液压挖掘机节能措施

1、液压挖掘机节能措施 挖掘机是工程机械主力机种，广泛地应用于各个领域，一般采用柴油机，工作时间长，作业负荷重，消耗大量燃料，排放大量废气，因此节能降低燃耗，同时降低排放对保护环境有很重要意义。 燃料能量首先通过发动机转换损失了不少能量。 发动机输出功率大致只有20左右变为挖掘机的有效功。其中约40损失于液压元件约20%损失于车体和作业装置的运动，约20左右损失于节流调速控制。 为了降低能耗，挖掘节能潜力，研究节能措施，需对挖掘机作业能耗全面情况和挖掘机节能技术有所了解。一、液压元件能量利用情况和效率的提高1.泵和马达 目前泵和马达的效率已达到了一定的水平，各著名厂家产品的效率差别不大，要进一步提

2、高效率已较困难，要从材料和结构上作更深入细致地研究。2.控制阀 从阀的设计来看，通过阀内油道、通路形状等改善来降低能量损失的余地已不大，阀体尺寸和阀杆通径确定后，各厂家阀的能耗也已无明显差别。 有人提出采用纯插装阀或插装阀和滑阀的组合阀，利用大开口流通面积，来降低压力损失，但插装阀操纵控制困难，与滑阀相比设计自由度和灵活性差，很难实现所需功能，而且结构复杂，作为挖掘机主控制阀很难采用。 从解决问题简单，不提高成本出发，提高效率的最好方法是增加滑阀直径，但多路阀组有很多联、阀杆尺寸增加将使阀组宽度增大较多，整个阀体重量大大增加。3.管路 管路的损失取决于液压回路设计和管路的布置。尽管简化管路，减

3、少油管长度和管接头，接口位置和管接头也很有关系，有些管接头（特别是软管接头）接头内口径缩小，会产生节流压力损失，需加以改进。 有时人们提到油路系统的功率损失是指不包括泵和马达，从泵出口到马达入口之间的液压功率损失，对挖掘机来说，这个功率损失，作业装置约为2030，行走装置功率损失较大超过50（需经回转接头）。对行走系统油路各处进行测定得知：行走时，控制阀功率损失为15，平衡阀功率损失为15，回转接头功率损失为10，管路和接头等功率损失为15，输给马达的有效功率仅为45左右，损失较大，需提高效率。目前正在考虑取消平衡阀，但平衡阀的作用（防止下坡时马达超速吸空）仍需保留，考虑使行走操纵阀本身具有平

4、衡阀功能，现油压件厂正在研制开发中，认为技术上是可实现的。 挖掘机在装载作业时，CAT公司通过模拟仿真得各部分的能量损失分布情况如图一所示。泵和操纵阀的能量损失占2/3左右，其中操纵阀能量损失较大，因为操纵阀许多功能都集成在其内，油道复杂，要降低压力损失较困难，需要三维立体造型分析，在确保强度的基础上尽可能地扩大通路，努力减少其狭窄部分。另外主安全阀过载特性需改善，在接近溢流压力时要减少其泄漏量。二、液压系统节能措施（一）一般液压系统具有的节能措施1.采用变量泵 采用压力感应恒功率控制，可采用小功率发动机，有效地利用发动机功率，将节流调速改为容积调速减少能量损失。2.减少中位卸载损失和微操作时

5、调速损失 开中心油路采用负流量控制或正流量控制，闭中心采用负载敏感压力补偿控制，使中位时油泵在低压小流量工作，只供应系统冷却润滑和冲洗少量的油。使系统处于待命状态，一旦工作时能快速响应。微操作调速操纵时，油泵能自动改变排量，按所需流量供油。3.高压过载切断 过载溢流时，油泵能自动将流量减至很小，实际作业时，溢流操作情况很少，节能效果不大。（二）液压系统高压化 提高油压，各执行器和附属装置尺寸减小，所需流量降低，因压力损失与流量平方成正比，因此可大大降低能量损失。但近年来压力已提高到35MPa左右，进一步提高遇到了困难，油缸的强度已接近界限，进一步减小油缸直径会造成刚度不够；高压化后为了减少阀的

6、泄漏和提高软管耐压强度等都将使液压系统成本提高，因为这将涉及材料、设计、生产制造技术的提高。从目前的技术水平来看，液压挖掘机油压已到达经济使用压力，要在短期内超越35MPa已较困难。 目前已提出高压化的新目标为45MPa，从液压元件来看，油泵和油马达较易实现高压化，在液压挖掘机中行走比挖掘使用频率低，而且压力损失大，因此行走易高压化，且节能意义较大，目前行走油压超过40MPa问题不大。（三）再生和能量回收1.工作装置再生油路 挖掘机工作装置和机体重量重，惯性大，在作业过程中，位能和动能损失大，应考虑再生利用和能量回收。工作装置动臂、斗杆和铲斗都应考虑采用再生油路，并要注意提高其再生率，工作装置

7、再生概念如图二所示。例如：日立建机1990年在EX-2系列采用了斗杆再生回路。1996年EX-5系列采用了动臂再生回路，斗杆采用了可变再生系统，2000年在ZAXIS系列铲斗也采用了再生回路。目前多数挖掘机上动臂和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和使液压系统的能耗降低，效率提高。 再生时油路模型如图三所示，对中位开式油路存在4个节流开口面积，M/I进油节流，M/D旁通回油节流，M/R再生节流和M/O油缸回油出口节流。M/I和M/D对复合操作影响比较大，希望再生操作时不要变化，要改变再生时油缸速度，最好是调节M/R和M/O的开口面积，对再生来说，合理地设计节流开

8、口面积，能减少泵的负荷，降低油耗，但是节流开口特性，不能仅考虑再生节能，还需考虑操纵性，微动控制性能，因此需综合考虑进行模拟仿真优化设计。2.回转系统能量回收 挖掘机回转质量大，工作频繁，用于回转的能量，最后几乎全部变成热能，使油压系统平衡温度升高，为了降低油温进行散热，又将引起附加能量的消耗。 目前先进挖掘机厂家正在开发回转系统能量回收系统，例如：小松KHER系统（Komatsu Hydraulic Energy Recycling System），用于小松大型挖掘机上。 目前世界上正在研究开发闭回路制动时回转动能的各种回收方法。 采用蓄能器、飞轮和蓄电池等，从实际实现的可能性来说，采用电方

9、法较好，因此电动挖掘机和混合动力挖掘机（电和内燃机组合）较易实现。 应该说再生利用和能量回收是挖掘机节能的重要措施。（四）通过合理流量分配来实现节能 CAT挖掘机旧液压系统设立作业模式，根据作业内容实现最佳流量分配，提高作业效率实现节能。采用模式开关（在电子监视器上）和电磁阀操纵，来实现动臂优先模式（装载作业时）或回转优先模式（回转加力紧贴侧沟挖掘作业）等，但需操纵模式电开关较麻烦，现进行了改进，仅需操纵动臂手柄和回转手柄就能自动实现动臂优先或回转优先。三、发动机节能措施（一）采用直接喷射式和增压发动机 目前柴油机已直接喷射化和增压化，大大降低了油耗，增压发动机广泛采用中冷式。有水冷式和气冷式

10、两种，水冷式利用发动机冷却水来冷却经增压后高温的吸入空气，但发动机冷却水温度高（90左右）、冷却150以上的增压空气效果不好，只能冷却到100左右，采用大气冷却可冷却到50左右，由于空冷效果好，现广泛采用。（二）采用电子控制式调速器 过去柴油机采用机械离心式调速器，无负荷时最高转速比额定功率转速高100200rpm，如图五中虚线所示，离心式调速器负荷变化必然引起发动机转速变化，机械调速器存在调速率问题，采用电子调速器，因燃油喷射量采用电子控制，喷油量与转速没有关系，无调速率问题，如图五中实线所示。燃料喷射不受发动机转速影响，喷射始终保持高压细化，能按发动机运行工况调整喷油规律和喷油状态，能适应

11、急剧的负荷变动，迅速进行调整，提高燃烧效率。（三）电子控制燃料喷射系统 通过电子控制燃料喷射能根据机械状态、负荷情况和司机操纵要求全面正确地控制燃料喷射（喷油压力和喷油状态，喷射开始时间和持续时间，喷射量和喷油规律），获得最佳的燃油经济性，并大大改善排放。（四）自动怠速控制 挖掘机作业过程中，短暂停止操作，发动机自动处于怠速状态。根据日立建机ZX200（20吨级挖掘机）P模式挖掘作业试验得到发动机转速分布规律如图六所示。状态燃耗占时间比例P模式掘削10062P模式空载（高怠速）37自动怠速空载2130低怠速空载128 转速18002000rpm，为发动机额定功率点附近，在16002000rpm

12、范围是P模式领域，是作业状态，占60%以上时间。1200rpm附近是自动怠速领域，占30时间。800rpm附近是低怠速状态，用于暖机运转等，约占8。 以P模式油耗为100，则高怠速、自动怠速、低怠速分别为37、12、12。 采用自动怠速后，替代了高怠速工况，通过简单计算可知，油耗可下降6.8，由于操纵响应和冒烟等原因，自动怠速转速约为1200rpm，不能进一步降低。 如较长时间不作业时，转速能进一步降低到低怠速状态，可进一步降低油耗62。 自动怠速是由操纵阀操纵连动控制的，过去操纵阀一操纵发动机就一下子恢复高速，现已采用操纵阀手柄操纵量与发动机恢复转速连动，这样在微动操纵时发动机转速缓慢上升，

13、防止不必要使发动机转速一下子升得过高，可进一步节能。四、发动机和液压系统联合控制节能措施（一）转速感应全功率控制 过去挖掘机只有压力感应恒功率控制，考虑到外界气压、温度、湿度等影响，以及燃料质量和发动机本身性能下降等因素，因此液压系统吸收功率只能按发动机90左右额定功率设定，不能充分利用发动机全功率。 只有采用转速感应控制，液压系统才能和发动机全功率匹配，发挥发动机全力，在提高生产率的同时，也节约了能耗。（二）不同作业情况下的工况控制 在不同作业工况下，对发动机和液压系统有不同的功率要求，需要有作业工况相匹配的功率特性和设定（发动机转速、泵吸收功率和流量特性等）。日本油谷重工试验证明对某一作业

14、情况有最佳平衡点，过份增加吸收功率，单位油耗作业量不会提高，反而费油，因此工况控制是有效的节能措施。但是过去工况控制采用开关操纵，要选择工况模式，操纵很不方便，因此司机往往为了省事，常放在最大功率模式不动，使工况控制往往不起作用，因此有些挖掘机厂家开发了自动智能识别系统，根据司机的手柄操作情况（操纵量和操纵速度），系统的油压和流量来自动选择最佳作业模式，设定功率，这将成为今后节能的一项有效技术。（三）控制发动机和油泵在联合工作最高效率点上工作 工作装置的速度由泵转速n和排量所确定，虽nq乘积相同，但和值不同，总效率会不同，因此尽量改变，使发动机向高效率点（也需适当考虑油泵效率）转移，使整个动力装置效率提高。五、从人类工程学角度来考虑节能 目前挖掘机是人机系统，都是人和机械的结合，应该从两者共同工作是否发挥最高效率出发。 开中心直通回油系统调速性能差，存在负载飘移；复合操作困难，有负载干涉；速度设定自由度差和流量分配不理想等缺点，因此操纵性很差，必然有较多无谓的浪费动作，造成能量损失，对司机操作要求高，作业效率低。闭中心负载敏感压力补偿系统无负载飘移、负载干涉等现象，能适合挖掘机配各种各样附属装置的流量要求。而且可以调整压力补偿程度来适合作业需要。日本小松公司