液压挖掘机节能控制系统的研究与开发

作者：中国一拖 丁仲毅 刘晋军

欢迎访问e展厅 展厅 1 挖掘机/推土机展厅 推土机, 履带挖掘机, 轮式挖掘机, 二手挖掘机, 小型挖掘机, ... 内容摘要：本文主要介绍了液压挖掘机节能控制系统的研究与开发。包括对液压挖掘机在作业过程中的能量损失分析；该控制系统的方案与功能及其节能效果、作用与意义。 关键词：液压挖掘机 节能控制系统 1 单斗液压挖掘机在作业过程中的能量损失简析 单斗液压挖掘机在工作过程中的能量损失，除了一般的机械损失、管道损失和泵的效率损失等以外，还有以下几个主要方面： （1）发动机喷油提前角不正确引起的效率低下。 （2）发动机和液压泵不匹配所造成的能量损失，即当发动机和液压泵联合工作时，存在一个联合工作特性，其中的联合工作效率与泵的转速、压力和流量相关。一般情况下，发动机一液压泵系统不大可能在各种工况下都处于最佳经济工作状态，从而造成一定的能量损失。发动机——液压泵的总功率损失为： Nz=P0Qmax/ηmηy 式中：ηm——发动机机械效率，即ηm=Ne/Nt（N一发动机有效功率；N一发动机指示功率）； ηy——液压泵总效率。应当注意，发动机和液压泵在低负荷、高转速下的效率ηm、ηy是很低的。 （3）液压油的流量损失，由流量损失而引起的功率损失面ΔN＝PΔQ（ P为液压油压力，ΔQ为损失的流量），由下列几部分组成： （a)对由液压系统泄漏产生的损失。 （b）当各操纵阀处于中位（挖掘机不工作）时，如果不降低发动机转速，则液压功率的损失为： Ny1=P0Qmax 式中：P0——液压系统的背压；Qmax——液压泵的最大流量。 （c）溢流损失，由溢流产生的液压油功率损失为： Ny2=PmaxΔQ 式中：Pmax——溢流阀开启压力（约等于系统最高压力）；ΔQ——溢流量。 由溢流引起的发动机一液压泵系统的总功率损失为： Nz=Ny2ηm/ηy=PmaxΔQ/ηmηy 这种工况下的ηm\、ηy都比较高。 （4）液压油的压力损失，主要由两部分组成：第一部分是当液压油通过管道和接头等的沿程损失，这种损失是不可避兔的；另一部分是当挖掘机进行精细作业时，液压油经过控制阀节流时产生的损失。 2 控制系统的方案与功能 本控制系统是以节能为主要目的，然而，在不改变液压系统和发动机内部结构的前提下，要全面彻底地消除上述能量损失是不可能的。本着积极稳妥和实用的原则，确定所开发的控制系统以液压系统压力为判断信号，判断挖掘机的工作状态。由微机根据挖掘机所处的不同状态，通过步进电机控制发动机油门，使发动机稳定在要求的转速附近，其原理如图1。 本控制系统具有以下几个功能： 2．1 自动怠速 当挖掘机处于不工作状态时，计算机自动减小发动机油门开度，使发动机处于怠速状态，其判断依据是液压系统压力。据实测，当各操纵阀均处于中位时，系统压力在5MPa左右，而当挖掘机工作时，系统压力在1MPa以上，所以，将判断压力设定在2MPa。为确信挖掘机确实处于不工作状态，要求系统在小于2MPa的压力下，保持4s后开始操纵油门。当系统压力高于2MPa时，即认为挖掘机处于工作状态，计算机立即控制发动机，使它迅速恢复到设定的工作转速。 2．2 动力模式控制 系统设有高、中、低三个挡位，相应的发动机转速为2000r/min（即最高速）、1760r/min（最高速的 85％）和 1300r/min（最高速的 65％）。当司机根据工作需要选定某一档位时，计算机即可控制发动机，使其稳定在相应的转速附近工作。由于全功率变量泵的吸收扭矩在恒功率调节区段内是不变的，所以高、中、低三个档位的发动机功率也相应地为全功率的11％、85％和65％。 2．3 超载时超载功能 挖掘机液压系统设定的最高压力有一定的余量，当系统在短时间内超载工作时，一般不会对系统产生太大影响，但不能长时间超载工作，否则有可能影响系统和其它元器件的寿命以及产生其它不良后果。为此，控制系统设有短时超载功能。当液压系统压力超过原设计的最高压力（暂定30MPa）ZMPa以内时，挖掘机仍能正常工作8s，以便工作装置能克服临时的较大阻力，以提高工作效率。同时，为保护系统安全，不致使液压系统长时间超载工作，当超载8s后，控制系统自动将发动机转速降低到1100r/min左右并报警，让司机改变操作方式。当系统压力降到最高设计压力以下时，控制系统使发动机迅速恢复到原来的转速。 2．4 溢流控制 当液压系统压力接近或达到溢流阀开启压力（暂定32MPa）时，控制系统自动迅速降低发动机转速至 1100r/min，以减小溢流量；当液压系统压力小于设定的最高压力（暂定30MPa）时，控制系统将使发动机迅速恢复到原来的转速。 2．5 具有手动控制和微机自动控制并行、手动控制优先的功能 3 控制系统的节能效果 3．1 降低液压系统中位损失 当单斗液压挖掘机暂时处于不工作状态，各操纵阀均处于中位时，液压系统的压力一般较低，而由变量泵特性知，此时流量达到最大，即为图2所示的Qmax，系统总的功率损失为： N1=（QmaxP0/ηeηB）+Nf (1) 式中：P0——液压系统的背压；ηe——发动机的有效效率；ηB——液压泵效率；Nf——附加功率。 QmaxP0的值为图 2中P0－ C－ Qmax－0所围成的面积。 自动控制系统的自动怠速功能可实现当各控制阀处于中位时自动迅速减小发动机油门，使发动机工作在规定的最低转速。在该转速下，液压泵的工作特性曲线为图 2中的Pmax－a－b－c－Q0曲线。图中，Q0的值基本上与液压泵的转速成正比，而附加功率Nf的大小也近似地与转速成正比。当发动机转速从ne降到ne’时，其能耗下降率约为： un=(ne-ne´)/ne (2) 如以一拖公司生产的DF—WY32单斗液压挖掘机而言，ne＝2000r／min，根据发动机的怠速特性，确定ne´＝800r／min，则能耗下降约为 60％左右。转速下降后，变量泵部分的能耗下降量为图2中阴影面积。 3．2 发动机和变目泵的经济性匹配运转 发动机和变量泵的联合工作效率为： η=ηeηB=MeneP0Q0/GehnMInI=f(Me、ne、MI、nI) （3） 系统的联合工作效率η仅仅是压力P0和转速nI（或ne）的函数。由于压力凡取决于外载，因此仅有转速ne是可选择的。对于某一确定的发动机一变量泵系统，对每一个压力P0都存在一个使联合工作效率η最大的最优转速ne1。对DF－WY32型单斗液压挖掘机而言，在不同工作压力时，发动机的最优转速均在1700r/min左右。为此，自动控制系统中设有最经济工作档位（即动力模式控制中的中档），选择该档工作时，比在额定转速（2000r／ndn）下工作时可节能 13％左右。 3．3 降低节流损失 节流损失主要发生在轻载低速作业。如图3所示，设工作装置所需工作压力为Pl，所需工作流量为 Q2但在变量泵外特性曲线AB上Pl和Q2分别对应于d、c两个工作点。为满足工作的需要，司机必须利用控制阀的部分节流作用，将变量泵工作压力提高到P2，使之工作在c点，由此产生的节流损失为：δ=Nj（P2－P1）Q0。，即为图3中阴影部分的面积。如果能改变变量泵的转速，使工作特性曲线通过e点，便可消除这一损失。本控制系统的工作模式控制主要是为此而设置。适当选择其中的某一工作档，虽不能使工作曲线恰好通过e点，但能接近于e点，从而减少了节流损失。 3．4 降低溢流损失 溢流损失主要发生在低速和超载。如图4所示，当工作装置所需流量为Q1，小于Q0，或工作压力超过溢流阀调定压力时，溢流问将被打开，产生溢流损失。所损失能量为现一（Q1－Q0） Pmax，其值为图4阴影面积。为消除或减少溢流损失，自动控制装置在溢流闹开启之前能自动降低发 动机转速，使原工作特性曲线AB变为ah，直至发动机降到设定的最低转速为止。即使还不能完全消除溢流，但溢流量已减少了很多。 4 作用 本系统以节能为主要目的，同时兼有改善操作性能、减轻司机劳动强度和提高作业效率的作用。 4．1 节能效果 该系统能较好地减少挖掘机的中位损失、溢流损失和节流损失。该系统装在DF－WY32上，经验证明节约能源10％一15％左右。对于具有单泵和定量泵系统的单斗液压挖掘机，则效果更好。 4．2 改善操作性能 采用本控制系统后，司机一旦根据作业对象等确定了系统的动力模式后，不管挖掘机处于什么工作状态，发动机均可由计算机控制，并使之处于较为理想的工作状态，从而改善了操作性能。 4．3 提高作业效率 本控制系统的短期超载功能，既有效地保护了系统的安全，又提高了挖掘机克服短时间超载的能力，从而节省时间、提高效率。另外，液压系统的压力油能量损失降低后，减少了液压系统的发热，从而提高和稳定了系统的工作性能。 (end)

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