挖掘机液压流量控制方式及节能分析

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1、挖 掘 机 液 压 流 量 控 制 方 式 及 节 能 分 析任 长 新(青 海 第 三 路 桥 建 设 有 限 公 司 西 宁 810008)摘 要 阐 述 挖 掘 机 液 压 系 统 流 量 控 制 方 式 的 发 展 过 程 ,及 其 功 率 流 程 和 动 作 过 程 ,分 析 了 节 流 调 速 、负 流 量 控 制 和 正 流 量 控 制 等 主 要 流 量 控 制 方 式 的 结 构 和 性 能 上 的 优 缺 点 ,展 望 了 挖 掘 机 液 压 系 统 功 率控 制 方 式 的 发 展 方 向 。关 键 词 机 械 工 程 土 方 机 械 液 压 系 统 流 量 控 制1 引

2、 言挖 掘 机 在 建 筑 、 筑 路 、 水 利 、 电 力 、 采 矿 、 石 油 、 天 然气 管 道 铺 设 和 军 事 工 程 中 被 广 泛 地 使 用 ,主 要 用 于 筑路 工 程 中 的 堑 壕 开 挖 ,建 筑 工 程 中 开 挖 基 础 ,水 利 工 程中 开 挖 沟 渠 、 运 河 和 疏 浚 河 道 ,在 采 石 场 、 露 天 开 采 等工 程 中 剥 离 和 矿 石 的 挖 掘 等 。 据 统 计 ,工 程 施 工 中 约60 %的 土 石 方 量 是 靠 挖 掘 机 完 成 的 。 此 外 ,挖 掘 机 更换 工 作 装 置 后 还 可 进 行 浇 筑 、 起

3、重 、 安 装 、 打 桩 、 夯 土 和拔 桩 等 作 业 。液 压 挖 掘 机 是 一 种 大 功 率 土 石 方 施 工 机 械 ,液 压 挖掘 机 的 节 能 研 究 一 直 是 工 程 机 械 领 域 中 的 重 要 科 研 课题 。挖 掘 机 工 作 过 程 中 ,动 力 从 发 动 机 输 出 ,经 过 液 压泵 、 液 压 阀 、 液 压 油 缸 和 马 达 后 对 外 做 功 ,完 成 土 石 方移 动 作 业 。 挖 掘 机 各 运 动 和 动 力 传 输 路 线 如 下 :(1)行 走 动 力 传 输 路 线 :柴 油 机 联 轴 节 液压 泵 (机 械 能 转 化 为

4、液 压 能 ) 分 配 阀 中 央 回 转接 头 行 走 马 达 (液 压 能 转 化 为 机 械 能 ) 减 速 箱 驱 动 轮 轨 链 履 带 实 现 行 走 。(2)回 转 运 动 传 输 路 线 :柴 油 机 联 轴 节 液压 泵 (机 械 能 转 化 为 液 压 能 ) 分 配 阀 回 转 马 达(液 压 能 转 化 为 机 械 能 ) 减 速 箱 回 转 支 承 实 现 回 转 。(3)动 臂 运 动 传 输 路 线 :柴 油 机 联 轴 节 液压 泵 (机 械 能 转 化 为 液 压 能 ) 分 配 阀 动 臂 油 缸(液 压 能 转 化 为 机 械 能 ) 实 现 动 臂 运

5、动 。(4)斗 杆 运 动 传 输 路 线 :柴 油 机 联 轴 节 液压 泵 (机 械 能 转 化 为 液 压 能 ) 分 配 阀 斗 杆 油 缸(液 压 能 转 化 为 机 械 能 ) 实 现 斗 杆 运 动 。(5)铲 斗 运 动 传 输 路 线 :柴 油 机 联 轴 节 液压 泵 (机 械 能 转 化 为 液 压 能 ) 分 配 阀 铲 斗 油 缸(液 压 能 转 化 为 机 械 能 ) 实 现 铲 斗 运 动 。提 高 上 述 各 个 环 节 的 功 率 传 输 效 率 可 以 起 到 节 能的 效 果 ,如 :降 低 发 动 机 的 单 位 功 率 的 油 耗 (即 比 油耗 )

6、、 提 高 液 压 泵 的 容 积 效 率 和 机 械 效 率 、 降 低 液 压 阀的 压 力 损 失 和 流 量 损 失 、 提 高 液 压 缸 和 马 达 的 效 率 等 。目 前 ,挖 掘 机 所 用 的 柴 油 机 和 液 压 元 件 效 率 很 高 ,进 一 步 提 高 元 件 的 经 济 性 难 度 较 大 。 如 : 力 士 乐(REXROTH)系 列 变 量 柱 塞 泵 和 变 量 柱 塞 马 达 的 容 积效 率 已 经 高 达 97 % ,总 效 率 也 超 过 了 90 ,进 一 步 降 低其 能 量 损 失 十 分 困 难 。整 个 动 力 传 动 系 统 的 功 率

7、 匹 配 和 功 率 控 制 的 效 率提 高 空 间 很 大 。 发 动 机 与 液 压 泵 的 静 态 功 率 匹 配 特 性是 系 统 经 济 性 的 基 础 ,发 动 机 和 液 压 系 统 的 动 态 控 制方 式 和 控 制 策 略 决 定 了 挖 掘 机 的 实 际 经 济 性 。动 态 功 率 匹 配 的 目 的 是 实 现 发 动 机 对 执 行 元 件 的功 率 实 时 匹 配 。 由 于 液 压 系 统 压 力 是 实 现 挖 掘 力 的 主要 条 件 ,所 以 ,液 压 系 统 的 功 率 动 态 匹 配 实 际 上 是 流 量的 实 时 匹 配 。2 流 量 控 制

8、方 式目 前 ,挖 掘 机 液 压 系 统 的 流 量 匹 配 方 式 主 要 包 括节 流 调 速 系 统 、 负 流 量 系 统 和 正 流 量 系 统 。2. 1 节 流 调 速 控 制图 1 节 流 调 速 原 理 图9青 海 交 通 科 技 2010 1节 流 调 速 控 制 的 原 理 图 如 图 1 所 示 。节 流 调 速 系 统 是 采 用 定 量 泵 供 油 的 阀 控 制 节 流 调速 系 统 。 系 统 采 用 定 量 液 压 泵 供 油 ,泵 出 口 经 过 主 阀芯 分 别 与 执 行 元 件 和 油 箱 连 通 。 先 导 压 力 pst 能 够 比例 控 制 主

9、 阀 芯 行 程 ,进 而 控 制 主 泵 通 向 执 行 元 件 和 油箱 的 开 口 大 小 。当 操 作 人 员 加 大 手 柄 偏 角 时 ,先 导 压 力 推 动 主 阀芯 A1 移 动 ,主 泵 通 向 执 行 元 件 的 开 口 增 大 ,同 时 主 泵通 向 油 箱 的 开 口 相 应 减 小 ,主 泵 的 流 量 更 多 的 流 入 执行 元 件 ,执 行 元 件 的 速 度 也 相 应 增 加 ,实 现 了 操 作 人 员的 增 速 期 望 。当 操 作 人 员 减 小 手 柄 偏 角 时 ,动 作 过 程 与 上 述 相反 ,但 无 论 操 作 人 员 手 柄 如 何 动

10、 作 ,泵 的 流 量 并 未 发 生改 变 ,为 了 使 挖 掘 机 具 有 较 高 的 工 作 速 度 ,定 量 泵 的 流量 往 往 与 执 行 元 件 的 最 高 速 度 相 匹 配 ,定 量 泵 具 有 较大 的 流 量 。定 量 泵 的 流 量 分 为 两 部 分 :一 部 分 通 过 主 阀 芯 进入 执 行 元 件 对 外 做 功 ,另 一 部 分 经 过 主 阀 芯 回 油 箱 。由 于 挖 掘 机 在 一 个 工 作 循 环 内 运 动 部 件 的 速 度 变 化 较大 ,相 应 的 执 行 元 件 的 流 量 波 动 也 很 大 ,当 执 行 元 件 由高 流 量 需 求

11、 变 为 低 流 量 需 求 时 ,系 统 的 剩 余 流 量 全 部经 过 主 阀 回 油 箱 ,所 以 系 统 的 流 量 浪 费 比 较 严 重 。 另外 ,挖 掘 机 工 作 时 ,外 部 负 载 在 执 行 元 件 的 驱 动 侧 建 立了 较 高 的 压 力 ,而 主 泵 的 流 量 在 经 过 主 阀 节 流 孔 A1时 也 有 一 定 的 压 力 降 ,即 ,主 泵 出 口 的 压 力 等 于 执 行 元件 的 驱 动 压 力 与 节 流 孔 A1 处 的 压 力 降 之 和 。 由 于 油箱 的 压 力 接 近 于 零 ,所 以 主 泵 出 口 压 力 几 乎 全 部 降 落

12、在 主 阀 通 向 油 箱 的 开 口 处 。 可 见 ,由 定 量 泵 驱 动 的 阀控 调 速 系 统 的 经 济 性 能 很 差 ,该 系 统 在 经 济 性 上 的 缺点 集 中 体 现 为 流 量 损 失 较 大 。由 定 量 泵 驱 动 的 阀 控 调 速 系 统 具 有 结 构 简 单 可靠 、 控 制 方 便 等 优 点 ,但 其 经 济 性 能 上 的 缺 点 远 大 于 上述 优 点 ,所 以 在 对 经 济 性 要 求 较 高 的 机 型 上 极 少 采 用 ,只 是 在 系 统 流 量 较 小 的 小 型 挖 掘 机 上 采 用 。2. 2 负 流 量 控 制采 用 变

13、 量 泵 驱 动 的 阀 控 系 统 可 以 克 服 上 述 缺 陷 ,目 前 广 泛 采 用 的 负 流 量 控 制 系 统 就 是 采 用 变 量 泵 驱 动的 ,其 液 压 原 理 图 如 图 2 所 示 。负 流 量 控 制 系 统 ,也 是 力 士 乐 上 世 纪 80 年 代 的 技术 ,主 要 特 点 是 :按 主 操 纵 阀 回 油 量 的 大 小 即 主 操 纵 阀阀 后 节 流 孔 前 建 立 相 应 的 控 制 压 力 调 节 主 油 泵 的 排量 。 主 油 泵 的 排 量 与 该 控 制 压 力 成 反 比 。负 流 量 系 统 是 在 节 流 调 速 系 统 的 基

14、 础 上 ,采 用 变量 液 压 泵 驱 动 ,在 主 阀 到 油 箱 的 通 路 上 增 加 节 流 元 件而 组 成 的 。 变 量 泵 的 排 量 由 主 阀 到 油 箱 上 新 增 加 的 节流 元 件 的 上 游 压 力 (通 常 称 为 负 压 力 )调 定 。当 操 作 人 员 加 大 手 柄 偏 角 时 ,先 导 压 力 推 动 主 阀芯 A1 移 动 ,主 泵 通 向 执 行 元 件 的 开 口 增 大 ,同 时 主 泵通 向 油 箱 的 开 口 相 应 减 小 ,主 泵 的 流 量 更 多 的 流 入 执行 元 件 ,执 行 元 件 的 速 度 也 相 应 增 加 ,实 现

15、 了 操 作 人 员的 增 速 期 望 。 同 时 ,主 阀 到 油 箱 的 流 量 相 应 减 少 ,负 压力 相 应 降 低 ,主 泵 排 量 在 弹 簧 力 的 作 用 下 增 加 以 增 加系 统 流 量 ,当 手 柄 偏 角 减 小 时 ,节 流 口 A1 减 小 ,系 统流 量 更 多 的 通 过 负 压 力 节 流 孔 回 油 箱 ,此 时 负 压 增 大 ,克 服 主 泵 变 量 弹 簧 将 泵 排 量 调 小 ,以 降 低 系 统 流 量 。图 2 负 流 量 控 制 原 理 图可 见 ,系 统 流 量 能 够 随 操 作 人 员 对 手 柄 的 操 作 而作 相 应 调 整 ,以 实 现 泵 的 流 量 供 给 与 执 行 元 件 的 流 量需 求 之 间 的 平 衡 。与 节 流 调 速 系 统 相 比 ,负 流 量 控 制 方 式 具 有 结 构上 的 优 越 性 ,其 经 济 性 能 大 大 提 高 ,基 本 上 实 现 了 系 统的 流 量 匹 配 和 功 率 匹 配 。与 节 流 调 速 系 统 相 比 ,负 流 量 系 统 的 压 力 损 失 情况 没 有 发 生 改 变 ,主 阀 到 执 行 元 件 的 开 口 A1 处 仍 然有 压 力 降 ,主 泵 出 口 压 力 全 部 降 落 在 主 阀 到 油 箱