挖掘机节能液压控制系统分析与应用∗李艳杰 1,2于安才 2姜继海 2(1. 沈阳理工大学机械工程学院沈阳 110159;2. 哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨 150001摘要 :深入分析了现代液压挖掘机中三种主流的节能液压系统——负流量控制、正流量控制和负载敏感系统的基本工作原理, 重点分析了它们在不同系列挖掘机中的应用;介绍了两种新型挖掘机液压系统的基本原理;分析表明三种典型挖掘节能液压系统都具有一定的节能效果,但工作原理各有不同;新型的挖掘机液压系统虽然还在研发阶段,但具有更好的节能效果及应用前景。

关键词:液压挖掘机负流量控制正流量控制负载敏感系统中图分类号 TU621Analyses and Application of Energy-Saving Hydraulic Control System of ExcavatorLI Yan-jie1,2YU an-cai2JIANG Ji-hai2(1. School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159;2. School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001Abstract : Negative flow control, positive flow control and load sensing are the general energy-saving hydraulic systems of modern hydraulic excavator. The basic principles of the three typical hydraulic control systems were analyzed deeply. Their application in different kind of excavators is mainly analyzed. The principles of two newkinds of excavator hydraulic system were introduced. Analyses show, all of the three typical excavator hydraulic control system can realize energy saving, but their principles are different. The two new kinds of excavator hydraulic control system can realize better energy saving and their application prospect are better. Key words: Hydraulic excavator Negative flow control Positive flow control Load sensing system0 前言液压挖掘机是一种功率比较大的工程机械,但是其能量的总利用率仅为 20%左右 [1]。

受世界能源危机和环境保护的影响, 液压挖掘机实现节约能源、降低排放一直是业界努力追求的目标。

采用节能技术的液压挖掘机能使动力系统与负载所需功率匹配更好,系统发热减少,燃油消耗降低,从而提高系统设备的可靠性和液压元件的寿命。

当前主流挖掘机仍然采用多路阀作为主控阀, 这类系统的主要功率损失包括节流损失、回转机构启动和制动过程中的溢流损失、动臂下降过程中的势能损失和节流损失以及发动机和液压系统功率匹*基金项目:国家自然科学基金资助项目(50375033 ,浙江大学流体传动及控制国家重点实验室开放基金资助项目(GZKF-2008003 配不好而引起的损失等 [2]。

随着液压节能技术的发展,挖掘机的液压系统从最初 20世纪 70年代利用操纵手柄的先导压力对液压泵的排量直接控制,发展到 20世纪 80年代和 90年代的负流量控制、正流量控制和负载敏感控制等多种控制方式 [3]。

混合动力挖掘机 [4,5]和基于二次调节技术 [6]的新型液压挖掘机系统是挖掘机液压系统的新的研究方向,目前有部分成型产品生产,但市场占有率较低。

本文重点分析液压挖掘机负流量控制、正流量控制和负载敏感系统的工作原理及其典型应用,对混合动力挖掘机和基于二次调节技术的恒压网络液压挖掘机系统的工作原理进行了简要的分析。

1 负流量控制1.1 工作原理负流量控制是指液压泵的排量随控制压力信号增大而减小,即控制压力与排量成反比。

负流量控制可以减少主控制阀在中位时液压泵的流量损失, 使液压泵的输出流量按照操作者的操作,按需求提供, 避免传统液压挖掘机中的溢流损失和系统发热。

其不足在于六通多路阀死区较大、调速范围有限, 且受负载影响较大。

图 1为液压挖掘机负流量控制的基本原理图。

图 1 液压挖掘机负流量控制原理图在多路换向阀中位回油通道上设置一个节流口,油液通过节流口产生压差,将节流口前压力引至液压泵变量机构来控制液压泵的排量。

节流口前后压差由薄壁小孔流量特性方程可得:212q p p KAΔ== (1 式中:p Δ——回油节流口前后压差(Pa; 1p ——回油节流口前压力(Pa ;q ——通过回油节流口的流量(m 3/s ; K ——系数;A ——回油节流口的通流面积(m 2 。

1p 作为控制压力被引到变量液压泵的变量活塞,即 1i p p =。

当回路中多路换向阀各联阀芯均处于中位时, 液压泵的全部流量卸荷,通过节流口的流量 q 达到最大值,根据式(1, Δp =Δp max (该值由与节流孔并联的溢流阀的调定 ,控制油路的压力 p i 提高到最大值Δp max ,使得主泵的排量自动减少到最小。

当多路换向阀任意一联处于最大开度时,液压泵输出流量几乎全部进入相应的执行元件,通过节流口的回油量很小(接近于 0 ,此时, Δp =Δp min ≈0,控制油路的压力p i ≈Δp min ,此时主泵的排量自动增加到最大以满足作业速度的需要。

当多路换向阀的开度在中位和最大开度之间微动时,变量泵的控制压力 p i 在Δp max ~Δp min 之间, 而液压泵的排量也在最小和最大排量之间变化,且 p i 越大,液压泵的排量越小, 即液压泵的控制压力与液压泵的排量成反比。

1.2 典型应用负流量控制本质上是一种恒流量控制,通过在多路阀旁路回油通道上设置流量检测元件,最终达到控制旁路回油流量为一个较小的恒定值,从而减小旁路损失的目的。

流量检测的方法有两种,一种是如图 1所示的简单的小孔节流。

日本川崎公司制造的 K3V 系列主液压泵及 KMX 系列主阀所组成的系统是典型的负流量控制系统 [7~9], 已得到广泛的应用。

该系统采用的就是小孔节流的流量检测方法,结构简单、易于实现。

另一种是采用射流元件进行流量检测。

日本小松公司 PC-5系列的 OLSS (开中心负荷传感系统 [10],就是利用射流传感器进行流量检测,与负流量控制阀(NC 阀配合使用,完成对液压泵的排量的控制。

图 2为 OLSS 系统的简化原理图 [11]。

系统中 NC 阀 (Negative Control Valve 为负流量控制阀,由射流传感器控制。

NC 阀的出口压力 p i 用于控制变量泵的伺服油缸。

CO 阀(Cut-off valve为压力切断阀,当主泵压力达到设定压力时,泵的排量减到最小。

TCC 阀(Torque Contant Valve为恒扭矩阀。

d图 2 日本小松 OLSS 系统的简化原理图2 正流量控制2.1 工作原理正流量控制是德国力士乐公司上个世纪 80年代的技术。

正流量控制用先导压力直接控制液压泵的排量,先导压力越大,液压泵的排量越大。

图 3为正流量控制的原理图。

系统中利用梭阀组实时地检测各先导控制压力中最高压力作为控制压力送入液压泵变量机构来控制液压泵的排量。

1122, , , a b a b 正流量控制系统的主要特点是操纵手柄的先导压力不仅用来控制换向阀,还用来调节液压泵的排量。

执行元件不工作的时候,液压泵上没有先导压力, 斜盘摆角最小, 液压泵只输出少量的备用流量, 可有效消除空流损失。

操纵先导手柄,则液压先导回路中建立起与手柄偏转量成比例的压力来控制换向阀阀芯的位移和液压泵的排量,液压泵的流量和由此产生的执行元件的工作速度与控制压力成正比,能减少旁路节流损失。

正流量系统具有良好的节能效果,并易于实现对液压泵的控制。

图 3 液压挖掘机正流量控制系统原理图相对于负流量控制系统,正流量控制系统的响应时间更短,流量波动更小,可操作性更好,可提高工作效率约 9%,节油 12%左右,系统的可靠性也更高。

但正流量系统的结构复杂,成本高。

2.2 典型应用德国力士乐公司生产的 A8VSO 系列主泵和 M8、 M9系列主阀可构成挖掘机正流量系统 [12]。

该类系统功能较强,节能效果明显,但需要配备梭阀组,结构较复杂,利用梭阀组选取最大的先导压力进行液压泵的排量控制。

该类系统只能根据先导压力最大的一路阀开度控制液压泵的排量,其他各阀的开度无论大小都不参与控制过程,在各阀同时操作时不能进行流量的叠加。

为了改善正流量控制中液压泵的控制性能,力士乐公司 7M9-25主阀预留了液压泵的电控功能。

每个主阀的先导压力利用压力传感器转换成电信号,微处理器将所有的电信号相加,并通过正比例调节减压阀来控制液压泵的排量,即使所有的执行元件同时动作,也能使液压泵的排量调节到满足系统的要求。

川崎 K3V112DTP 系列主液压泵和川崎 KMX15RA 系列主阀可以组成正流量挖掘机液压系统,该系统一方面根据手动先导压力来得到一个主液压泵的排量值;另一方面通过检测主液压泵出口压力(表征负载大小根据 P–Q 曲线得到主泵的另一个排量值; 然后根据这两个值来调整主泵的排量。

我国三一重工在最新推出的正流量挖掘机中, 采用了专利技术 [13],在挖掘机的不同部位分别安装压力、倾角、位移等传感器,各传感器的检测值均输入控制器,控制器将检测数据与挖掘机在各工况 (挖沟、装车、平整等作业时的相应边界条件(动臂与斗杆之间相对运动的角度、各动作先导油路压力、回转角度、动臂油缸伸缩量等数据进行比较、实时判断、区分当前挖掘机的工作模式,从而准确的控制油量的输出与分配,提高了挖掘机的操作性能、工作效率,并实现了系统节能。

3 负载敏感系统3.1 工作原理负载敏感系统发展于 20世纪 80年代的欧洲, 越来越广泛地应用于中小型挖掘机上,节能效能显著。