【《滑移装载机工作液压系统原理及耗能分析》4900字】

滑移装载机工作液压系统原理及耗能分析目录TOC\o"1-3"\h\u16776滑移装载机工作液压系统原理及耗能分析 184681.1滑移装载机工作液压系统原理（Skidsteerloaderworkinghydraulicsystemprinciple） 1316701.2滑移装载机工作液压系统能量传递路线分析（Analysisonenergytransferrouteofworkinghydraulicsystemofskidsteerloader） 3262211.3滑移装载机功率损失(Skidsteerloaderpowerloss) 4171881.4不同工况下液压系统功率损失(Powerlossofhydraulicsystemunderdifferentworkingconditions) 7287591.5泵的输入功率（Pumpinputpower） 81.1滑移装载机工作液压系统原理（Skidsteerloaderworkinghydraulicsystemprinciple）WS85型滑移装载机属于小型工程机械，工作液压系统采用开式回路液压控制方式[33]，工作液压系统主要包括定量泵、先导阀、多路阀、动臂液压油缸、铲斗液压油缸、调平阀等。工作液压系统如下图所示。1-油箱；2-液压泵；3-先导阀；4-多路阀；5-调平阀；6-铲斗油缸；7-动臂油缸图1.1WS85型滑移装载机工作液压系统原理图Fig.1.1WorkinghydraulicsystemschematicdiagramofWS85typeskidsteerloaderWS85型滑移装载机工作液压系统原理与传统装载机大致相同，采用定量泵来提供工作机构油缸所需的液压油。控制执行元件运动时，由补油系统为先导油路提供液压油，驾驶员操作先导手柄来控制多路阀的开启和闭合。举升动臂时，定量泵从油箱吸油，液压油经多路阀流入动臂举升油缸无杆腔，之后由动臂油缸有杆腔到达调平阀，经调平阀进行分流后，液压油一部分直接流回油箱，另一部分流入铲斗油缸无杆腔，推动铲斗油缸外伸，其中调平阀的作用是确保铲斗在随动臂举升的过程中保持水平状态，避免动臂举升时物料洒出。动臂多路阀控制动臂的举升、下降和保持三种工况，转斗多路阀控制铲斗的外翻、收斗和保持三种工况，故每一联的多路阀都采用三位阀，中位时，液压泵输出的液压油直接经多路阀中位卸荷，液压油流回油箱。多路阀上装有安全阀，当负载过大而导致泵的输出压力急剧增高，此时安全阀起到保护液压系统的作用，定量泵所输出的流量通过安全阀进行溢流，防止系统压力超过液压元件所承受的最大压力，从而保护液压系统中的各液压元件在其最大工作压力之下，避免各元件受到损坏。现行工作液压系统由于采用定量泵供油，当发动机输出的转速维持恒定，泵的转速与发动机转速一致，输出流量取决于发动机的转速，当系统压力过高时，溢流阀打开工作，定量泵所输出的流量将会全部通过溢流阀流将流量的动能转化为热能，另外当动臂和铲斗到达最大行程时，由于操作人员不能及时控制多路阀回中位，此时液压系统的压力骤升到溢流阀所设定的溢流压力，也会造成溢流损失。多路阀在调节执行元件速度时，采用节流调速，通过多路阀将一部分流量供给液压元件进行工作，另一部分通过多路阀节流口直接流回油箱，产生节流损失。当滑移装载机不进行装载工作时，多路阀阀芯处于中位，泵输出的液压油直接通过中位流回滑移装载机油箱，工作液压系统采用定量泵，其输出流量仍保持最大，会产生一定的卸荷损失。1.2滑移装载机工作液压系统能量传递路线分析（Analysisonenergytransferrouteofworkinghydraulicsystemofskidsteerloader）滑移装载机工作液压系统由柴油机提所需的能量，将发动机旋转的动能通过联轴器传输给液压泵，驱动液压泵转动，泵开始工作。泵从油箱进行吸油，通过多路阀的控制驱动动臂或铲斗油缸伸出或缩回，使滑移装载机完成其所需的动作。在滑移装载机作业过程中，能量的传递路线如图1.2所示。图1.2滑移装载机能量传递路线图Fig.1.2Energytransferroadmapofskidsteerloader1.3滑移装载机功率损失(Skidsteerloaderpowerloss)图1.3滑移装载机主要功率损失Fig.1.3Mainpowerlossofskidsteerloader从图1.3可以看出，滑移装载机工作液压系统的功率损失主要有节流损失、溢流损失、卸荷损失、沿程损失和泄露损失[34]。节流损失：为了控制滑移装载机动臂举升和铲斗翻转的速度，多路阀需要对液压油进行节流控制。动臂油缸和铲斗油缸流入的流量最终由多路阀节流口的开口面积来决定，如图1.4所示，当操纵工作机构运动时，A、B口逐渐打开，O口逐渐关闭，通过O口的旁路节流作用使系统压力升高，以克服负载压力，因此多路阀采用节流调速，使油液流经多路阀时造成较多的能量损失，引起发热，使系统效率降低[35]。图1.4采用六通阀的液压系统等效图Fig.1.4Equivalentdiagramofhydraulicsystemwithsixwayvalve液压油通过换向阀产生的节流损失为： （1.1）式中：—换向阀两端压力差；—流过向阀节流口处的流量。溢流损失：为防止滑移装载机工作液压系统在实际工作过程中发生过载，导致工作元件损坏，在泵出口处装有溢流阀作为安全阀，当滑移装载机动臂油缸或铲斗油缸受到过大的外载荷时，泵的输出压力随外载荷增加，当泵的输出压力超过系统所设定的压力时，液压油全部通过溢流阀流出，此时泵输出的高压油的能量经溢流阀转换为热能，使得液压油的温度上升，产生溢流损失。液压油通过溢流阀时产生的压力损失为[36]： （1.2）式中：—溢流阀溢流压力；—流过溢流阀的流量。中位卸荷损失：当滑移装载机处于待机状态时，泵输出的液压油直接通过中位流回滑移装载机油箱，由于液压油流过管路、阀口等时，会产生一定的卸荷损失，其卸荷压力损失约为0.5MPa，此时定量泵仍然处于高排量状态，其能量损失以热能的形式浪费掉。换向阀处于中位时形成的卸荷损失为： （1.3）式中：—液压泵的卸荷压力；—液压泵的卸荷流量。沿程功率损失：沿程功率损失主要存在于液压管路上，滑移装载机工作泵与工作元件之间需要通过管道进行连接，通过管道将液压泵产生的高压油传输给工作油缸，控制工作油缸进行相应动作，由于管壁和液压油之间存在摩擦，因此沿程功率损失也是不容忽视的。沿程功率损失主要由于管道的直径、管道内壁的摩擦系数、液压油的黏度和流经管道的长度等相关，可以通过合理的选择大通径管道、选取内壁更光滑的输油管、合理的选择液压油的黏度以及在更合理的管道排布等。油液通过管路产生的沿程功率损失为[37]： （1.4）式中：—沿程压力损失；—流过管路的流量。沿程压力损失主要是由于液压油存在一定的黏度，因而在流经管道时存在与管道的摩擦力与附着力。 （1.5）式中：—管道内沿程阻力系数；—油液动力粘度；—油液流经管道的长度；—管路的流通直径；—油液在管道内的平均流速。泄露损失：由于液压油的液体特殊属性，液压系统在正常工作时，从液压元件的密封处会泄露出少量的液压油，产生泄露损失。系统运行一段时间后，由于液压元件在设计生产加工存在一定的缺陷，以及系统受到冲击和震动，另外液压油在工作过程中受到污染，在系统工作一段时间后，都会导致液压油的泄露损失，并且随着使用的时间增加，泄露损失逐渐增大，一般来说泄露损失远远低于其它形式的液压损失。滑移装载机工作液压系统效率为： （1.6）式中：—液压系统的有用功率；—输入液压系统的总功率。根据公式可得：在输出功率不变的情况下，要想提高滑移装载机的能量利用率，实现节能，就必须减小溢流损失、中位卸荷损失、节流损失、沿程功率损失。前三种主要能量损失都是由于滑移装载机工作液压系统采用定量泵作为供油泵，使得泵的输出流量不能随系统的需求而发生改变，产生的多余的流量被转化为热能损耗掉，解决这些能量损失问题应该从泵的角度来进行考虑，其中选择变量泵来适应滑移装载机在工作过程中工作机构对于不同工况下系统需要的流量是一种很好的解决方案。1.4不同工况下液压系统功率损失(Powerlossofhydraulicsystemunderdifferentworkingconditions)滑移装载机在建筑施工、矿山、环境绿化、港口码头等方面有着广泛的应用，其工作主要是将物料铲装转移或者是将物料进行装载[38-39]。滑移装载机在装卸货物的一个标准流程如下：铲斗插入物料——铲斗收斗——动臂举升——铲斗翻斗将物料卸载——动臂下降。操作者操纵滑移装载机向前行驶，将铲斗插入物料，此时发动机为行走液压系统提供动力，工作机构液压泵处于卸荷状态。操纵先导阀控制铲斗联多路阀打开，液压油流进铲斗油缸有杆腔，铲斗收斗，随后控制动臂先导阀打开动臂联多路阀，液压油流入动臂液压缸无杆腔推动动臂举升，同时液压油经动臂油缸有杆腔流出，一部分经调平阀流入铲斗油缸，铲斗保持水平，另一部分直接流入油箱。动臂到达最高点或到达指定高度时，控制铲斗油缸伸出，将物料卸出，下降动臂到起始点。其主要功率损失有溢流功率损失、节流功率损失、卸荷功率损失、沿程功率损失和泄露功率损失等其它功率损失，其中泄露损失主要由各元器件结构特性和制造精度有关，沿程功率损失主要与管道的排布和选择有关。本文主要针对WS85型滑移装载机工作液压系统在单个工作循环中，由于其液压系统本身原因所带来的能量损失问题进行研究。插入工况：铲斗在插入物料时，滑移装载机工作液压系统中各工作油缸无流量流入，由于采用定量泵，泵持续输出流量，液压泵的输出的流量通过多路阀中位流入油箱，因此液压泵中位卸荷的功率损失不能忽略。收斗状况：铲斗装入物料后，驾驶员需要通过对铲斗进行收斗后举升动臂，此时控制控制铲斗油缸多路阀开口大小来实现铲斗的稳定收斗，操人员控制铲斗联多路阀使液压油缓慢流入铲斗油缸有杆腔。但由于WS85型滑移装载机采用定量泵驱动，定量泵输出的流量恒保持不变，多余的流量通过节流口流回油箱，产生节流损失。另外在铲斗到达最大收斗位置时，操人员需要一定的反应时间才能将操作手柄推回中位，此时工作液压系统压力急剧升高到溢流阀所设定的压力，从而产生溢流损失。动臂举升工况：液压油通过多路阀动臂联流入液压油缸，在动臂举升时需要保证动臂能够快速稳定的升高，多路阀开口达到最大值，此时无节流损失，液压泵输出的功率被负载完全吸收，几乎没有能量损失。当动臂到达最大限制位置时，操作者不能及时将动臂联多路阀推回中位，此时多余的流量通过溢流阀流出，产生溢流损失。卸料工况、动臂下降工况，由于铲斗和动臂自身的重力作用，泵几乎不提供额外的压力，液压系统几乎没有能量损失。综上，液压系统的功率损失只有控制执行元件运动的多路换向阀节流口处产生的节流损失、卸荷损失和多路阀未能及时到达中位时的溢流损失。1.5泵的输入功率（Pumpinputpower）液压泵从原动机吸收的功率为[40]： （1.7）式中：N—泵吸收的功率；n—泵轴的转速；M—泵轴的输入转矩；P—泵的出口压力；q—泵的排量；—泵的总效率。其中泵的实际输出流量为： （1.8）式中：—泵的容积效率。泵的效率： （1.9）式中：—泵的机械效率；—泵的容积效率。由上文分析可知，发动机所输入的功率被泵所吸收，泵的输出的功率由负载的大小决定，当负载所需流量较小时，发动机转速不能发生改变，从而使得定量泵输出的流量无法随负载需求而减小，导致多余的能量被浪费，从而产生能量损失。采用变量泵可以通过调节泵的输出流量的多少来使泵输出的流量于负载所需流量相匹配，从而使泵从发动机吸收的能量与负载所需能量相同，减少中间环节所带来的能量损失，达到滑移装载机工作液压系统的节能。下面对定量液压系统和变量液压系统进行对比分析，以滑移装载机工作过程中快速举升和慢速举升为例。图1.5定量系统能量损失Fig.1.5Quantitativesystemenergyloss由图1.5可以看出，当操作者操纵多路阀阀口开度减小时动臂提升速度随之减小，由于采用定量泵，滑移装载机在多路阀处的节流损失随着阀开口的减小而增大。滑移装载机在进行工作时需要经常通过控制动臂减速稳定到达指定位置，因此节流损失较大。另外当动臂液压缸或者铲斗液压缸到达极限位置时，没能及时操纵多路阀回到中位，此时泵输出的高压油全部经溢流阀流回油箱，造成极大的能量损失。图1.6变量液压系统耗能图Fig.1.6Energyconsumptiondiagramofvariablehydraulicsystem由图1.6可以看出，通过调节多路阀开度来控制动臂运动的速度，当控制多路阀开口减小时，变量泵的排量随之减小，使变量液压泵输出负载所需的流量，不会产生流量的节流和溢流损失。滑移装载机油缸杠杆在运动到最大限制位置时，液压泵输出流量不变，这部分流量全部经溢流阀损失掉，因此通过采用变量泵，可以有效的减少节流溢流损失，实现滑移装载机节能的目的。其中负载敏感液压系统是一种很好的变量泵解决方案，能够使泵的输出压力和流量自动适应负载的要求，使系统在工作时液压泵提供的功率接近负载需要的功率，减少由于泵和负载不匹配的功率损失，减少能量的损耗。（a）定量泵功率损耗图（b）负载敏感泵功率损