（机械工程专业论文）zl50轮式装载机液压系统节能技术与应用研究.pdf

摘要 摘要 随着工业技术的发展，能源短缺的问题将日趋严重。工程机械作为能源消耗 的一部分，对于节能技术有新的要求。装载机是工程机械中主要的铲土运输机械， 保有量大，应用广泛。z l 5 0 装载机作为装载机的典型产品，对其进行节能技术研 究不仅具有重要的理论指导意义而且还具有重要的工程应用价值。 本文首先介绍了国内外轮式装载机的发展现状，特别是信息技术，微电子技 术，人机工程学等技术在装载机上的应用，并对国内外装载机节能技术的研究现 状进行了详细阐述。 其次，对z l s o 装载机现行液压系统，包括装置液压系统，转向液压系统进行 了详细介绍。对转向液压系统匹配进行了分析研究，由负荷敏感柱塞泵和负荷传 感转向器组成的负荷敏感转向系统，能够自动将负载需要的流量，压力信号反馈 到泵的变量机构，在保证转向器流量优先的情况下使变量泵的输出流量压力与负 载需要的流量压力相匹配：动态信号负荷传感转向器是实现节能的有效手段。 然后以提高负荷传感转向器的容积效率，降低局部压力损失，降低压力冲击 为目的，在设计和工艺方面采取了如下措施。主要内容包括阀体功能阀一体化设 计，阀体热能去毛刺工艺，降低阀体的阀套和阀芯摩擦副间隙，降低表面粗糙度 等措施，及转子卸荷槽加工。 最后，提出了对z l 5 0 型装载机液压系统的节能改进方案。 关键词：装载机；负载敏感；液压系统；节能； 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r y ，e n e r g ys h o r t a g ep r o b l e mw i l lb er a i s e d a s c r i t i c a lf a m i l yo fe n e r g yc o n s u m e ，c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yn e e dd e v e l o pn e wt e c h n i c a l i ne n e r g ys a v i n g w h e e ll o a d e ri st h em a i ns p a d i n gm a c h i n eo fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y ， q u a n t i t yi sl a r g e & a p p l i e di nb r o a da r e a a st y p i c a lf a m i l yo fw h e e ll o a d e r ，r e s e a r c ho n z l 5 0w h e e ll o a d e re n e r g ys h o r t a g ep r o b l e mh a sg r e a tt e c h n i c a ls i g n i f i c a n c e & g r e a t e i l 西n e e r i n ga p p l i c a t i o ns i g n i f i c a n c e f i r s t l y ，t h i st h e s i ss t u d yi n t r o d u c e sc u r r e n ts i t u a t i o no fw h e e ll o a d e rd e v e l o p m e n t b o t ha td o m e s t i ca n da b o a r d ，i n c l u d i n gi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，m i c r o e l e c t r o n i c t e c h n i q u e ，e r g o n o m i c s u s e do nw h e e ll o a d e r s ，b e s i d e s ，c u r r e n ts i t u a t i o no fe n e r g y c o n s e r v a t i o nt e c h n i q u e & a p p l i c a t i o ni sa l s oi n t r o d u c e d s e c o n d l y ，c u r r e n th y d r a u l i cs y s t e mo fz l s oi si n t r o d u c e di nd e t a i l ，w h i c h c o n t a i n sw o r k i n gd e v i c eh y d r a u l i cs y s t e m ，s t e e r i n gc o n t r o ls y s t e m a n a l y s i ss t e e r i n g c o n t r o lh y d r a u l i c ss y s t e m sm a t c h l o a ds e n s i n gp u m p & l o a ds e n s i n gs t e e r i n gc o n t r o l u n i tt ol o a ds e n s i n gs t e e r i n gh y d r a u l i c ss y s t e m , s i g n a l ss u c ha sf l o wt h a tl o a dr e q u i r e d & p r e s s u r ec a nf e e db a c kt ov a r i a b l ed i s p l a c e m e n tp u m p ，f i r s te n s u r es c uf l o w r e q u i r e m e n ta n da l s ok e e po u t p u tf l o wa n dp r e s s u r ef i tt h er e q u i r e m e n to fl o a d d y n a m i c a ls i g n a ll o a ds e n s i n gs t e e r i n gc o n t r o ls y s t e m sa p p l i c a t i o ni si m p o r t a n tm e t h o d f o re n e r g yc o n s e r v a t i o n t h e ni no r d e rt oi m p r o v ev o l u m ee f f i c i e n c yo fl o a ds e n s i n gs c u ，r e d u c ep a r t p r e s s u r ed e c r e a s e ，a n dp r o t e c tp r e s s u r es h o c k ，d oa c t i o ni ns i d eb o n ld e s i g n & m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s m a i nc o n t e n ti n v o l v em u l t iv a l v ef u n c t i o nh o u s i n gd e s i g n , h o u s i n gt h e r m a ld e b u r r i n gp r o c e s si nu s e ，d e c r e a s ec l e a r a n c eo fs p o o la n d s l e e v e ，d e c r e a s ep a r t sr o u g h n e s s & s t a rd i s c h a r g eg r o o v em a c h i n g f i n a l l y ，i tp o i n t so u te n e r g yc o n s e r v a t i o np r o j e c to fz l 5 0w h e e ll o a d e r k e y w o r d s 1w h e e ll o a d e r , l o a ds e n s i n g ，h y d r a u l i c ss y s t e m ，e n e r g ys a v i n g i i i i v 山东大学硕士学位论文 。 c o n t e n t c o n t e n t a b s t r a c t i 1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1s t u d yb a c k g r o u n d 1 1 1 1s i g n i f i c a n c e 1 1 2d o m e s t i c & a b r o a dd e v e l o ps i t u a t i o no fw h e e ll o a d e r 2 1 2 1a b r o a dd e v e l o ps i t u a t i o no f w h e e ll o a d e r 2 1 2 2d o m e s t i cd e v e l o ps i t u a t i o no f w h e e ll o a d e r 8 1 3e n e r g yc o n s e r v a t i o nc u r r e n ts i t u a t i o no fw h e e ll o a d e r 9 1 3 1 e n e r g yc o n s e r v a t i o no f w h e e ll o a d e ra b r o a d 9 1 3 2 e n e r g yc o n s e r v a t i o no f d o m e s t i c w h e e ll o a d e r 1 0 1 4m a i nc o n t e n to f t h i st h e s i s l 1 2z l s ow h e e ll o a d e rh y d r a u l i c ss y s t e m sa p p l i c a t i o n & s t u d y 13 2 iz l 5 0w h e e ll o a d e rh y d r a u l i c ss y s t e m 1 3 2 2w h e e ll o a d e rw o r k i n gd e v i c eh y d r u l i c ss y s t e m 1 4 2 3w h e e ll o a d e rs t e e r i n gh y d r u l i c ss y s t e m 15 2 3 1s t e e r i n gp u m p 1 6 2 3 2f u l lh y d r a u l i cs t e e r i n gg e a r 1 7 2 3 3e n e r g ec o n s e r v a t i o no fc o m b i n a t i o no fd i f f e r e n ts t e e r i n gg e a ra n d d i f f e r e n th y d r a u l i cv a l v e 2 3 2 3 4p f i o f i t ) ，v a l v e 2 4 3e n e r g yc o n s e r v a t i o nm e t l l o d so f h y d r u l i c ss t e e r i n gs y s t e m 2 7 3 1l o a ds e n s i n gs t e e r i n gs y s t e m 2 7 i v 山东大学硕士学位论文 3 1 1 l o a d s e n s i n gs t e e r i n gs y s t e mw o r k i n gp r i n c i p l e 2 8 3 1 2 d y n a m i ca n ds t a t i cl o a ds e n s o rs i 鄹i a ls y s t e m 3 0 3 2l o a ds e n s i t i v ef l o wa m p l i f i c a t i o ns t e e r i n gs y s t e m 3 2 3 2 1s t r u c t u r e so fl o a ds e n s i t i v ef l o w a m p l i f i c a t i o ns t e e r i n gg e a r 3 2 3 2 2c h a r a c t e r i s t i c so fl o a ds e n s i t i v ef l o wa m p l i f i c a t i o ns t e e r i n gg e a r 3 3 3 3 q u a n t i t a v ep u m p & l o a ds e n s i n gv a r i a b l ed i s p l a c e m e n tp u m p 3 3 4e n e r g yc o n s e r v a t i o no fm a n u f a c t u r et e c h n o l o g ym e t h o d s 3 7 4 1l i m i t a t i o no fa x i a la n dd i a m e t r a lc l e a r a n c e 3 7 4 1 1l i m i t a t i o no f c l e a r a n c ea n de n e r g yc o n s e r v a t i o n 3 7 4 2s c us p e c i a ld e s i g n & m a n u f a c t u r i n g p r o c e s si nu s e 3 8 4 2 1b 4 5f a m i l ys c us p e c i a ld e s i g n 3 8 4 2 2s c uh o u s i n gt h e r m a ld u b b r i n gp r o c e s s 4 1 4 2 3s p o o l & s l e e v es p e c i a ld e s i g na n dp r o c e s s 4 2 4 2 4u n l o a d i n gs l o td e s i g na n ds p e c i a ld e s i g no fs p 0 0 1 4 7 4 3 c h a p t e rs u m m a r y 4 8 5z l 5 0h y d r a u l i c ss y s t e mi m p r o v e m e n t 4 9 5 1s y s t e mi m p r o v e m e n tp r o j e c t 4 9 5 1 1d o u b l ep u m pf l o wc o m b i n e 4 9 5 1 2l o a ds e n s i n gp u m pi nu s e 51 6 c o n c l u s i o n & p r o s p e c t 5 3 r e f e r e n c e 5 5 第1 章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 本课题研究意义 第1 章绪论 装载机是一种重要的具有铲、装、运、卸等功能的工程机械，并有效率高的 特点。它可以挖、铲、装、运松散的堆积物，同时对场地进行平整处理，更换部 分部件后还可用于起重或棒料的装卸。因此，被广泛地应用在各种工程建设的现 场，同时改善了劳动条件、保证了施工质量并在降低成本的前提下，提高了效率。 1 9 6 6 年厦门工程机械厂及柳州工程机械厂试制成功了z 4 3 5 装载机，1 2 月份 在天津完成了部级鉴定，这拉开了我国装载机行业形成和发展的序幕。1 9 7 0 年， 柳工和天津工程机械研究所共同研制了z 4 5 0 铰接式装载机( 后来的z l 5 0 ) ，并于 1 9 7 1 年1 2 月在柳州生产出我国第一台铰接式轮式装载机。我国装载机行业虽然起 步很晚，但在消化和吸收引进技术的基础上，装载机行业发展迅速，于1 9 7 8 年产 量突破1 0 0 0 台，1 9 9 2 年突破1 0 0 0 0 台，1 9 9 3 年到达1 7 0 0 0 台以上，这些数据 都是装载机行业迅速发展的见证。进入2 l 世纪之后，我国装载机行业发展更加迅 速，2 0 0 8 年销量1 7 2 万台，2 0 0 9 年受经济危机影响销量仍达1 5 万，并于2 0 1 0 年到达2 2 4 万台，同比增幅超过了5 0 ，2 0 1 1 年1 - 8 月份，我国境内2 9 家主要 装载机制造商累计销售装载机1 7 4 万台，同比增长1 6 3 2 。 因此我国装载机市场保有量巨大。根据中国工程学会资料，2 0 1 0 年国内装载 机现保有量超过1 0 0 万台，其中z l 3 0 和z l 5 0 装载机占9 0 以上，z l 5 0 装载机占 到6 0 。 我国经济的快速增长伴随着巨大的资源和环境代价，经济发展与资源、环境 的矛盾日趋尖锐。近年来，国家积极倡导“低碳生活 ，坚持节能减排，保护生 态环境，改善现有人居环境，寻求经济可持续发展。 为推动节能减排，国家要求在2 0 1 0 年1 0 月1 日前，非道路机械车柴油机制 造销售实现国i i 标准排放。根据当前形势，可以预见在未来几年国家将会出台更 严格的排放标准。与此同时，国家加大了对新能源的投资，尤其是发动机新能源 l 山东大学硕士学位论文 的使用。在国家的节能减排目标之下，工程机械行业向低碳经济的转型成不可逆 转之势，而工程机械节能型产品正日益走俏。 如临工l g 9 5 3 l 自2 0 0 9 年投放市场以来，迅速得到用户的认可，目前保有量 已超过1 4 0 0 台，创造产值3 5 0 0 0 万元。按照平均节油1 2 计算，每台车每年节约 燃油3 6 4 万元，如在国内推行该技术，每年可为中国装载机用户节省使用费用5 0 亿元，为国家节约燃油8 0 万吨，具有显著的经济效益和社会效益。 由于实际工作过程中负载的变化很频繁，且变化的范围较大，因此液压装载 机存在严重的功率损失。分析得到其主要原因在于液压系统的功率损失和发动机 和液压系统之间的功率匹配问题。因此现在的液压节能控制系统大多是对由发动 机和液压系统组成的系统进行控制。 长期以来装载机液压系统发热问题一直以来是人们难以解决好的问题，较多 的能量损失转化为热能。尤其对于大型装载机，转向工装装置及工作装置占有很 大的功率比例。因此，控制液压系统能量损失是至关重要的，液压系统的节能问 题也就成了提高装载机性能主题。装载机目前年产量超过2 0 万台，6 0 0 , 6 以上是5 t 装载机，因此z l 5 0 装载机的液压系统节能技术与应用研究有重要意义。 1 2 国内外轮式装载机的发展现状 1 2 1 国外轮式装载机的发展现状 国外的轮式装载机技术始于2 0 世纪3 0 年代，到9 0 年代时已经相当成熟。信 息技术的突飞猛进更是加速了装载机技术的发展，出现了以微电子和信息技术为 基础的各种控制和管理系统，提高了装载机设计、生产、监测监控和维修等方面 的智能化。特别是装载机控制系统的发展不仅简化了操作、提高了工作效率，还 通过充分利用燃料减少了对环境的污染。 以下为国外装载机方面的一些新技术、结构以及其发展趋势。 1 2 1 1 信息技术及微电子技术在装载机中的应用 发动机管理系统是将电子计算机应用到发动机的控制中。它能根据装载机不 同的工作载荷来调节相应参数，改变发动机的输出功率，从而使发动机的动力与 2 第l 章绪论 装载机的需求相匹配，这样在减少能量损失，节约燃料的同时通过使发动机在额 定负载下工作，延长了发动机的使用寿命。 例如，某装备了由电脑控制的柴油机电子驱动系统的装载机，其4 个驱动轮 在电脑的控制下又可作为制动器，通过将输出功率反馈给发动机控制系统，改变 转速，从而提高能量利用率和工作效率，使牵引效率达到7 7 ( 比普通装载机高 出1 7 个百分点) 。卡特彼勒公司的c a t 3 5 1 6 型柴油发动机就安装有h e u i ( 电控喷 油系统) 装置和a d e m ( 先进的柴油机管理) 系统，它可根据外载荷对发动机的功 率与转速进行控制，这样不仅可以节约燃料，还可以减少尾气排放、噪声，从而 减少对环境的污染。 卡特彼勒公司在90 年代初研制出了cat9 66f 型轮式装载机，一年之 后，又诞生了一款cat98 0f 型轮式装载机，它的特点是，其斗容量和功率 均增加了，而且其性能、可靠性均有较大改善。之后，不久，另一款更大的ca t9 94 式轮式装载机又问世了，其特点是，能够依据物料的体积、质量，在l 8 301 t i 的范围内任意选择铲斗，本款装载机的重量达1 7 0 吨，发动机选用涡 轮增压cat 3 516 型的柴油发动机，从而达到了大牵引力、加速性能优越的 特点；另外，本款装载机的动臂属于加长型动臂，装载能力不俗，可以装载重达 2l8t 的自卸汽车。 综合多用机一般采用了八杆式平行举升机构，以及传统的z 连接结构。承受 的扭矩、载荷均有限。卡特彼勒公司对此结构进行了较大改进，研制出了组合式 八杆机构。这种结构除了承受扭矩、载荷的能力有较大提升外，其另一个令人侧 目的特点就是具有极佳的可靠性。并且，驾驶室的前端视野更加开阔，是更加人 性化设计。其另一特点是，将重物举升时，重物移动过程中是平行移动，另外， 本款装载机将原有的快速连接器以及塔架式机构设计成了同一个工作装置，辅助 机构可以快速切换，高效率的完成各种作业，可以快速实现多种功能，卡特彼勒 生产的装载机的另一特点就是传动系统属于液力传动，它的变速箱能够自动实现 传动比的切换，节省了能量，并且操作更加方便简单。转向系统所用的液压系统 属于负载敏感液压系统。另外，卡特彼勒最近还研制出了一种转向变速集成系统， 其特点是转向、换挡均在同一手柄上进行，较大的提升了操作方便性以及工作效 率装载机上装有限位装置，在举升极限时起限位作用，并且工作装置放下后，可 以自动定位。 3 山东大学硕士学位论文 上世纪九十年代，国外装载机的一个重要发展成果就是引入了计算机技术对 装载机进行管理与监控。计算机系统可以对装载机的各项参数进行监控，并且能 够自诊断，报警，提示故障点等功能，同时随时对设备运行数据进行记录、存储。 并随时显示其工作状态。其中，比较典型的是卡特彼勒公司开发的c m s 电子监控 系统，在g 和s 型号装载机上进行应用。能够实时显示系统的工作参数，比如油 温，液压系统压力，工作状态是否正常等等。在设备发生故障时，还可以进行报 警，并显示故障信息。c a t9 5 0 g 计算机监控系统是卡特彼勒公司在1 9 9 8 年研制成 功的一款机载配套智能检测系统，其中包含可以诊断和维修的c a t 软件包，在做 出诊断的同时可以随时记录，并做成履历表，还可通过无线传输功能将数据发送 到主控中心进行分析检测。 为了监控和分析装载机的工作状态，沃尔沃( v o l v o ) 公司的l 系列装载机上 同样安装有一种m a t r i s 软件包；其小型装载机上配有由液晶显示屏和键盘组成的 电子伺服控制及信息系统( e s i s ) ，这些系统可以用来显示和记录多项信息及参 数。 凯斯( c a s e ) 公司2 1 b 、c 系列装载机上也安装有计算机监控系统，司机座椅 的右侧安装有微处理器，而且同样具有工作状态液晶显示和故障诊断功能。 1 9 9 9 年阿特拉斯( a t i l a s ) 公司推出的5 5 、6 5 、7 0 和8 0 型装载机配备有a d s 系统，这个系统可以提供故障类型、原因等重要技术信息，同时提示何时需要进 行维护保养。 上世纪9 0 年代末，国外装载机上大多安装有电子自动换挡变速控制系统，这 一系统类似于卡特彼勒公司的系统。控制系统中有一个微处理器( c p u ) ，它能够 把从发动机油门等部位收集到的各种数据加以处理之后，送到微处理器进行分析， 这样可以使得变速箱在适当的时候自动换挡，从而使停车时间进一步减少。最终 达到降低燃油消耗率1 5 的目的，从而大大的提高作业效率和作业经济性。与此 同时，它能够通过减少因行驶方向改变或因发动机处于高转速时换挡所造成的换 挡冲击而减轻司机的工作疲劳。 根据负载状态，负载感应变速控制系统能够自动调节车速及发动机飞轮扭矩， 从而实现实现高速小扭矩或低速大扭矩的动力输出，该系统同样安装于西德蔡特 曼公司的z l l 8 0 1 和z l 2 0 0 2 型装载机上。根据作业时负荷对动力的需求情况，该 系统中的负荷传感器能够转换全部或部分动力；而在没有负荷时，负荷传感器能 把信号反馈到供油系统，使得供油量减至最小，从而减少燃油消耗量和作业过程 4 第l 章绪论 中的液压损失，综合节能达到1 0 一1 5 ，通过有效分配发动机功率而提高整机 经济性。 通过该系统，装载机对动力的需求可以减少客观的量。例如，其转向所需动 力仅为0 2 h p ；其工作装置的液压系统处于最大压力状态时所需动力仅为0 7 h p 。 上世纪九十年代末，转速变速集成控制系统( s t i c ) 开始应用于部分装载机 上，它将转向和变速操纵集成在一个操作手柄上，从而取消了传统的方向盘和变 速操作杆，并且采用相对更加简单的触发方式控制开关和换挡用的分装式加速按 钮。系统的转向功能是通过肘节的自然动作左右搬动操纵手柄来实现的，同样它 能够利用大拇指选择换挡按钮以实现前进与后退、加速与减速行驶，从而极大地 简化了操作。 卡特彼勒公司9 5 0 g , 上配用的名为命令控制系统( c c s ) 的转向变速集成系统 是由液压回路与机械反馈系统构成，在转向时，方向盘仅仅转动半圈，就能实现 转向。提高了控制精度和控制快速性。 1 2 1 2 改进动臂及其工作装置的结构 进入9 0 年代后期，在设计装载机时，其工作装置已经不再单纯的采用z 行连 杆机构，著名的卡特比勒公司成功的开发出了八杆平行举升连杆机构并将之用在 了i t 综合多用机上，这之后，卡特彼勒公司又在其9 9 2 g 等轮式装载机上采用了 单铸钢动臂的v e r s a 连杆机构，这种机构有很高的可靠性和耐用性，其举升性能 可以与举升机构相媲美，并且还能承受比较大的扭矩。能以水平位置举升或者是 下降托板上的物料，还能配备许多的作业装置，追求极大的减少产斗由地面到最 大高度时角度的调整。 沃尔沃公司推出了一项专利产品叫做扭矩平衡连杆机构并将其用在自己公司 研发的l 5 0 0 - l 2 2 0 d 等d 系列装载机上，这使得整个铲斗在举升循环中能够获得更 大的举升能力和倾覆力，这就保证了装载机不仅在配用铲斗时，而且在配用叉、 吊等其它工作装置时都具有优良的作业性能。 德国o & k 公司在其小型装载机上装有自己设计的l e a r 连杆，s c h a f f 公司在 2 0 0 0 年3 月份推出了具有可折叠式新型连杆机构的高卸位式s k l 8 7 3 型轮式装载 机，这进一步增加了装载机工作装置的种类，提高了其作业的适应性和多用性。 5 山东大学硕士学位论文 近几年来，为了使司机更能有效地在装载机上进行对辅助系统的操作，国外 装载机公司做了大量的工作，其中用计算机编制作业循环就是一种。将电子计算 机可编制作业循环程序应用到轮式装载机上，能实现铲装作业自动化或部分自动 化，大大减少了司机的操作。 凯斯公司2 1 b 、c 系列装载机上装有计算机监控系统，其中有一个信息记录装 置，在其作业时会记录装载机的作业时间、牵引力、行驶速度、熄火及点火启动 次数等有一些助于计算装载机完成某项任务时作业效率的有关信息，提供重要的 信息。 德国的汉诺马格公司在其大中型装载机上装有a l s 系统，即负荷自动稳定系 统，本系统可以使装载机不会因为自身重量变化导致铲斗在工作时工作高度发生 变化，本系统中，在装载机前车架上安装有一对钢膜氮气储能器，并使之与装载 机的动臂油缸联通，根据装载机的工况，该系统可以实现几秒钟内自动接通或者 是断开。如果车速超过4 8 k m h ，电子速度传感器就会发出信号，控制电磁阀使 其开启，这时压力储能器就会与动臂油缸提升四路接通，进入液压系统的冲击载 荷以及产生的振动就会被储能器吸收；当装载机进行作业或者是低速行驶时该系 统会自动断开。通过这样的调节作用会使得装载机有更好的安全性、舒适性和稳 定性。 还有一种类似的系统称作a r s ，即形势平稳性自动控制系统。这种系统将一个 氮液储能器通过管道与装载机动臂提升油缸的大腔相连，通过氮液储能 器将工作装置液压回路中的振动冲击吸收掉，这样能够较好地减小装载机在高速 行驶时产生的颠簸，能够保证铲斗内物料的完好性，适合远距离的装运作业以及 转换场地时的行驶过程中。 日本小松公司制造的w a 5 0 0 3 应用一种类似的系统，称为电控悬挂系统 ( e c s s ) ，这种系统由四部分组成：主监控器、e c s s 开关、高低压储能器、压力 速度传感器。配有这种系统的装载机能够根据自身形式的情况产生控制信号，从 而降低车体在告诉行驶时产生的摆动；能够通过电控悬挂系统提供数值方向的伸 缩性，减少从铲斗中掉落的物料，提高物料在运输过程中得保持性；同时还能够 降低4 0 卜5 0 纵向垂直方向的低频振动h 1 。 6 第l 章绪论 1 2 1 3 直观控制器 卡特彼勒公司通过人机工程学的研究应用简化并改进了司机对机器的操作， 该公司研制了一种直观控制系统。该系统应用于工程机械操作的选择控制，可按 照司机的意愿对工程机械进行直观的控制。例如，需要铲斗翻转时只需转动控制 柄，而当需要移动铲斗动臂时只需要向相应的方向移动拉手便可。这种系统的应 用可以降低对操作者的技术经验的要求，即使没有学过装载机操作的人员也可以 通过两三个作业循环学会操作。 1 2 1 4 电子计量器 应用于需要计费物料铲装工作的电子称量装置的主要组成部分有：带电子显 示屏的微处理器、安装在动臂油缸回路中的负荷传感器、位置传感器、打印机等。 电子称量装置的称重误差可小于3 。工作时，电子称量装置通过动态的测量提升 油缸的液压来进行称重，可实现在物料铲装和连续提升的过程中进行称重、采集 信号，并通过电子称智能地进行数据的计算处理和编辑打印。 1 2 i 5 人机工程学和3 d 技术在改善操作者操作环境中的应用 以人为本的理念成为装载机设计制造的一个新要求，近几年国外一些装载机 公司着重为司机营造一个安全舒适的操作环境，力争达到一种全自动化的操作硷1 。 大中型装载机极大程度上提高了作业的安全性和舒适性：驾驶室普遍配有空调和 a m f m 立体声收音机，有的甚至还装有网络电话等通讯设施；司机座椅可实现全方 位调节，甚至可以媲美轿车的舒适程度，座椅两边还设有放置饭盒和水杯的储物 槽；安全方面驾驶室采用防尘、隔离、减震的材料以及翻车保护机构( r o p s ) 和落 物撞击保护机构( f o p s ) 。 目前，国外多功能物流装备及其相关技术正日益的完善，并朝着系列化、大 型化、微型化、多用途等方向发展。国际知名厂商( 如山猫，凯斯，卡特彼勒、小 松、利渤海尔、沃尔沃等) 则应用电子监控和自动报警系统，用于物料精确装、载、 运作业的g p s 定位与重量自动称量装置；- n 采用特殊降噪材料、有效抑制噪声 的方法等，这些方法能够有效的降低甚至消除装载机在工作时的噪声：三则通过 7 山东大学硕士学位论文 对电喷装置的改进进一步降低柴油发动机所排放的尾气量，设计制造经济型、环 保型的动力装置；四则优化工作装置的结构设计，如由单一的“z 型连杆机构演 变出八杆平行机构、t p 连杆机构和“e r a s l i n k 机构( 单动臂铸钢结构) ，以及o k 公司专为小型多功能装载机而设计的l e a r 连杆机构等，为了提高装载机的作业生 产率，相继研制出许多功能超强的系统，例如：动力电子控制管理系统，自动调 节发动机输出功率；发动机自动控制系统，当装载机处于非作业工况是，自动降 低发动机转速，减少燃料消耗及发动机噪音；关键信息显示系统等口】。 1 2 2 国内轮式装载机的发展现状 我国目前装载机行业主导产品然停留在国际6 0 年代的级数水平，基本上都是 由7 0 年代初柳工开发的z l 5 0 发展起来的。8 0 年代通过对美国卡特彼勒和日本小 松的先进技术的学习，我国装载机行业逐步开发研制了第二代产品，然而第二代 产品与国外的先进技术相比还是有较大差距，主要体现在机电一体化控制、操纵 舒适程度、作业效率、产品可靠性等方面，其中产品可靠性的差距最为严重，国 产多功能装载机整机可靠性差( 平均无故障工作时间不足4 0 0 小时) ，缺乏核心技 术、主要关键部件都依赖进口、产品单一，产品档次低。虽然国内装载机及相关 技术研究工作起步较晚，但是发展速度很快，如多功能装载机的销售量已经占据 了世界装载机市场的半壁江山，我国已成为世界多功能装载机第一产销大国。经 过多年的发展，质量水平不断提高，已经形成独立的产品系列和行业门类。 目前我国装载机行业已经出现了第三代产品。通过整体可靠性的提高，我国 装载机行业的第三代产品的主要性能指标已经基本能够与国际水平接轨，但是在 舒适度、制造水平、作业效率等发面和国外先进水平还有很大差距。在第三代产 品的基础上第四代产品逐步提高了装载机整体的性能及配置，应用了湿式制动器、 电控箱等技术，各制造企业也形成了各自的专有技术并申请专利，产品向高品质、 舒适化、智能化方向发展，最终使得我国的装载机市场充满了生机与活力。h 】【钉 6 3 8 第1 章绪论 1 3 装载机液压系统节能研究现状 1 3 1 国外装载机节能技术研究现状 国外在节能方面的研究早已开始，且有的已趋成熟，并已经将其成果应用在 各种工程机械上，节能效果显著。综观国外节能控制研究现状，目前，在工程机 械上已成功应用的节能控制系统主要有：日立建机的e l s s 系统、韩国大宇的e p o s 系统、日本小松的c l s s 系统。 另外主要的节能降耗系统还有：一种是以沃尔沃建筑设备的l 2 2 0 f 为代表的油 电混合动力装载机；一种以卡特彼勒9 5 0 h 装载机为代表，通过优化供油系统与发 动机转速匹配，辅助以“发动机空转管理系统”，使燃油雾化程度得到提高，燃 烧更充分、更高效，可节油2 0 - 3 0 。在国内，这两种技术所开发的产品必然价 格高昂，目前市场接受度有限。 m o r i y a 等n 1 研究分析液压回路用于旋转型挖掘机，提出使用流量检测元件将 多路换向阀的回油流量转换成压力信号作用在负流量控制机构上，并通过维持旁 、路节流口的流量恒定来调节液压泵排量大小。k a m a d a 等1 深入研究应用于液压传 动机械的控制装置，指出可根据控制液压缸运动速度的操纵手柄引出的液压油控 制信号来控制多路换向阀的开口量，并通过梭阀的选择来控制正流量泵的排量，。 使正流量泵的排量与多路换向阀的开口量成正比。h e n k erw 旧1 定义了负载敏感控 制液压系统，其指能自动地将压力或流量变化的信号传递到负载敏感变量泵的变 量控制机构，使变量控制机构的压力参量发生变化，从而调整负载敏感变量泵的 排量，达到减少了流量损失及压力损失的系统。k r n shp 等n 们研究设计负荷传感 控制液压系统的压力补偿，指出压力补偿控制是实现各动作流量分配和准确控制 的保证，并根据压力补偿在回路中的位置将其分为阀前补偿、阀后补偿、回油补 偿。l a n t t o n 对负载敏感液压系统的稳定性和系统多负载之间的影响做了详细的 研究。p a o l oc a s o l i n 羽根据c a s a p p as p a 生产的阀描述了一个负载敏感阀的详 细的数学模型，忽略流量的动态影响研究表明，连接到阀两端的压差必须恒定， 实验结果表明，压差主要影响因素是通过阀的流量大小。 9 山东大学硕士学位论文 1 3 2 国内装载机节能技术研究现状 目前国内对装载机节能控制的研究仍处于初级阶段，其主要原因是由于国内 能生产具有节能功能的液压泵和多路阀的企业很少，客观上严重制约了我国液压 装载机节能技术发展。而且即使引进国外先进的液压元件，但因缺少配套的元件 和相关技术，再加上其高昂的价格和技术的封锁，使许多工厂最终只能选择放弃。 虽然如此，但国内一些单位或个人在这方面仍然取得一定的研究成果，如： 王桂民n 3 1 对5 0 型装载机转向液压系统节能进行探讨，对比分析负荷传感转向 系统和流量放大转向系统的功率损失，指出流量放大转向系统是目前国内装载机 定量系统中较为节能的系统。李晶洁、贾跃虎、孙志慧n 邮将a i o v s o 系列负载敏感 变量泵应用到z l 5 0 装载机工作装置液压系统中，并在不同的工况下对该液压系统 进行了节能分析与功率损失计算，结果证明其驱动的装载机工作装置液压系统的 功率损失较少。张海洋n 耵研究并简述了国内外工程机械应用的液压系统节能措施， 同时指出了液压系统节能发展趋势，提出工程机械节能重点应体现在整机作业性 能、可靠性、使用寿命等多种因素的综合指标。盖军衔n 6 3 对配置优先阀和配置等 值卸荷阀的两种双泵合流系统进行节能效果的分析计算和试验，得出后者能将定 量泵的配置实现变量的效果进而真正达到节能效果的结论。王庆丰、张彦廷、肖 清n 刀对比了串联和并联混合动力在工程机械中的节能效果，并分别将马达能量回 收、单独驱动、电动机直接驱动回转和进出口独立调节等节能措施与并联混合动 力系统相结合，进行了燃油消耗论计算和节能效果的评价，其结论对工程机械的 节能研究具有指导意义。陈丰峰、柴光远、郑大腾n 8 1 介绍了液压装载机节能控制 的国内外研究现状，论述了负荷传感控制和微机控制在节能上的典型应用，分析 了节能控制的发展趋势。强宝民、肖晟n 们深入分析液压系统的工作效率和能量损 失的原因，提出了设计系统时要选用高效率的液压源，合理选用液压元件和正确 设置管路，合理选择液压油，并积极采用新技术、新材料以达到节能的目的。赵 波等啪1 对挖掘机中液压系统的节能效果进行了分析，指出了传统的恒功率控制技 术在挖掘机满载工作条件下能够充分地利用发动机的功率；负流量控制、负荷传 感控制大大减小了挖掘机在超载时、微动操作及换向阀处于中位时的能量损失。 刘世亮”分析从理论建模和数学仿真两方面分析比较传统挖掘机回转液压系统与 负载敏感回转液压系统在效率、能源方面的区别，并得出当挖掘机工作装置受力 为阻性负载时采用有杆腔进油、无杆腔回油的连接方式有较小的压力损失的结论。 1 0 第1 章绪论 李晶洁担2 1 从液压泵与负载匹配的角度出发，运用液压系统仿真软件a m e s i m 和动力 学仿真软件a d a m s ，根据8 5 6 1 i i 轮式装载机的设计任务及主要参数设计了装载机 工作装置负载敏感液压系统。杨力夫等他3 1 以轮式装载机为研究对象，分析装载机 作业过程中的能耗损失，开发提出轮式装载机的并联式液压混合动力节能方案， 并通过仿真和试验研究验证液压混台动力装载机的节能潜力。邓斌等m 1 详细介绍 比较了装载机变量液压系统与定量系统，并利用重庆邦助工业公司的l s 川k s 8 负 荷敏感式变量柱塞泵对z l 3 0 机型原液压系统进行了改造，发现系统的效率和整机 工作性能得以提高，并且降低了油温。刘彬乜朝指出减少动臂下降过程中节流损失 是装载机节能重要方面，并针对这一过程对液压系统做了改进，采用普通手动控 制和先导控制两种形式，并对此进行详细的分析。 目前国内装载机行业在扩大生产规模的同时，也在产品节能投入了很多的研 究并加以应用，a 公司等液压配套厂也提出更多的液压解决方案。负荷敏感变量柱 塞泵实现国内的批量生产也正逐步应用于国内装载机；以a 公司b 4 5 为代表的集 成阀式的高性能转向器从试制到批量生产；新工艺设备的应用使转向器的配合元 件精度得以保证，如具有c 轴功能的数控外圆磨床多棱磨削保证阀芯阀套副配合 的精度，在线测量及立式珩磨的应用保证各副之间的间隙