节能技术在挖掘机液压系统上的应用分析

1、 节能技术在挖掘机液压系统上的应用分析Energy savings technology on excavator hydraulic system王玉林1，黄鸣辉1，张军2WANG Yu-lin, HUANG Ming-hui, ZHANG Jun（1. 常林股份有限公司，江苏 常州 213002；2.长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710054）液压挖掘机属于高能耗的工程机械，大部分功率损失于液压元件的节流和溢流调节，因此节能研究成为挖掘机研究的热点。电子节能及控制技术成为液压挖掘机技术发展的主要方向，一方面围绕挖掘机各重要环节，采用混合动力、电喷发动机、正流量控制

2、、负流量控制等技术提高动力源、传动系统和执行机构三个环节的效率；另一方面围绕液压挖掘机整机的性能匹配进行展开，根据工作装置和用途的不同采用分工况、分功率控制的方法，提高整机的动力性、经济性和操作性。挖掘机主要由发动机、液压系统、控制系统和工作装置构成，其中工作装置的国产化已基本完成，而发动机和液压系统均采用进口产品，因此各主机厂的节能研究主要是采用相关技术提高发动机以及发动机与液压系统匹配的利用率。目前市场上主流的中型挖掘机仍然以机械调速发动机和负流量的液压系统为主，探讨在此基础上的节能研究具有较大的现实意义。本文以福马公司近年新开发的21t挖掘机ZG3210-9C为对象分析其节能技术的应用。

3、该机采用康明斯6BTAA5.9-C150发动机和川崎公司KMX型多路阀和K3V液压泵组成的液压系统，通过降低发动机能耗、改进控制系统性能、改善发动机与液压系统的功率匹配等方法，积极开展节能减排的研究，经整机试验发现比普通机型节省燃油消耗15左右，取得了良好的效果。1控制系统功能改进1.1设定经济挡位，充分利用发动机低油耗区发动机工作在高转速时，由于曲轴高速旋转，活塞与气缸的磨损加剧，将有更多的能量消耗在摩擦上，导致能量利用率较低。而低速大扭矩情况下，由于转速低、负荷大，进气系统、涡轮增压器等性能在不同程度上都会下降，导致进气冲量系数低，燃烧恶化，燃油利用率极低。发动机在中间转速时，油耗值最低。

4、各参数变化的详细情况可参见发动机万有特性曲线。挖掘机在使用过程中，由于工况不同，负载变化较大，对发动机所需提供的转速和扭矩瞬态变化较大。为响应不同工况的作业要求，电控系统设定重载（H）、正常（S）、轻载（L）、破碎（B）四种模式，发动机油门旋钮设定十挡电流。根据泵的功率曲线分别计算出在不同的转速下，泵所需吸收的最大扭矩，在发动机万有特性曲线上标注出H、S、L三种模式下扭矩区间，我们可以发现：在H模式下，转速设定区间为17501950rpm，发动机油耗曲线为最建筑机械化2011(05 31 低油耗的105%；在S模式下，转速设定区间为15501750rpm，发动机油耗曲线为最低油耗的101%10

5、2%；L模式下，在转速13501550rpm 区间内，发动机油耗曲线为最低油耗的102%105%。在S和L模式下，整机运行在发动机万有特性曲线的最低油耗区域，使系统不仅能获得较高的工作效率，而且能降低燃油的消耗和发动机噪声。根据作业的要求，由驾驶员先选定工作模式，并设定挡位电流，系统将自动调节柴油机油门开度。通过柴油机液压泵的联合调节，使液压泵的吸入功率等于柴油机的输出功率，同时可以使柴油机工作在最佳工作点。1.2根据作业工况，优化发动机控制当挖掘机由于等待运输车辆等原因而短暂停止操作时，控制柴油机油门开度，使其处于自动怠速状态1350rpm。重新操纵挖掘机作业时，柴油机转速自动恢复到正常工作

6、时的转速状态。采用自动怠速替代柴油机的高怠速工况，不仅降低了空载时的能量消耗，同时也降低了噪声，有利于柴油机寿命的延长。当负载超过限值时，控制系统进入瞬时增力模式。通过驾驶室内侧先导手柄上的增力按钮，在挖掘作业过程中，按一下瞬时增力按钮，则瞬时增力电磁阀接通9s。连续按下超过9s时，瞬时增力电磁阀要断开9s，然后再接通（即连续增力默认为9s，超过9s要断开，9s后才能继续增力）。此时系统压力将由330bar升至350bar，挖掘力可增加6%。在动臂下降回路增加压力检测，由于重力作用原因，对工作压力和流量要求不高，系统功率需求较小；通过电控系统自动调节油门开度，由于载荷较轻，发动机转速提高，泵排

7、量增加，在不影响工作效率的情况下，降低了发动机能量消耗。1.3优化加载特性，提高响应速度充分利用发动机的调速率，康明斯发动机调速率为12%。调速率越小，发动机突加载时的瞬态供应量越大，总油耗也就越高。控制系统通过监测发动机的实际转速，调节泵的电磁比例阀电流，改变泵的排量，从而使泵的吸收功率与发动机的输出功率相同，使发动机转速稳定在设定值附近，减小油耗。选用高灵敏度的油门执行机构，调高控制器采集转速的处理速度，提高泵排量改变的响应速度，提高整机的工作效率，降低油耗。1.4自研控制系统，扩展系统功能在发动机和液压系统不能改变的前提下，为进一步达到节能研究，公司采用德国Hersmor G16控制器，

8、上海派恩科技真彩SPN 5300显示器，南京吉美思的GMS101-4DGPS模块构建了一套挖掘机控制系统，以转速感应的PID调节的恒功率控制方法，保证作业状态下发动机功率的充分利用；同时采用基于泵出口压力反馈的控制方式，当泵压力超过设定上限2s时间，关闭泵排量，降低溢流造成的损失。2液压系统的优化2.1能量再生和回收利用在挖掘机作业过程中，位能和动能的损失较大。工作装置回路和回转系统都可考虑能量再生利用。目前，大多数挖掘机上动臂或斗杆都采用了再生回路，提高了工作装置的作业速度，改善了复合操纵性能，使液压系统的能耗降低，效率提高。选用川崎公司的KMX15RA多路阀，该阀的斗杆控制回路中，有杆腔的

9、液压油通过一个内置的单向阀进入无杆腔，从而实现回油再利用，如图1所示。Q Q maxmax 图1压力切断阀的节能效果2.2降低液压系统沿程损失液压油通过管道和接头等的沿程损失, 这种2011(05 损失是不可避免的。液压系统的沿程压力损失所造成的功率损失也是不可小视的。在泵出口处测得的空流压力（大约有23MPa）中有很大一部分是沿程压力损失。调整液压系统胶管走向，将回转马达泄油、行走马达泄油、主阀泄油口由原来的随系统回油经回油滤清器回油箱，现调整为直接回油箱，降低泄油口背压；增大主泵出口处胶管通径，调整高压胶管、回油管路中低压胶管材料等；通过一系列改进，改善了液压系统沿程损失，降低油耗，降低液

10、压系统热平衡温度。2.3增加系统压力切断功能压力切断是为了消除系统过载时的溢流损失而代替溢流阀的一种压力调节控制，在液压泵高压出口下游设置了压力切断阀，如果液压泵的出口压力超过压力切断阀设定压力（公司配套主泵压力设定值为350bar），压力切断阀输出一个与压力增加成比例的控制信号给液压泵，将液压泵流量降到接近零流量，而输出仍保持在系统压力附近。当液压泵进入压力切断控制时，虽然系统压力很高，但由于此时液压泵的输出流量接近零，功率损耗很小。见图2。的设计和布置，降低风道的压力损失，避免热风回流，提高系统散热能力，控制液压系统油温在80左右，从而提高液压元件效率，延长使用寿命；选用低功耗的风扇，降低

11、发动机功率损耗。3.2液压泵和发动机的功率匹配转速波动是导致发动机燃油利用率下降的主要原因之一，因此作业时降低转速波动可有效提高发动机的燃油利用率。一方面控制系统采用分工况的功率控制方式，设置3种功率模式和10挡油门，以满足不同的作业工况，提供系统利用率；另一方面增加辅助的控制功能，如自动怠速，自动减速和机械怠速等功能，进一步降低能耗。（编辑吴学松）中图分类号 TH621文献标识码 B文章编号 1001-1366(201105-0031-03收稿日期 2011-03-293整机性能优化3.1发动机布局的改进选用优质进口散热器产品，优化冷却系统建筑机械化2011(05 33 21 When EU

12、 stage face the cognitive limitation and poor quality dieselIn April this year, the national construction machinery equipment users committee received a quality complaint that from Tangshan individual user on account of some Japanese brand excavator.The problems re ected that construction machinery

13、users have cognitive limitations of environment-friendly products and the reality that part diesel have a poor quality,are becoming the major obstacles of our national construction machinery energy saving and emission reduction.24 Product upgrading access to more ef cient and greenerAt the CONEXPO-C

14、ON/AGG 2011, one of the best attraction was "environmental protection and energy saving", European and American main construction machinery enterprises introduced series of products with a Tier 4 emissions solution, almost all of the engine manufacturers brought their overall upgrade produ

15、cts with Tier 4 emissions solution, construction machinery industry tend to cleaner, more environmentally friendly and more ef cient, driving the whole products upgrading.31 Energy saving technology on excavator hydraulic systemEnergy saving technology on excavator is advantage to product competitiv

16、eness, energy conservation and emission reduction. Analysis of the hot energy saving research on excavator in domestic and international and the main reason for the power loss. Combining application experience, put forward some energy saving technologies application to excavator.52 TBM technology ap

17、plied to the rst phase of Chongqing metro line 6The rst phase of Chongqing metro line 6 is the rst urban subway project applied the TBM technology. According to the construction of the first phase of Chongqing metro line 6, this paper analyzed the TBM construction adaptability, introduced in detail

18、the TBM equipment selection and key construction technology60 The application of intelligent compaction system on the subgrade construction ofLanzhou-Xinjiang second lineAt the present stage, subgrade construction account for a large proportion of passenger train and bullet train construction. To ensure the quality of subgrade, strengthen the process control, continuous compaction test control technology (intelligent compacti