（机械设计及理论专业论文）液压挖掘机功率匹配节能控制方法及试验研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 液压挖掘机广泛应用于工业与民用建筑、交通运输、水利电力工 程等行业，在国民经济建设中占有重要地位。但是挖掘机能耗巨大， 能量利用率仅有2 0 ，因此对其进行节能性研究具有十分重要的意 义。 文章首先阐述了国内外在挖掘机节能方面的研究现状，并通过分 析挖掘机的主要能量损失，把减小动力匹配不合理所造成的损失作为 工作重点。 接着分析了发动机的工作特性，对发动机采取了限制转速波动范 围的转速感应控制策略，并设计了发动机的自动怠速装置。挖掘机在 工作过程中，发动机与泵的匹配不合理是造成能量损失的重要原因之 一，采取把液压泵的吸收功率设定在发动机的最大输出功率之上，取 消发动机的功率储备，更大限度地发挥了发动机的潜能；同时把发动 机一液压泵一负载作为一个整体进行研究，提出了“变p 川曲线” 协调控制的方法，通过转速感应控制，使泵在工作过程中能够根据负 载的变化来调节排量以实现调节泵的吸收功率使之与发动机相匹配 的目的。文中还确定了发动机的不同的动力输出模式和挖掘机的不同 工作工况，并针对不同工况下的不同要求，对发动机和泵分别进行不 同的控制。在此基础上，制定了整体控制策略，使发动机尽可能工作 在最优区域，达到节省燃油消耗的目的。 最后通过大量的试验研究完成了以下三个方面内容：一分别验 证了发动机空载和重载下转速波动对油耗的影响，确定了发动机自动 怠速转速；二确定了发动机在不同转速下发动机与泵匹配的最大功 率点和与之对应的泵控电流值；三确定了p _ 咱曲线的调节范围和对 应的电流调节范围。 关键词液压挖掘机，p q 曲线控制，动力匹配，节能，分工况 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t h y d r a u l i ce x c a v a t o r , k n o w na sak i n do fc o n s t r u c t i o nm a c h i n ew i t h h i g hp o w e ra n dh i 曲e n e r g yc o n s u m p t i o n ，p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h e c o n s t r u c t i o no ft h en a t i o n a le c o n o m y h o w e v e r , d u et ot h es e v e r ew a s t e o fe n e r g yr e s u l t e db yi t sh i 曲e n e r g yc o n s u m p t i o na n dl o we n e r g yu s a g e ， i tc a l l sf o ru r g e n t l yt h er e s e a r c ho ne n e r g y s a v i n go f h y d r a u l i ce x c a v a t o r t h i st h e s i sf i r s tg i v e sag e n e r a ld e s c r i p t i o no ft h es t a t u s q u oo ft h e r e s e a r c h e sb o t hh o m ea n da b r o a do nt h ee n e r g y s a v i n go fh y d r a u l i c e x c a v a t o r ，a n dt h e nf o c u s e so nr e d u c i n gt h ee n e r g yl o s sb yt h ei m p r o p e r p o w e rm a t c h i n ga f t e rt h ea n a l y s i so ft h em a i ne n e r g yl o s s e so fh y d r a u l i c e x c a v a t o r n e x t ，t h et h e s i se x p l o r e dt h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee n g i n e ， a d v i s e st oo p e r a t et h ee n g i n eb yt h ei n d u c t i o no fr o t a t es p e e da n da l s o d e s i g n st h ea u t o i d l i n g o ft h ee n g i n e i nt h ew o r k i n gp r o c e s so ft h e h y d r a u l i ce x c a v a t o r ，t h ea b s o r b e dp o w e ro f t h eh y d r a u l i cp u m pi ss e to v e r t h eh i g h e s to u t p u tp o w e ro ft h ee n g i n ea n dt h ep o w e rm a r g i no ft h e e n g i n ei sc a n c e l l e d ，w h i c hm a k e si tp o s s i b l et oe x e r tt h ep o t e n t i a l so f t h e e n g i n eb e t t e r t h i st h e s i sa l s op u t sf o r w a r dam e t h o dn a m e d “p qc u r v e c o r r e s p o n dc o n t r o l ”，n a m e l y , t h r o u g h t h ec o n t r o lo fr o t a t i n g s p e e d i n d u c t i o n ，t h ep u m pu n d e rt h ew o r k i n gc o n d i t i o nc a na d j u s tt h eq u a n t u m t oc h a n g ep qc u r v ea c c o r d i n gt ot h el o a d t h i sc a nm a k et h ee n g i n e w o r k su n d e rt h eb e s tw o r k i n ga r e aa n ds a v et h ef u e lc o n s u m p t i o n a tt h e s a m et i m e ，c o n f i r mt h ed i f f e r e n tp o w e ro u t p u tm o d ea n dw o r k i n g c o n d i t i o n ，o p e r a t e t h ee n g i n ea n dp u m pd i f f e r e n t l ya c c o r d i n gt ot h e d i f f e r e n tr e q u i r e m e n t su n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ，a n da l s om a k e c o n t r o ls t r a t e g i e s t a k et h ee n g i n e ，t h eh y d r a u l i cp u m pa n dt h el o a da sa d y n a m i cw h o l et os t u d ya n dd e s i g nt h ee n e r g y - s a v i n gc o n t r o ls y s t e mo f t h eh y d r a u l i ce x c a v a t o ri no r d e rt om a k ef u l lu s eo ft h eo u t p u tp o w e ro f t h ee n g i n e ，i m p r o v et h ew o r k i n ge f f e c ta n dr e d u c et h ef u e lc o n s u m p t i o n e x p e r i m e n ti s a n o t h e rs t r e s si nt h i st h e s i sa n dt h r e ep u r p o s e sa r e a t t a i n e d t h r o u g h a l a r g e n u m b e ro fe x p e r i m e n t s ：f i r s t l y , i t p r o v e s r e s p e c t i v e l yt h a tt h ef l u c t u a t i o no fr o t a t i n gs p e e do fe n g i n eu n d e rt h e i i 中南大学硕士学付论文a b s t r a c t c o n d i t i o no ft h ei d l i n ga n do v e r l o a do ft h ee n g i n eh a ss o m ee f f e c to nt h e f u e lc o n s u m p t i o n ，m a k es u r et h a tw h i c hs p e e di sf i tt ot h ea u t o i d l i n g s p e e d ；s e c o n d l y , t h eh i g h e s tp o w e ra n dc o r r e s p o n d i n ge l e c t r i c i t yw i t h d i f f e r e n tr o t a t i n gs p e e do ft h e e n g i n ea r ea s c e r t a i n e d ；f i n a l l y , t h e a d j u s t i n gr a n g e so fp qc u r v ea sw e l la st h ec o r r e s p o n d i n ge l e c t r i c i t ya r e c o n f i r m e d k e yw o r d s h y d r a u l i ce x c a v a t o r ，p qc u r v ec o n t r o l ，p o w e rm a t c h i n g ， e n e r g y - s a v i n g ，d i f f e r e n tw o r k i n gm o d e l u i 中南大学硕士学付论文第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 1 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题隶属于国家8 6 3 项目“液压挖掘机机电一体化及制造信息化”，课题 编号：2 0 0 3 a a 4 3 0 2 0 0 。 1 1 2 选题目的和意义 挖掘机是一种利用铲斗按照一定顺序、间歇地或连续地进行挖掘、装载、卸 载土壤或石块的机械，在工业和民用建筑，道路建设、水力，矿山、市政工程等 土石方施工中均占有重要位置。是交通运输、能源开发、城镇建设以及国防施工 等各项工程建设的重要施工装备，是国民经济建设迫切需要的设备。液压挖掘机 的使用反映了这些部门的施工机械化水平，对减轻繁重的体力劳动、实现土方工 程机械化、提高劳动生产率起到了重大作用。 液压挖掘机作为种大功率工程机械，节能性一直是其追求的目标1 1 1 1 2 1 。传 统工程机械的能量利用率较低，液压挖掘机的燃油能量利用率仅为2 0 0 a 左右p l ， 如此低的能量利用率迫使工程机械的发展必须着眼于节能。同时随着世界能源危 机的影响和在环境保护的推动下，液压挖掘机功率控制节能技术的研究与开发也 变得越来越迫切。 “节能”是目前世界工业发展的一个重要方向。各大公司均把“节能技术” 作为科技重点发展目标，以提高其产品在世界市场上的竞争力。 为了达到节能的目的，必须针对挖掘机能量损耗的主要方面对其进行分析和 研究并提出改进措施。挖掘机属于大功率高能耗机械，一方面要满足挖掘工作时 的高功率需求，另一方面要达到节约能源的目的，就必须从机械的使用要求、机 械本身的性能和经济指标、动力装置的配套等方面进行综合的考虑1 4 1 1 5 1 【6 】。 把电子功率控制技术引入工程机械领域，给工程机械节能技术的发展注入了 新鲜血液。国外早在上个世纪八十年代就对电子功率控制的节能系统有了比较成 熟的研究和发展，而国内直到目前还处于比较落后的水平。随着能源危机的日趋 严重和环境污染所提出的对工程机械的低污染、低排放等方面的要求，工程机械 的节能性能将会逐渐成为衡量机器性能好坏的一个重要指标。 虽然国内外的研究都对工程机械的节能性有了或多或少的提高，但是目前世 中南大学硕士学位论文第一蕈绪论 界上还没有一个国家或公司对节能的效果或标准给出一个具体的衡量方法。另 外，以前所注意的只是在液压系统上提高性能，达到节能的效果，国内从动力匹 配方面进行研究的不多，目前虽然很多单位也进行了此方面的研究，但是效果不 是很理想。所以，对工程机械的节能系统进行研究，缩短与发达国家之日j 的差距， 在今天，具有十分重要的意义。 1 2 液压挖掘机电子节能控制系统简介 机电一体化作为一项高新技术，将其引入到工程机械中，为工程机械带来了 新的技术变革，使其各种性能有了质的飞跃。国外从上世纪7 0 年代中期就开始 将机电一体化技术应用于挖掘机上 7 】。进入8 0 年代后，美、日、德等国在液压 系统节能的基础上 8 1 1 9 1 10 1 ，纷纷开始研制电子节能的液压挖掘机【1 1 1 1 1 2 1 1 3 l 【1 4 1 r ”1 。 如日本小松公司开发研制的新型节能控制器( o l s s 系统) ，可使燃油节省2 3 ： 日立公司对u h l 6 型挖掘机的动力系统实施电子控制，生产效率提高2 0 ，使 其燃料消耗降低1 2 1 8 ；美国卡特彼勒公司采用的卡特电子功率控制系统，在 大幅度提高生产率的同时使其功率利用率可达9 8 。8 0 年代末期，三档功率预 选模式节能控制系统的出现，使系统平均节能效果提高2 0 左右。采用发动机 泵复合控制系统的新式挖掘机，其燃油效率提高1 8 左右；其后日立的电 子负载传感e l l e 系统，以及德国利勃海尔公司在1 9 9 0 年推出的具有最新机电 一体化技术的9 4 2 型挖掘机，可获得全部的液压功率，起到较好的节能效果。目 前，以微机或微处理器为核心的电子控制系统在国外液压挖掘机中应用相当普 及，并已成为现代高性能液压挖掘机不可缺少的组成部分。 电子技术在液压挖掘机功率控制节能技术上的应用主要围绕两个层面进行 展开：一方面的研究主要是围绕挖掘机各重要部件，例如发动机、变量泵、马达 和各种控制阀。采用电子调速器替代机械调速器，解决发动机燃油喷射的合理性、 经济性，液压元件由液压控制，机械控制改为电子控制，提高了可靠性和精度。 另一方面主要是围绕液压挖掘机整机进行展开，实现液压系统与负载，发动机与 变量泵系统的最佳综合控制，使发动机的功率输出更加合理，降低液压挖掘机的 燃油消耗和提高劳动生产率。 电子功率协调控制系统具有实用性强、反应快、灵敏度高等各种优点，各 大公司均对此系统进行研究和开发。日本小松早在上个世纪八十年代就对功率控 制和分工况技术有了比较成熟的研究。还有川崎和林德也都对此进行过深入的研 究，但是各个公司采用的方法和手段不尽相同。归根结底，在节能功率控制方面 最后的控制环节都是针对液压泵的排量进行相应地控制来减小或增加泵的吸收 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 功率或扭矩从而使动力系统的匹配性能进一步提高，达到节约能源的目的。由于 现在的挖掘机中多采用恒功率变量泵，所以此种控制方法的最终控制对象也就是 对泵的恒功率曲线即p q 曲线进行相应的控制。 由柴油机的外特性曲线可知，柴油机是近似的恒扭矩调节，其输出功率的变 化表现为转速的变化，但输出扭矩基本不变化。油门开度增加( 或减小) ，柴油 机输出功率就增加( 或减小) ，由于输出扭矩基本不变，所以柴油机转速也增加 ( 或减小) ，即不同的油门开度对应着不同的柴油机转速。由此可见，对柴油机 控制的目的是，通过对油门开度的控制来实现柴油机转速的调节。 对液压泵的控制都是通过调节其变量机构摆角来实现的。根据控制形式的不 同，可分为功率控制系统、流量控制系统和组合控制系统等三大类。其中的功率 控制系统有恒功率控制、总功率控制、压力切断控制和变功率控制等；流量控制 系统有手动流量控制、正流量控制、负流量控制、最大流量二段控制、负荷传感 控制和电气流量控制等；组合控制系统是功率控制和流量控制的组合控制，在液 压控制机上应用最多。 目前应用在液压挖掘机柴油机上的控制装置有电子功率优化系统、自动怠速 装置、电子调速器、电子油门控制系统等。 1 3 国外液压挖掘机主要电控系统分析 国外利用电子控制的方法对液压挖掘机进行节能控制的研究开始于早在上 个世纪七十年代。世界知名的挖掘机制造企业都进行了此方面的研究并应用到了 实际的产品当中。比较著名的企业有小松、大宇、林德和川崎，这些公司所做的 研究，大多数都是基于调节泵来实现功率匹配的。有的控制是进行了动力模式划 分后，在重载模式下才对泵进行实时功率调节，并且对发动机不进行实时调节和 控制，比如川崎的控制系统；而有的不但是实时调节泵的功率还对发动机进行了 实时调节，比如林德的控制系统。对于负载的检测，有用压力作为检测信号的， 也有用转速作为检测信号的，但是目前的系统多以转速作为检测目标。 1 3 1 小松功率电控系统 作为世界知名的挖掘机制造企业，小松的电控技术在世界工程机械行业处 于领先地位。早在上个世纪的八十年代，小松的电子功率控制、故障诊断系统已 经发展的比较成熟，作为推出新产品的技术储备，以占领未来市场1 6 】【1 7 1 【1 8 1 。 图1 - 1 为小松p c 2 0 0 系列挖掘机的电控系统，其中有动力选择和作业模式选 择。用发动机控制器和泵控制器分别对发动机和泵进行相应的调节，使其在工作 中南大学硕七学位论文第一章绪论 l - 油门执行嚣2 - 油门角度传感舞3 - 压力传感舞 图1 - 1 小松p c 2 0 0 系列挖掘机电控系统 过程中可以更大的发挥发动机的效力，使系统配置达到良好状态，从而达到节约 辟 害 箍 控制方j 击垒覆压控制 电子o l s s 蕞- 发动帆蔓台控制电子c l s s系统化控制 节能效果 莛蕤l 熏 可按咋业内容周 鬈鑫g 华箍 整体效率的提高以及充 薹豸簇鍪加 动率损失 岔考虑剽工侄方芪秽协 功奉损失 群作业时的工作条件优 化 勰嚣甏娄粼 图1 - 2 小松节能技术发展概况 4 中南大学硕十学位论文第一章绪论 能源的目的。 图1 - 2 为小松节能技术发展概况图。早期的o l s s 液压系统均为电气式o l s s 液压系统，用液压泵动力控制代替传统的液压阀控制，以达到节能的目的1 1 9 1 。 它根据作业内容选择一种合适的动力方式，并自动设立与这种动力方式最适合的 动力和发动机参数( 转速等) 。选择一般在电气o l s s 基础上增装了由微型计算机 组成的控制箱，直接控制液压泵的输出则称为电子式o l s s 液压系统。它能有 效的利用发动机的功率和降低液压系统损失。这种系统是用发动机的转速传感器 和高压喷油泵凋速器杆角度检测传感器，检测随主液压泵负载发生的发动机转速 变化，装有微机的控制箱接受该信号并加以计算。然后将结果作为信号又输向 t v c 阀，通过t v c 阀使发动机的输出转矩与主液压泵接受的转矩，经常处于最佳 配合状态。 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 ) 系统是在o l s s 系统的基础上发 展起来的，其主要特点就是做成了闭合回路，操作阀在中位或调节操作时使无用 流量达到最小限度，从而减小功率损失。 从图1 - 2 中，我们可以看到小松系列挖掘机在节能控制方面发展的历程。从 1 9 8 4 年，小松第一台电子功率控制的挖掘机问世，就把电子控制的节能技术作 为代表液压挖掘机先进性的一项关键技术进行发展，并且取得了非常显著的效 果。 1 3 2 大宇电子功率优化系统 模式选择开关 i 。一l ； i 一苷电池 i。一 -一mjjt- 怠遗开关压力开关7777万 图1 - 3e p 0 s 组成简图 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 大字挖掘机采用e p o s 电子功率优化系统。e p o s 是一种闭环控制系统，工作 中它能根据发动机负荷的变化，自动调节液压泵所吸收的功率，使发动机转速始 终保持在额定转速附近，即发动机始终以全功率投入工作。这样既充分利用了发 动机的功率，提高了挖掘机的作业效率，又防止了发动机过载熄火1 6 1 1 2 0 1 大字0 1 1 2 8 0 型挖掘机的电子功率优化系统的组成简图如图1 - 3 所示。该系统 由柱塞泵斜盘角度调节装置、电磁比例减压阀、e p o s 控制器、发动机转速传感 器及发动机油门位置传感器等组成。发动机转速传感器为电磁感应式，它固定在 飞轮壳的上方，用以检测发动机的实际转速。发动机油门位置传感器由行程开关 和微动开关组成，前者装在驾驶室内，与油门拉杆相连；后者装在发动机高压油 泵调速器上。两开关并联以提高工作可靠性。发动机油门处于最大位置时两开关 均闭合，并将信号传给e p o s 控制器。整个控制过程如下：当工作模式选择开关 处于“h 方式”位置，装有微电脑的e p o s 控制器的端子上有电压信号时，e p o s 控制器便不断地通过转速传感器检测发动机的实际转速，e p o s 控制器便增大驱 动增大驱动电磁比例减压阀的电流，使其输出压力增大，继而通过油泵斜盘角度 调节装置减小斜盘角度，降低泵的排量。上述过程重复进行直到实测发动机转速 与设定的额定转速相符为止。如果实测的发动机转速高于额定转速，e p o s 控制 器便减小驱动电流，于是泵的排量增大，最终使发动机也工作在额定转速附近。 该控制系统配备一辅助模式开关，当e p o s 控制器失效时，可将此开关扳向 另一位置，通过辅助模式电阻向电磁比例减压阀提供恒定的4 7 0 m a 电流，使挖掘 机处于s 方式继续工作，此时仪表盘上的辅助模式指示灯常亮。 1 3 3 林德电控系统 林德作为世界著名德挖机生产厂家，对电控节能系统系统的研究歼始的也 比较早。林德的l s c ( 负荷传感同步控制系统) 能有效地利用发动机功率，节约 燃料，降低液压系统损失【删。林德的g l r ( 极限负荷调节系统) 同样可以通过控 制器提高作业效率，节约燃料。图卜4 为l i n d e 电控系统简图。 g l r 系统由电控箱c e b l 5 0 2 、主控制器、直线电机、油门角度传感器、转 速传感器和泵控调节器v d 3 组成，同时p c 机可以通过r s 2 3 2 接口与控制器进行 通i k 2 1 1 。 g l r 调节原理及其方法 2 2 1 1 2 3 1 ：系统中发动机转速同步控制时刻起作用，只 要实际转速与电位计设定电压值对应的转速不同，控制器发出信号调节，使直线 电机转过定角度，直到使发动机的实际转速和电位计设定转速相同，同时油门 角度传感器也转过一定角度。 g l r 起作用的方式为：当转速下降到设定的转速线以下时，功率调节开始起 6 中南大学硕+ 学付论文 第一章绪论 作用，增大p w m 输出电流，调节电磁阀v d 3 ，便泵的流量变小，降低泵的吸收功 ： 1 一袖门调节电位开2 一作业覆式调节电位计3 一自动毫遗开关4 - - 行建压力开关 5 一暖机开关( 臂闭量度开关，b 一标定按钮t 一量度开关 图卜4l i n d c 电控系统简图 率，使发动机转速上升；相反，当转速上升到设定的转速线以上时，功率调节也 起作用，减小p w m 输出电流，调节电磁阀v d 3 ，使泵的流量变大，增大泵的吸收 功率，使发动机的转速下降。 油门角度传感器的作用，是为了调节发动机的增量或降低量的幅度。例如， 要调节发动机的转速上升8 ，则需要把油门角度传感器凋节到相应的位置。 1 3 4 川崎电控系统 川崎公司作为工程机械的知名企业，早期主要从液压系统和阀组上作节能控 制，后来开始做电子控制的功率系统【2 4 1 。然而早期的电控系统中只是在重载情 况下才对泵的排量进行实时调节以适应负载和发动机的需求，从而达到节能的目 的。图1 - 5 为川崎电控功率系统的结构简图。 在重载模式下，通过对负载压力的检测，调节泵的流量，从而充分利用发动 机发出的功率。只有在h 模式下，发动机控制才起作用。 模式设定：分为h 、s 、l 模式。在每种模式下，转速都可以从最小怠速调 节到最大怠速状态。 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 自动怠速：当手柄处于中位一定时间t 时，a c 2 控制器自动把发动机速度调 节到自动怠速转速，减少燃料消耗和发动机噪声；手柄有动作后，发动机速度自 动回复到设定转速。 速度传感控制：( 只有在h 模式下，e s s 控制器起作用，即速度传感功能起 作用) 通过实时比较发动机实际转速n r 和设定转速n h m ，当n r n 删时，e s s 控制器控制输出电流降低泵的p - q 曲线。 图1 - 5 川崎电控功率系统结构图 当泵处于s 或l 模式下，e s s 输出电流值恒定，即泵的p q 曲线恒定，不 可调节【2 5 1 。 表1 - 1 川崎电控系统在不同的转速下的输出电流 模式 h s l 发动机转速 9 0 0 - 1 4 0 01 4 0 0 + 1 6 0 01 6 c h d 2 3 0 09 0 0 1 4 0 01 4 0 m 艺3 0 09 0 0 0 3 0 0 ( r p m ) 输出电流 ( m a ) 04 2 5m a x 5 6 004 2 5 0 e s so f fo f f0 no f ro 疗o r 在h 模式下通过调节比例电磁阀设定泵的p q 曲线在不同位置，减小泵的 流量，使发动机的功率充分被吸收。 在不同模式下调节发动机转速到设定值，开机后，保持3 s 为自动怠速状态。 川崎的速度传感控制系统主要实现了自动怠速，不同工作模式转速的设定和 在h 模式下泵的卜q 曲线可调功能。其中只有在h 模式下p q 曲线即功率可调， 而在其它模式下不具有此种功能。同时发动机控制器a c 2 在e s s 控制器起作用时， 不进行相应的调节。 8 中南大学硕士学付论文 第一章绪论 1 4 国内挖掘机主要电控系统 我国液压挖掘机的开发开始于2 0 世纪6 0 年代。到了8 0 年代初，先后引进 了德国各主要液压挖掘机生产厂的制造技术，如利勃海尔公司( l i e b h e r r ) ，德 玛克公司( d e m a g ) 和奥加凯公司( o k ) 。9 0 年代改革开放以来，我国挖掘机行 业虽然经历了一个重要的形成和发展的重要阶段。但目前从国内的产品来看，其 性能指标大部分也只能达到国际2 0 世纪8 0 年代水平瞄i 。更为遗憾的是国内对 柴油发动机、液压泵、液压马达以及多路换向阀等挖掘机的主要配套件，无论是 在技术难点上还是在生产工艺方面以及制造水平上都没有实质性的提高，致使这 些关键配套件的品种和质量( 主要是工作可靠性) 不能完全满足主机的需要1 2 ”。 因此，一方面大多数厂家采取与国外合资的办法，比较著名的有烟台大字、 常州现代、合肥日立、成都神钢、徐州卡特等，这些企业都拥有先进的技术，但 关键技术却掌握在外商手里。另一方面则以引进国外先进的液压元件、液压系统 以及电控节能控制系统的形式来提高国产挖掘机品质。 上世纪9 0 年代初，我国的一些高校和企业，开始了工程机械的智能控制和 节能理论技术的研究，并取得了一定成果。在动力系统节能控制方面，1 9 9 4 年 浙江大学与广西玉林柴油机厂合作开发的2 0 t 节能控制、参数显示、故障报警液 压挖掘机是目前国内机电一体化技术在挖掘机上实施的一个商品化产品，已通过 实际挖掘试验。而浙江大学与长江挖掘机厂合作开发的集远程无线遥控、故障监 控、节能控制于一体的实用型液压挖掘机，也已经从原理上进行了试验。目前， 浙江大学机械设计研究所自行研制成功一台试验性挖掘机器人，在世界上首先柔 性地实现了将负流量控制、正流量控制、交叉功率控制和压力切断控制组合起来 的节能控制策略，并建立了控制模型2 8 1 。在此基础上，对挖掘机动力系统的节 能控制进行了广泛的研究，利用挖掘机器人对其节能性和操纵性进行了实际挖掘 试验，取得了良好的控制效果。结果表明，国内现有的工程机械具有很大的节能 潜力，这对提高我国工程机械的性能具有很高的参考价值1 2 9 】。 1 9 9 5 年l o 月。玉柴工程机械公司试制出两台w y 2 0 一y c 具有一定机电一体化 水平的液压挖掘机【3 0 1 。其柴油机和液压系统等主要部件均采用进口件，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、三挡功率预选、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被最大限度地利 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。 吉林大学在赵丁选教授的带领下，首次将发动机、变量泵、阀和负载作为一 个整体进行了研究，采用模糊控制技术实现了发动机与变量泵的全功率匹配，克 9 中南大学硕士学侍论文 第一章绪论 服了国内外挖掘机节能控制中普遍应用的单纯转速控制或压力控制的不足，并且 成功的实现了二级溢流控制，通过台架试验取得了良好的节能效果。 t 5 论文研究主要内容 本论文将发动机一液压泵一负载作为一个整体进行研究，主要针对液压挖掘 机动力系统匹配不合理所造成的能量损失进行节能控制研究。通过参考国内外知 名企业在节能控制方面的控制方法和控制策略，制定切实可行的控制策略，并将 通过大量试验对对一些关键参数进行确定。 因此本论文将从以下几个方面展开研究： 1 ) 分析对液压挖掘机进行节能控制的目的和意义，对国外先进的节能控制 系统进行分析研究。 2 ) 分析液压挖掘机的能量损失，把侧重点放在减小动力匹配不合理造成的 损失方面，建立整体节能系统方案。 3 ) 分析发动机的工作特性，根据工作需求制定合理利用发动机功率的控制 策略，设计发动机自动怠速功能。 4 ) 通过分析发动机一液压泵一负载三者的匹配原理，提出优化三者匹配的 方法，制定控制策略。 5 ) 通过实验研究，主要解决三方面的问题：分别验证发动机在空载和带 载两种情况下转速波动对油耗的影响，确定发动机自动怠速转速；确定发动机 在不同转速下液压泵与发动机相匹配的最大功率点以及对应的泵控电流值；确 定p - _ q 曲线的调节范围和对应的电流调节范围。 1 6 本章小结 本章论述了进行液压挖掘机节能控制研究的目的和意义，分析了目前国内外 液压挖掘机节能控制系统的研究现状及发展趋势，具体分析了国外知名挖掘机制 造企业的节能控制策略，指出了国产挖掘机节能控制技术与国外同类相关技术之 间的差距。最后阐明了本文研究的主要工作内容。 1 0 中南大学硕+ 学位论文 第二章液压挖掘机主要能量损失和整机节能方案确定 第二章液压挖掘机主要能量损失分析和整机节能方案确定 挖掘机是需要长时间工作的大马力工程机械，能量消耗大，减少其能量消耗 就显得尤为重要。近年来国内外各大挖掘机生产厂商都在挖掘机节能方面做了很 多研究，并且取得了一定的成效。 本章主要对液压挖掘机的能量损耗进行分析研究，并针对具体的能量损耗， 提出一些可行的解决办法和措施，最后提出整体节能方案，建立起节能系统。 2 1 不同液压回路的能量利用 现在的挖掘机主要指液压挖掘机，机械式挖掘机已经很少见。2 0 世纪6 0 年 代开始，液压传动技术得到了很快的发展，逐渐成熟的液压传动技术，应用到挖 掘机上，为其发展建立了强有力的技术支撑。 挖掘机和液压传动是紧密联系在一起的。液压技术是挖掘机的技术基础，反 过来由于挖掘机对液压技术的高要求，从而大大地推动了液压技术的发展。液压 挖掘机作业时动作复杂、功能齐全，要用多功能的多路阀和复杂控制的液压泵。 对于泵、阀和马达采用电子控制，使最初对于挖掘机的各液压元件进行个别控制 发展到智能化的综合控制。 液压技术以其独有的优点在现代传动技术中占有重要的地位。但其能量损失 和消耗不可避免【3 ”。 下面以几种重要的液压回路分析其损失。 图2 - i 中最上面的液压回路为定量液压回路，当回路中采用定量泵供油时， 如果回路中的执行元件所需的流量小于液压泵提供的流量时，那么多余的流量就 会从溢流阀溢流回油箱，那么在这个过程中就会造成能量的浪费。如图2 1 ( a ) 中所示此种系统的能量利用率只有3 8 。此种系统在早期使用在挖掘机上，现 在在小型的挖机上使用。 图2 - 1 ( b ) 中的是恒压系统，通过p r e g 装置使泵出口的压力p l 保持恒定， 由于预先设定的泵出口压力始终大于负载压力，所以在工作过程中会造成压力的 和流量的巨大浪费，这种系统的工作效率6 7 ，但是比定量系统已经有了大幅 度地提高。 图2 - 1 ( c ) 中最下面的系统是l s 系统( 即负载敏感系统) ，这种系统可 中南大学硕士学付论文第二章液压挖掘机主要能量损失和整机节能方案确定 以通过负载敏感装置感知负载压力的变化情况，当负载压力变大直到达到泵的变 量调节区域时，通过调节泵的斜盘倾角减小泵的流量，从而适应发动机的扭矩要 求，使执行机构在小流量下继续克服逐渐升高的负载；而当负载压力减小是，调 液压回路原理简图能量利用特点 恒流量系统 p _ = 见 r jl b”獬# ”帮9 4 只= q p 1 p l_ j 1 w m e n c r g y ： r b 毪 只= g 眦p ，一q p 。 扛 u “a 瞄r l ， l 。l 0 = 3 8 i ( a ) i o q q 嵋 恒压系统 k = q p ， jl r 少 “ r峨黼瓣囊葬瓣戮攀潮 只= q p l iw a 啦酣曲e 。鼎 nb”。一。氇 己= q ( p ，一p 。) 留寺 u s e dc a c q l y r = 6 7 ( b ) i 0o q _ l s 系统 r _ j k = q ( ，+ p ) r ji b 只= q p 。 ，删“崤 a p u dp 只= q 印岱 卒驽 u d a t g y r 6 7 ( c ) l 0 qq 二r 图2 - 1 不同液压系统的能量损失情况 节机构作用使泵的斜盘倾角变大从而使流量增加，这样又可以充分吸收和利用泵 的功率。这种系统充分利用泵的工作特性，又把发动机工作特性考虑在内，可以 更大限度的利用能量，因此其能量利用率高于其它两个系统，其能量利用率大于 6 7 。 中南大学硕士学位论文第二章液压挖掘机t 要能晕损失和罄机节能方案确定 2 2 液压挖掘机的功率损失 液压挖掘机的能量传递过程是通过发动机一液压泵一液压阀一执行油缸( 或 马达) 一执行机构来进行传递的，如图2 - 2 所示。在能量传递过程中，能量的每 一次传递都存在着能量损失。 液压挖掘机的发动机通过液压泵把动力转换成压力油的液压能经过管路及 换向阀驱动油缸或马达，在转递和分配过程中能量损失很大，一般高达2 3 ，甚 至会更高，实际利用率很低，发动机工作时燃油能量约有2 3 消耗于热量及噪声。 图2 3 为功率流向及能量损失框图。 图2 - 2 能量传递框图 。 另外，挖掘机在作业过程中工况复杂，负荷变化频繁、变化范围大，冲击大， 也会引起不少环节的能量损失。这些损失的能量大多转化为热量而损耗掉，会引 起液压系统发热，油液黏度降低，泄漏量加大，造成进一步的能量损失。 图2 - 3 挖掘机功率流向及能量损失 中南大学硕十学付论文 第二章液压挖掘机主要能量损失和罄机节能方案确定 2 2 1 液压系统功率损失 液压系统的功率损失主要有以下几种形式： ( 1 ) 操作阀处于中位时的能量损失：液压挖掘机采用六通多路阀作为液压系 统换向和流量控制元件。当工作装置停止作业，阀芯处于中位时，液压泵只需提 图2 - 4 液压挖掘机液压系统能量损失图 供压力油克服管道阻力和防止气蚀的背压( 约为2 m p a - 3 m p a ) ，液压油通过卸荷 口流回油箱，但变量泵由于功率自调节作用，此时流量却很大，因此就会造成旁 路空流损失，如图2 - 4 b 所示。对工作装置进行操纵时，多路阀进出油路逐渐打 开，卸荷油口逐渐关闭，利用卸荷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，液压油开始流入工作油 缸，通过改变进出油口、卸荷口的通流面积比来实现液压缸的速度调节。直到卸 荷口全部关闭，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。 液压挖掘机在掘削和卸土等精细作业过程中，工作装置既无太大的压力，也 无需太大的流量，因此往往需要对工作装置进行微动操作控制。一般采用部分打 开控制阀的方法来控制工作装置的速度，导致液压油通过控制阀时产生较大的节 流损失，造成图2 - 4 所示阴影部分的能量损失。 ( 2 ) 溢流损失：当液压挖掘机过载时，为防止过载损坏机械，安全阀打开， 压力油通过安全阀溢流回油箱。当工作装置因负载过大而停止动作时，如果不采 取措施，液压泵输出的全部流量都将通过安全阀流回油箱，此时发动机的输出功 率都消耗在安全阀上变成热能。此部分能量损失如图2 4 a 所示。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，由于工况复杂， 经常处于过载状态，系统过载溢流而产生的功率损失是相当可观的。 另外，回转马达在启、停过程中也会产生一定的溢流损失。在液压挖掘机的 回转系统中，通常都设置由两个溢流阀组成的平衡阀如图2 5 所示，此平衡阀可 以在启动时限制回转压力。由于挖掘机上车的转动惯量大，回转马达不能完全吸 收泵的输出流量，多余的流量通过溢流阀回到油箱，造成功率损失。回转马达制 1 4 中南大学硕十学伊论文第二章液压挖掘机主要能量损失和罄机节能方案确定 动时，回转多路阀关闭，在上车转动 惯量的作用下，回转马达会继续转 动，排出的液压油经过平衡阀到回转 马达的另一端，此时的平衡阀起到溢 流阀的作用，将上车的动能转换为液 压系统的热能而消耗。 ( 3 ) 微动操作时能量损失：液压挖 掘机在掘削和卸土时往往需要对工 图2 - 5 回转马达中的平衡阀 作装置进行微动操纵控制，一般采用通过控制操纵阀开度进行节流调速，将部分 压力油溢流回油箱来实现的，这部分的能量损失见图2 4 c 。 ( 4 ) 沿程压力损失：液压系统的沿程压力损失所造成的功率损失也是很大的， 因此应尽可能的采用大通径液压管路，同时合理布置液压管，采用阻力小的管接 头以减小沿程压力损失。 ( 5 ) 行走压力损失：履带式挖掘机行走时为了防止超速而安装的背压阀，会 产生很大的压力损失，同时回转管接头、控制滑阀、油路等都将产生压力损失。 垒2 2 动能、势能损失 ； t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 2 3 功率匹配不合理时引起的损失 在液压挖掘机系统中，发动机和泵的匹配曲线如图2 - 6 所示。 当发动机和泵联合工作时，存在一个联合工作特性，其中的联合工作效率与 泵的转速、压力和流量有关。一般情况 下，发动机一液压泵系统不可能在各种 喜l _ 发动机功率 工况下都处于最佳工作状态，从而造成 、素孵功率设定 一定的能量损失口2 1 1 3 3 1 【3 4 j 。液压泵的吸收墨u 、 功率随着发动机转速的变化而改变，其p 1 差一、芝案量 一q 特性随转速疗的变化如图2 7 所示。 、i i 发动机在不同的环境下，特性是不 一样的，由于大气状态( 气压、气温和压力胁 湿度) 变化等原因，使得发动机功率有 图2 - 6 发动机和泵的匹配由线 中南大学硕士学位论文第二章液压挖掘机主要能茸损失和罄机节能方案确定 所变化，其实际与发动机特性曲线的匹配情况如图2 胡所示。从图中可以看出， 若在平原上，发动机和泵联合工作点正好在额定功率处，当在高原工作时，由于 发动机功率的降低，联合工作点的转速将大幅降低，使其不能充分利用发动机功 率。 图2 - 7 不同转速下，一口特性图2 - 8 泵与发动机的匹配 因此在设定液压泵总的输入功率时要有一定的余量，一般按发动机额定功率 的8 0 0 0 来设定( 如图2 6 所示) 。在这种情况下，使发动机的功率得不到充分 的利用，功率浪费严重。 2 3 液压挖掘机整体节能方案确定 由于液压系统的改造相对比较困难，并且当前的液压系统已经达到了一定的 水平，若要达到更好的节能效果需要长时间的研究。本文所提出的节能方案主要 是针针对功率匹配不合理所造成的能量损失来进行研究的。 图2 - 9 为整体节能系统方案框图。系统主要由c u m i n sb 3 3 发动机，r e x r o t h a l l v 0 变量泵，节能控制器，转速传感器，油门角度传感器构成。具有电子功 率调节、自动怠速、动力模式选择、工况模式选择、p - - s h i f t i n g 等功能。 主控制器通过检测转速信号