液压挖掘机关键技术综述

1、图 !图 关键词 液压挖掘机 柴油机控制 液压系统 电控系统液压挖掘机关键技术综述长沙建设机械研究院刘建民$%内容提要 当今液压挖掘机是人们诸多建设工程不可缺少的得力助手, 进一步发展它的动力、 液压、 电控技术, 使之更好为人类服务是我们的责任。本文就以此综述, 籍以抛砖引玉。挖掘机的出现已有百余年历史, 在技术上大致经 历了三次飞跃。第一次是柴油机的出现, 使挖掘机有 了较理想的动力装置;第二次是液压技术的广泛应 用, 使挖掘机有了较完善的控制系统。进入二十一世 纪, 随着新技术的挖掘机上的不断应用, 使液压挖掘 机技术面貌一新。本文就液压挖掘机的关键技术加以阐述。! 动力系统挖掘机的作业

2、属重负荷冲击工况, 因此对柴油机过载能力、 耐用性方面有苛刻的要求, 世界著名的挖 掘机生产商均采用专门研制的柴油机为动力。 但是近 年来对柴油机的性能与功能提出了更高更多的要求:低燃耗、 高出力; 改善排放, 降低烟度; 提高加速性能 和低温起动性能; 降低噪声, 提高可靠性和耐久性, 简 化维修保养等。因此, 仅从机械途径已无法解决这些 问题, 柴油机的电子化控制已成为重点研究与应用的 新课题。时至今日, 挖掘机用电子化控制柴油机尚未 有突破性的发展与应用, 但电子化控制柴油机技术必 将深刻影响液压挖掘机的进一步发展, 并从根本上改 善动力系统的匹配性、 适应性和经济性。也将更符合 日益提

3、高的环保要求。 !#!柴油机电子化控制的优点!#!#! 任意的扭矩特性由于燃油喷射量采用电子控制, 它突破了机械式 调速器的喷油量和发动机转速之间的固定关系, 使喷 油量与转速之间没有直接关系, 喷油量可以由微机软 件来决定。 因此, 执行不同程序, 就可以获得不同的发 动机特性曲线。液压挖掘机往往具有多种功能, 需在 不同的工况下工作, 要求发动机具有各种扭矩转速特 性。图 ! 所示为全程调整器特性曲线和二程调整器特性曲线, 在电子控制柴油机中, 只要用一个转换开 关分别执行不同程序就能实现。图 所示为通过微机软件实现不同外特性曲线和不同形状的扭矩特性。!#!# 大幅度降低油耗燃料喷射不受发

4、动机转速的影响, 喷射始终保持 高压细化, 能按发动机运行工况调整喷油规律和喷油 状态, 能适应急剧的负荷变动, 可迅速进行调整, 提高 燃烧效率。!#!#$解决排放问题解决机械式调速器柴油机的排放问题是困难 的。采用电子控制可通过控制喷油时间、 喷油规律和 喷油状态, 使燃料在较低温度下燃烧, 抵制 %& (氮氧 化合物 的产生; 在急加速时不冒黑烟; 由于喷射压力 高, 燃油粒子细化, 与空气混合好, 燃烧完全, 能抑制 黑烟的产生。 !#!#*具有各种附加功能 + 自动暖机26建设机械技术与管理 2001年 12月号 产品技术图 !图 图 #图 $图 %图 &起动后,可根据冷却水温度自动

5、改变怠速转速, 冷却水温低时怠速转速高,以缩短暖机时间,如图 ! 所示。 (提高低温起动性能起动时, 燃油喷射量随冷却水温而变。水温低时 增加喷油量, 以提高低温起动性能。水温上升后自动 减少喷油量, 以防冒黑烟, 如图 所示。(发动机保护功能可防止发动机超速和过热,还可防止发动机倒 转。图 #所示为防止发动机超速, 当转速超过某一值 时, 供油被切断。 图 $所示为防止发动机过热, 当发动 机水温达一定值时, 喷油自动减少, 扭矩曲线下降, 发 动机功率减小。*(怠速转速控制可根据怠速时所带负荷的情况 +例如空调是否开 启 (来改变怠速转速, 所带负荷大, 怠速转速高, 以防 发动机熄火,

6、如图 %所示。, (调速特性的调速率控制当发动机发电机工作时, 希望发电机发生的频率 一定, 调速器调速率尽量接近零。采用电子控制可实 现此要求, 如图 &所示。 -. /中冷技术发动机中冷技术的目的是降低进气温度, 并提高进气量, 从而保证燃料充分燃烧, 提高发动机有效输 出功率。 中冷技术在液压挖掘机上的应用前景良好。液压挖掘机柴油机向电子化控制的发展是必然 的方向。/液压系统目前液压挖掘机典型的液压系统基本上有二种类型, 即负荷传感系统和负流量控制系统。/0-负荷传感系统负荷传感技术是一种利用泵的出口压力与负载压力差值的变化而使压系统流量随之相应变化的技 术。液压负荷传感系统分阀控定量系

7、统和泵控变量 系统。液压挖掘机上基本采用泵控次级压力补偿系 统, 即负荷传感压力补偿阀布置在换向阀节流器的后 面。负荷传感系统的特点:1(节能泵控负荷传感系统中, 节能表现在:恒功率变量泵的功率一定, 而负荷所需的压力和流量不可能都与 泵一致, 必然有泵的压力或流量超过负荷所需值, 从 而引起损失。负荷传感系统则可以使两者接近, 而减 小损失。在节能方面以泵控负荷传感系统最显著。 (控制性能好由于系统压力和流量变化受负荷传感信号控制, 是一个闭环反馈控制系统, 故控制灵敏度高; 各种负 荷传感阀均属等差减压阀, 通过节流口的流量只与其 面积有关, 而不受负载变化影响, 故调速平稳、 准确、 迅

8、速; 可与比例阀配合实现比例控制, 可在多个执行 元件复合动作时, 实现同步工作而互不影响; 因流过 滑阀的流量小、 流速低, 故操纵力小; 微调性能好, 微 调时功率损失低。(动静特性好负荷传感系统一般都具有足够的稳定性和动态 响应, 噪声低, 但对组成系统各元件的固有频率有一 定要求。*(寿命长换向阀中位时, 泵低压小流量工作; 系统工作时, 泵在略高于负载压力下工作, 且溢流损失小, 油温低, 延长了液压元件和工作油的寿命。, (元件规格小27建设机械技术与管理 2001年 12 月号图 !图 !图 #由于功率得到充分利用, 系统效率高。 主液压泵、 液压油冷却器、 滤油器及管路元件的规

9、格都可以适当 减少, 使系统更紧凑。负荷传感系统主要缺少是结构较复杂, 维修性较 差。 $%$负流量控制系统负流量系统是通过位于主控制阀后面的节流阀 建立的压力对主泵的排量进行调节的。 这种系统具有 稳定性好、 响应快、 可靠性和维修性好等特点; 但在起 始点为重负荷下作业时, 因流量与负荷相关, 所以可 控制性较差。见图 #。负流量系统的能量损失以流量为主, 而负荷传感 系统以压差为主。 &见图 ! 负荷传感系统与负流量系统的比较见下表。评价指标 负荷传感系统 负流量系统节能优与负荷传感系统相近 操作起始点 与载荷无关 与载荷有关 系统稳定性 较差 好 可靠性及维护较差好德国力士乐在 (负荷

10、传感系统基础上开发出了 (*+,负荷传感系统, 从原理上分析, (*+,系统要优于 (系统。但是实际工程应用的情况相对较少, 其优 点与可靠性, 性价比都有待进一步考核和提高。-电控系统二十一世纪更强调环保, 提高效率。 当前, 液压挖掘机的电控系统的重要特征就是以微处理器为核心 的全机综合控制, 即对发动机、 主泵等全面控制, 以实 现二者的最佳匹配, 从而达到环保、 节能与提高效率 为目的。如图 ! 所示是一种液压挖掘机综合控制系 统。但是, 值得注意的是一个过分复杂精密的电控系 统同时也带来了可靠性差、 故障突发性的增加, 并使 维修难度加大等一系列后续性问题。这些使用方面 的问题将大大削弱先进的电控系统所带来的技术价 值和使用经济价值。因此, 在液压挖掘机电控系统方 面,始终应该强调的是更高的可靠性与技术的合理性, 而非一味追求技术的完美性; 目前发展的趋势是 研究开发可靠性更高的元器件及系统, 以确保电控系 统的稳定性和可靠性。液压挖掘机的技术发展重点集中在液压电子系 统中, 在某些特定用途中, 使液压挖掘机具备一定的 自动工作能力也仍旧处在极其初级的发展阶段