种工作模式：模糊 控制模式、手动模式和破碎机模式。模糊控制模式是优先考虑工作效率的模 式，i t c s 系统采用模糊推理，可识别挖掘及装载、平整、夯实、撒土等作业 内容并自动对其进行辅助，使柴油机输出功率达到最佳化，发挥出最大工作 效率，最大限度节约燃油。手动模式优先考虑工作能力的重挖掘模式，能最 大限度发挥柴油机的功率以提高作业能力。破碎机模式可在驾驶室内将液压 泵流量设定为破碎机所需的流量。当进行破碎以外的操作时恢复至通常状态。 该系统还具有自动怠速、自动暖机等功能。 ( 6 )林德公司的负载传感同步控制系统( l s c ) 是林德公司专门为挖 掘机设计的液压系统。其核心是一个主泵( 开式负载传感泵) 和一组带压力 补偿功能的主阀组。主阀组为闭中心结构。主泵只向各执行元件提供需要的 流量，没有多余的流量输出，因而没有溢流损失；当所有执行元件无动作时， 主泵排量基本回到零位，有效降低燃油消耗。该控制系统除了具有功率模式 选择、过热保护、自动怠速、自动暖机等功能外，还具有柴油机失速补偿功 能。 ( 7 )上述节能控制系统的工作原理都大同小异，有的是变量泵一发动 机的共同控制系统，有的仅仅是变量泵的控制系统。但它们的目的都是为了 节能，而且各种节能控制系统都有较好的节能效果。 1 3 本论文主要研究内容 与国外相比，国内工程机械生产厂家在挖掘机动力系统方面所做的研究 不多，导致国内产品在技术上与国外存在巨大差距。根据目前国内外挖掘机 节能控制的发展状况，确定本课题研究内容如下： 本论文研究的主要内容包括： 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 1 )液压挖掘机能量损失分析：挖掘机一般的液压回路进行分类为压 力控制回路与速度控制回路。在回路分析之中寻找主要能量损失之处，归结 为，元件与功率匹配的损失。 ( 2 )液压挖掘机节能系统设计：挖掘机一般分为定量和变量系统，选 定一般系统进行挖掘机整机的液压系统设计，包括技术要求，动力和运动分 析，确定液压缸参数，编制工况图，拟定液压系统原理图，选择液压元件、 辅件。 ( 3 )液压挖掘机阀控节能精确控制与设计：在设计好初步的液压系统 自后，进行精确的控制设计，使用p i d 控制方式，达到运动的精确快速。 ( 4 )液压挖掘机阀控功率自适应系统：首先介绍了传统负载传感控制 系统理念，并提出了功率自适应节能改进的方法，配合仿真证实。 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 2 液压系统功率损失分析 2 1挖掘机液压系统的基本回路分析 挖掘机液压传动系统主要由动臂、斗杆、铲斗及相应的液压缸组成，并 且采用液压分配器及各种控制阀来控制各机构的运动。利用液压泵将原动机 的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各 种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件( 缸和马达) 把液体压力能转换 为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动和回转运动。液压挖掘机 液压系统中基本回路有限压回路、卸荷回路、缓冲回路、节流回路、行走回 路、合流回路、再生回路、闭锁回路、操纵回路等【l o 】【1 1 1 。 2 1 1 压力控制回路 ( 1 ) 限压回路 图2 - 1 限压回路1 、2 限压阀 f i g 2 1 p r e s s u r eii9 1 i t i n gc ir c u i tp r e s s u r e ii m i t i n gv a i v e1 ，2 液压挖掘机限压回路利用限压阀( 图2 1 ) ，并联在执行元件的进油和回 油路上，限制液压缸、液压马达在闭锁状态下的最大闭锁压力，超过此压力 时限压阀打开、卸载，保护了液压元件和管路免受损坏，这种限压阀实际上 起了卸荷阀的作用。 ( 2 )缓冲回路 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 4 v 5 a a v 。 v 卜一_ 晰委j2 l 一 。a。j h 、i 矿v 6 l_ j 7 1 abc 例x ：l fi ：一 p l td 图2 - 2缓冲回路 f i g 2 - 2 b u f f e rc ir c u i t 液压挖掘机满斗回转时产生的液压冲击会使整个液压系统和元件产生振 动和噪音，甚至破坏。挖掘机回转机构的缓冲回路就是利用缓冲阀等使液压 马达高压腔的油液超过一定压力时获得出路。图2 2 为液压挖掘机中比较普 遍采用的缓冲回路j 回转马达油路之间并联有成对的单向阀4 、5 和6 、7 ， 回转马达制动或换向时高压腔的油经过单向阀5 、缓冲( 限压) 阀2 流回油 箱，低压腔从油箱经单向阀6 获得补油。回转回路中的缓冲( 限压) 阀实际 上起了制动作用，换向阀1 中位时回转马达两腔油路截断，只要油路压力低 于限压阀的调定压力，回转马达即被制动，其最大制动力矩由限压阀决定。 ( 3 ) 闭锁回路 图2 - 3小松p c 2 0 0 闭锁回路 f i g 2 - 3 k o m a t s u sp c 2 0 0l o c kc ir c u i t 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 挖掘机闭锁回路使动臂工作时停留在一定的位置上保持不下降，因此设 置了动臂支持阀组，如图2 3 所示，二位二通阀在弹簧力的作用下处于关闭 位置，此时动臂油缸下腔压力油通过阀芯内钻孔通向插装阀上端，将插装阀 压紧在阀座上，阻止油缸下腔的油从q 至a ，起闭锁支撑作用。当操纵动臂 下降时，在先导操纵油压p 作用下二位二通阀处于相通位置，动臂油缸下腔 压力油通过阀芯钻孔油道经二位二通阀回油，由于阀芯内钻孔油道节流孔的 节流作用，使插装阀上下腔产生压差，在压差作用下克服弹簧力，将插装阀 打开，压力油从a 至q 1 2 j 。 2 1 2 速度控制回路 ( 1 )节流回路 节流调速是利用节流阀的可变通流截面改变流量而实现调速的目的，通 常用于定量系统中改变执行元件的流量。这种调速方式结构简单，能够获得 稳定的低速，缺点是功率损失大，效率低，温升大，系统易发热，作业速度 受负载变化的影响较大。液压挖掘机的工作装置为了作业安全，常在液压缸 的回油回路上安装单向节流阀，形成节流限速回路【l3 1 。为了防止动臂因白重 降落速度太快而发生危险，其液压缸大腔的油路上安装由单向阀和节流阀组 成的单向节流阀。此外，斗杆液压缸、铲斗液压缸在相应油路上也装有单向 节流阀。 ( 2 )行走限速回路 履带式液压挖掘机下坡行驶时因自重加速，可能导致超速溜坡事故，且 行走马达易发生吸空现象甚至损坏。因此应对行走马达限速和补油，使行走 马达转速控制在允许范围内。行走限速回路是利用限速阀控制通道大小，以 限制行走马达速度。比较简单的限速方法是使回油通过限速节流阀，挖掘机 一旦行走超速，进油供应不及，压力降低，控制油压力也随之降低，限速节 流阀的通道减小，回油节流，从而防止了挖掘机超速溜坡事故的发生。 ( 3 ) 合流回路 为了提高挖掘机生产效率、缩短作业循环时间，要求动臂提升、斗杆收 放和铲斗转动有较快的作业速度，要求能双( 多) 泵合流供油。如图2 4 为 阀内合流的再生回路，油道在内部沟通，外面管路连接简单，但内部通道较 复杂，阀杆直径的设计要综合平衡考虑各种分合流供油情况下通过的流量。 合流阀合流是通过操纵合流阀实现油泵的合流，合流阀的结构简单，操纵也 很方便。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 - 4再生回路 f i g 2 - 4r e g e n e r a t i v ec ir c u i t ( 4 ) 再生回路 动臂下降时，由于重力作用会使降落速度太快而发生危险，动臂缸上腔 可能产生吸空，所以目前挖掘机采用再生回路，如图2 4 所示，动臂下降时， 油泵的油经单向阀通过动臂操纵阀进入动臂油缸上腔，从动臂油缸下腔排除 的油需经节流孔回油箱，提高了回油压力，使得液压油能通过补油单向阀供 给动臂缸上腔。这样当发动机在低转速和泵的流量较低时，能防止动臂因重 力作用下迅速下降而使动臂缸上腔产生吸空。 2 2液压系统功率损失分析 在上一节所描述的各种基本回路中，挖掘机液压系统功率损失主要是元 件之间或与负载匹配的损失。 2 2 1控制元件能量损失 ( 1 )方向阀换向或制动过程中的损失 功率损失：当执行元件的惯性很大时，在换向或制动过程中原高压油腔 的压力油和执行机构的惯性都迫使执行元件继续运动，同时压入回油腔的油 液使回油腔的压力增高，油液在此高压作用下将从液压阀的开口缝隙中挤出， 液阻增加，从而使执行机构的惯性能变为热能，使系统油温升高。该过程时 间短暂，但在一些换向频繁、负载惯性大的系统中，其产生的热能十分可可 观，是系统发热的主要因素1 4 】 1 5 】。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图2 - 5采用六通阀的液压系统图 f i g 2 5s i x w a yv a i v eh y d r a u ii cs y s t e md ia g r a m 旁路损失：液压挖掘机上多采用六通型多路阀作为液压系统换向和流量 控制元件如图2 5 ，用定量泵或变量泵供油。在这种系统中，阀口上的功率 损失主要包括旁路空流损失和旁路节流损失。当阀心处于中位时，a 、b 口 关闭，d 口全开，全部液压油通过d 口卸荷回油箱。由于存在回油背压( 约 为2 m p a 3 m p a ) 因此造成旁路空流损失。对工作装置进行操纵时，多路阀a 、 b 口逐渐打开，d 口逐渐关闭，需要利用d 口的旁路节流作用使系统压力升 高，。以克服负载压力，从而造成功率损失。当系统压力超过负载压力后，单 向阀打开，液压油开始流入工作油缸，通过改变a 、d 口的通流面积比来实 现液压缸的速度调节。直到d 口全部关闭，旁路节流损失才会消失，在无溢 流的情况下液压系统保持较高的效率。 ( 2 )压力阀的溢流损失 当液压系统工作压力超过溢流阀的开启压力时，溢流阀开启，液压泵输 出的油液的全部或部分通过溢流阀溢流。系统中绝大部分液压油为主油路所 用，而主油路溢流阀多数在高压下才能溢流，故当系统出现液压油全部经过 高压溢流阀溢流时，其温升很明显，是系统效率降低的直接原因。如果采用 恒功率变量泵，当这种情况发生时，泵工作点相当于图2 - 6 中的a 点，阴影 面积相当于溢流功率损失，它等于发动机的额定功率。挖掘机在工作中，由 于工况的复杂性，经常处于过载状态，由于系统溢流而产生的功率损失就相 当可观了。除过载产生的溢流损失外，系统中还存在他形式的溢流损失【l6 1 。 例如在挖掘机回转马达中，通常都设置平衡阀( 由两个溢流阀组成，见图2 7 ) ， 一方面在启动时限制回转压力，另一方面在制动时起耗能作用并对马达起到 西南科技大学硕士研究生学位论文第11 页 p c 0 p o h p 图2 - 6系统过载时的溢流损失及压力切断 f i g 2 - 6s p ii i i o s s e sa n ds t r e s sc u to f fa tt h et i m eo fo v e r i o a d 图2 - 7回转马达中的平衡阀 f i g 2 - 7 b a i a n c ev a i v einr o t a r ym o t o r 1 背压阀，2 回转马达 1b a c k p r e s s u r ev aiv e ，2r o t a r ym o t o r 图2 - 8小松p c 2 0 0 型挖掘机背压回路 fig 2 - 8k o m a t s up c 2 0 0e x c a v a t o rb a c k p r e s s u r ecir c uit 补油作用。回转启动时，由于挖掘机上车巨大的转动惯量，回转马达不能完 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 全吸收泵输出的流量，多余流量只能通过平衡阀溢流回油箱，造成功率损失。 制动时，回转多路阀关闭，但同样由于上车巨大的的转动惯量，使回转 马达继续转动( 相当于液压泵) ，排出的液压油经平衡阀到回转马达的另一边， 因此平衡阀起到溢流阀的作用，将上车的动能转化为液压系统的热量而耗散。 ( 3 )背压阀的能量损失 在执行元件的回路上常设且背压阀，用以保证执行机构运动更加平稳， 满足性能要求。如图2 8 ，液压系统中的回油经背压阀流回油箱，并产生 o 8 1 0 m p a 的补油压力，形成背压油路，以便在液压马达制动或出现超速时， 背压油路中的油液经补油阀向液压马达补油，以防止液压马达内部的柱塞滚 轮脱离导轨表面。由于背压越大，能量损失也越大，系统发热就越严重。所 以，为减少背压引起发热，应合理确定背压阀的开启压力。 2 2 2 其他元件能量损失 ( 1 )管道压力能量损失 根据统计，中小型液压挖掘机的压力损失在8 0 0 3 0 0 0 k p a 之间，个别 高达4 0 0 0 k p a ，而流量损失约为总流量的5 - 2 0 1 1 7 18 1 。 在压力管路中的液体流动速率的稳定和不稳定两种状态下，造成在液体 流动时产生能量损耗机理不同。液体在稳定流动状态下能量损耗，一是由于 液体在管路中相对运动、二是由于管路内表面粗糙度和管路横截面的变化、 三是由于流动方向的变化。液体在不稳定流动状态下能量损耗是由于在系统 工作时，各元件的瞬间开启和关闭，引起流量变化造成的压力损失以及可压 缩流体的能量损耗。 节能与减少压力损失是分不开的。在液压挖掘机中，局部损失是主要损 失，必须加以重视。在液压系统设计过程中，尽量避免不必要的节流，减少 管接头和管道截面突变，提高管道内壁的加工质量，采用集成化液压元件等， 都可使压力损失减少。 ( 2 )泵能量损失 液压泵在工作过程中存在两种能量损失：因泄漏而产生的容积损失和因 摩擦而产生的机械损失。液体在泵内流动时，液体的粘性会引起转矩损失， 此外泵内的零件相对运动时，机械摩擦也会引起转矩损失。 ( 3 )执行元件能量损失 液压缸主要损失为摩擦热耗，包括活塞的密封和导向环与缸体内壁的摩 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 擦以及前端盖密封和导向环与活塞杆的摩擦。 液压挖掘机的动臂在提升过程中将液压能量转换为势能。下降时为了防 止动臂下降过快，在油路上安装单向节流阀，使动臂在下降过程中产生阻尼 作用，从而将势能转换为热量，造成部分能量损失。同样，斗杆在类似的操 作过程中也会产生动能和势能损失。 2 3 功率匹配损失 2 3 1柴油机与泵匹配时的能量损失 由柴油机的万有特性曲线可知，当要求柴油机在输出等功率曲线上可得 到无数个不同转速和转矩组合的工况点。在这些工况点中，有些燃油消耗率 g e 较高，有些较低，其中必有一条等燃油消耗率曲线与此等功率曲线相切， 相切处的工况点n e ( m e ， 1 e ) 的燃油消耗率g e 最低。此点即为与功率n e 相 对应的柴油机最佳油耗点。将不同功率下的最佳油耗点光滑连接可得到柴油 机的最佳油耗线，如图2 9 所示。 主量 冀孽 宝。 =n 袋骚露一 - - i - 一- 一卜- 4 - - 一一- - i - - - - 4 - - - i - - 墨 爨 耄 甓 嚣 参 12 n n1 4 0 0 1 6 0 0l s 0 0 n n n 紫浊机转速倦【佃旧 图2 - 9柴油机最佳损耗图 b e s tl o s sf i g o fb i e s e ie n g i r e 如果柴油机在任何工况下都能工作在最佳油耗线附近，则柴油机的燃油消耗 始终最低。挖掘机作业时负载变化较大，但驾驶员又不便经常改变油门的大 小，液压泵的工况并不总是恰好使柴油机工作在最佳油耗线附近，柴油机经 常工作在低效区。其次是柴油机的空载损失。当柴油机高速空载时，造成燃 彻 嘈 r 2 g l工 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 油浪费并且加速柴油机和液压泵的磨损。【1 9 】 2 0 1 2 3 2动力回路控制与负载的匹配时的能量损失 目前在液压挖掘机上应用比较多的液压控制回路是负荷传感控制、负流 量控制等泵控系统。这些泵控系统最终都是以调节液压泵的排量来实现的。 而要想实现液压泵与发动机的匹配就要不断调节泵的排量。因此负荷传感控 制、负流量控制等泵控系统与液压泵和发动机匹配控制系统在调节时是相矛 盾的。针对这种矛盾有研究提出在实现“液压泵一一发动机”环节功率匹配 的情况下针对“动力回路一一负载”环节不再依靠调节泵的排量来实现液压 回路与负载的匹配而是调节阀的开度改变执行机构的速度来调节负载吸收的 功率使得负载吸收的功率始终接近液压泵吸收的发动机功率【2 。在实现全功 率匹配的情况下，虽然降低了系统的功率损失，但是不能实现挖掘机动力系 统与作业工况相匹配，如果工作负载较轻，但是动力系统工作点选择不合适， 则会使发动机工作在低效区，从而不能达到其他节能措施的最终节能效果 2 2 1 。 2 4本章小结 本章首先介绍了挖掘机液压系统的基本回路分为压力控制和速度控制回 路。压力控制回路分为g 限压回路、缓冲回路、闭锁回路。速度控制回路分 为：节流回路，行走限速回路、合流回路，再生回路。 对挖掘机液压系统基本回路的分析，说明挖掘机系统损失主要是功率匹 配损失的问题，在柴油机与泵的功率匹配日渐成熟，管路设计程序可控化的 情况下，控制元件的损失造成了动力回路控制与负载的不匹配，成为了挖掘 机液压系统的首要损失原因。控制元件的能量损失分为： ( 1 )方向阀换向与制动过程中的损失。由于目前国内市场大部分仍然采 用负流量控制方式，所以在方向阀换向时，总存在旁路损失，并且由于操作 方式的不得当，导致系统发热量增大。 ( 2 )压力阀的溢流损失。目前国内的同等吨位的安全压力阀设置基本相 同，负流量的控制情况下，必然导致功率一刀切，在不回收的情况下照成大 量损失。 ( 3 )背压阀的能量损失。由于国内挖掘机采用的背压阀质量参差不齐， 导致回油过程中，回油能力降低，导致背压增大，影响了挖掘机的正常使用， 是例如：行走跑偏，左右泵流量相差太大之类挖掘机故障的主要原因。 西南科技大学硕士研究生学位论文第15 页 3 液压挖掘机功率匹配系统分析与设计 3 1 液压挖掘机系统分类 挖掘机液压系统作为主机的重要组成部分，经历了相当长的一段发展过 程。在国外，8 0 年代以前液压挖掘机主要采用的都是定量泵。到了8 0 年代 初期，随着机电一体化技术在挖掘机上的应用，首先考虑的是提高液压挖掘 机的工作效率，减少燃油消耗，最先改进的是将定量泵改成变量泵，使发动 机在较好的状态运行。到8 0 年代后期，液压系统的发展已较为成熟，因而液 压挖掘机上采用了更多新的控制方法和手段。 液压挖掘机的液压系统主要有定量系统和变量系统两种【2 3 1 。考虑到经济 性等原因，目前定量系统仅用于小型和少量中型液压挖掘机上，大部分中型 和几乎全部大型液压挖掘机上广泛采用的是变量系统。 3 1 1定量系统 图3 - 1定量系统 f i g 3 1 o u a n t i t a t iv es y s t e m 在定量系统( 图3 1 ) 中，由于流量固定，当外载荷小时，不能增大流 量，提高作业速度，功率不能充分利用；而当外载荷大时，又不能减小流量， 提高转矩，以克服尖峰载荷。因此，为了保证主机工作，定量系统的发动机 功率主要根据主机最大外载荷和正常作业速度来确定，在一般情况下，功率 有很大贮备，但挖掘机正常作业时，平均外载荷只有最大外载荷的5 0 6 0 ， 西南科技大学硕士研究生学位论文第16 页 也即发动机功率实际上只利用了5 0 6 0 。对于单泵定量系统，当多个执行 机构同时动作时，负载压力不同，而液压泵此时工作在最大负载压力之下， 造成低压油路上的功率损失。当负载流量低于液压泵的输出流量时，多余的 流量流回油箱，同样造成功率损失。图3 2 为其特性图。 q n 图3 - 2单泵定量系统的特性 f i g 3 - 2 t h ec h a r a c t e ris t i c so fq u a n t i t a t i v es i n g i e - p u m ps y s t e m 3 1 2 变量系统 由于定量系统存在上述无法解决的问题，2 0 世纪6 0 年代出现了变量泵 系统并在欧洲生产的液压挖掘机上开始应用。变量系统保留了传统的系统回 路和换向阀，具有随负载的变化而自动改变液压泵排量的特点，自从应用后 便迅速取代定量泵，目前大、中型挖掘机液压系统的主油路基本上都采用变 量泵供油【2 们。随着液压技术的发展，针对挖掘机作业循环中的各种动作，以 提高复合动作的准确性为目的，后来的中型吨位挖掘机普遍采用了双泵双回 路变量系统【2 引。 p n 图3 - 3单泵变量系统特性 f i g 3 - 3s i n g i ep u m pv a r ia b i es y s t e mc h a r a c t e r is t i c s 西南科技大学硕士研究生学位论文第17 页 以单泵变量系统为例，图3 3 为单泵变量系统的特性曲线，压力p 和流 量q 的变化如a b c d 线段所示，其中a b 直线段由系统安全阀的调定压力决 定，c d 直线段由液压泵最大摆角限定，b c 曲线为恒功率特性曲线( 对应右 图e f 线) ，在此范围内，压力p 和流量q 的乘积理论上为常数。由此，变量 系统具有： ( 1 )作业速度与作业力之间可以自动调节，外负载小时，可以减小作 业力，增大作业速度，提高生产率；外负载大时，可以降低速度，增大作业 力，克服大负载。 ( 2 )液压泵经常在满负载状态工作，发动机功率利用比较充分。通过 容积变量可实现无级调速，此性能在挖掘机中被广泛采用。 单斗液压挖掘机的变量系统大多是双泵双回路，根据两个回路的变量是否有 关连而分为分功率变量和全功率变量。 a ) 系统原理图1 调节器2 位移传感器3 电控液压泵 b ) 系统特性 图3 - 4系统原理图 f i g 3 4 s y s t e ms c h e m a t i cd i a g r a m 分功率变量系统( 如图3 4 ) 的每台液压泵1 和2 各有一个功率调节机 构3 ，液压泵的流量变化只受该泵所在回路压力变化的影响，而与另一回路 的压力变化无关，也就是两个回路的液压泵各自独立地进行恒功率变量调节。 设置、最和q 、绞分别为两台泵的压力和流量，则总功率o 为： n o = l + 乞= 只q + 最q 2 ( 3 1 ) 而 1 n l = n 2 = 去o ( 3 - 2 ) z 式中l ，2 一一两台泵的功率。 西南科技大学硕士研究生学位论文第18 页 只有当两个回路的压力p 都处在调节范围内( 只 p 尸眦) 才能利用全部功 率，假使一条回路的压力很低，超出调节范围以外，则该回路的功率( 丢o ) 就不能利用。 a ) 系统原理图1 调节器3 电控液压泵b ) 系统特性 图3 - 5系统原理图 全功率变量系统如图3 - 5 就是两个液压泵1 、2 由一个总功率调节机构3 来平衡调节，使两泵的摆角始终相同，实现同步变量。因此，两泵流量相等， 即q 1 = 伤。决定液压泵流量变化的不是一条回路的工作压力鼻或忍单个值， 而是系统的总压力p = 置+ 芝，只要满足条件2 p o 尸 2 ，就能充分 利用发动机全部功率( 图b ) ，且每台泵的输出功率与其工作压力成比例。全 功率变量系统在变量范围以内，总功率。是： h o ：堕只+ 堕只 ( 3 3 ) 2 2 。 q 一一两台泵输出的总流量；只一一第一回路的系统工作压力：最一一第二 回路的系统工作压力； 3 。1 3系统功率利用比较 定量系统的发动机功率要按最大外负载来定，而变量系统的功率决定于 平均负载。当作业速度相同时，同等级挖掘机采用定量系统所需功率约由于 定量系统存在上述无法解决的问题，2 0 世纪6 0 年代出现了变量泵系统并在 西南科技大学硕士研究生学位论文第19 页 欧洲生产的为变量系统的1 3 1 4 倍，而功率利用率平均约为6 0 ：变量系 统在变量范围内理论上可得到1 0 0 的功率利用。 图3 - 6 是功率相等的定量系统和变量系统的功率、流量随压力变化的曲 线，n 为功率，p 为压力，q 为流量。由图可见，若系统最大压力厶。相同， 由于变量系统有一个恒功率段a b ，其功率曲线o a b 优于定量系统的功率曲 线o b 。 n 0 q 图3 6定量系统和变量系统的功率、流量变化曲线 f i g 3 - 6 0 u a n t i t a t i v es y s t e m sa n dv a ria b i