液压挖掘机节能技术的发展综述_图文

1、2009年8月第37卷第8期机床与液压MACH I N E T OOL &HY DRAUL I CSAug 12009Vol 137No 18收稿日期:2008-12-30作者简介:任小青(1975,女,汉族,河南洛阳人,讲师,主要从事机电液一体化方面的科研和专业教学工作。电话:0971-*,0971-*。E -mail:renxiaoqyx1631com 。液压挖掘机节能技术的发展综述任小青(青海大学机械系,青海西宁810016摘要:阐述了液压挖掘机节能控制的意义,回顾了国内外节能控制技术的发展历史和现状,并对节能控制技术的发展趋势进行了总结。关键词:液压挖掘机;节能控制;功率损失;

2、功率匹配中图分类号:TH137文献标识码:A 文章编号:1001-3881(20098-248-3A Rev i ew on Energy Sav i n g Technology of a Hydrauli c Excava torRE N Xiaoqing(Mechanical Engineering of Q inghai University,Xining Q inghai 810016,China Abstract:The significance and devel opment of energy saving contr ols of hydraulic excavat or

3、in china and aboard were revie wed,and the devel op ing tendency of energy saving technol ogy was su mmarized .Keywords:Hydraulic excavat or;Energy saving;Power l oss;Power 2l oad matching在工程机械上采用节能技术后,可以提高发动机功率的利用率,减少其装机容量,降低生产成本。另外,工程机械在使用过程中,燃油成本约占使用成本的25%1,采用节能技术后,可以有效地降低使用成本,而且节能后排放量减少了,工作时的冲击振

4、动和噪声也减轻了,从环保角度来讲,工程机械的节能性也日显重要。纵览国内外液压挖掘机节能技术的发展历史和现状,对认识液压挖掘机节能技术的发展趋势和加快我国液压挖掘机节能技术的发展都有着重要的指导意义和现实意义。1液压挖掘机主要功率损失(1溢流损失。当系统压力超出安全阀设定压力时,系统开始溢流,造成功率损失。(2动臂、斗杆下降过程中的势能损失。动臂在举升过程中将液压能转换为势能。为防止动臂下降过快,在动臂油路上安装单向节流阀,在下降中将势能转化为热,造成功率损失。(3功率匹配不合理而引起的损失。柴油机理想工作点应位于低耗油区1,由于挖掘机工作负载的多变性,使工作点经常偏离经济工作点,燃油利用率不高

5、,造成损失。(4节流损失。由六通型多路阀阀口上的旁路空流损失和旁路节流损失组成。(5沿程功率损失。由沿程压力损失所造成的功率损失之和,可以通过合理设计管路来减少。(6摩擦功率损失。由液压缸活塞上的摩擦、发动机和液压泵上的摩擦造成的摩擦功率损失。2国内外液压挖掘机节能技术的发展过程针对挖掘机中的各种功率损失,世界上许多著名的工程机械和液压件生产厂商相继开发出一系列液压元件和节能控制技术,以提高挖掘机系统效率。20世纪60年代,液压挖掘机上开始应用恒功率变量泵,目的是既能充分利用柴油机功率,又不会使柴油机过载。将恒功率控制原理应用于双泵系统,就出现了多种控制形式,如全功率和分功率控制。全功率液压泵

6、中,双泵排量靠机械或液压机构保持一致,任何情况下双泵流量都相同。但由于其本身的结构特点,全功率系统不可避免地存在功率损失,因此目前国外的大中型挖掘机已经基本上不采用。分功率系统对负载的适应性优于全功率系统,相当于两条各自独立的回路的组合,但是如果一条回路的压力很低,超出调节范围以外,则该回路的功率就不能充利用,造成能源的浪费。针对以上两种系统所存在的不足,国外一些液压件生产商开发了交叉功率传感双泵系统,这种系统既能像全功率系统那样充分利用发动机功率,又能像分功率系统那样根据每一个泵的负载状况调整输出流量。尽管这种交叉功率传感系统能充分利用发动机功率,但也存在着与全功率系统一样的缺点,泵的工作点

7、被局限在几条曲线上,与负载工作点不能很好匹配,不可避免地存在功率损失。因此,目前国外挖掘机液压系统中,恒功率控制并不是单独地起作用,而是与其他控制结合起来,对双泵功率之和进行限制,防止在重载下发动机熄火,如小松公司的PC 系列挖掘机、日立建机的Ex 系列挖掘机、卡特彼勒的CAT 系列挖掘机等。与恒功率控制技术同时期的还有压力切断(Cut 2off 技术。其功能是为了消除系统过载时的溢流损失,使泵输出压力在过压力切断设定点的压力时,能进一步将泵排量降到接近零排量,而输出压力仍保持在系统压力附近,当泵进入压力切断控制时,虽然系统压力很高,但由于此时泵的输出流量接近零,几乎没有功率损耗。因此压力切断

8、功能的出现,使液压系统完全避免了溢流损失。20世纪七八十年代间正流量控制系统出现了。其目的是为了用容积调速代替定量系统中的节流调速,以提高系统效率,其原理如图1所示。是用先导压力直接控制泵排量,在控制中,随着先导压力的增加,泵排量也相应增加。操纵手柄可同时操纵两个液压油缸,引出的先导液压信号一方面控制两个六通多路阀;另一方面通过梭阀组将最大先导压力选择出来,用来控制泵排量,使液压泵输出流量与多路阀工作口的开度成正比。当手柄无操作时,先导操纵信号压力为0,相应泵排量也为0,有效地消除了空流损失;当手柄开始操作时,先导压力开始上升,控制泵排量增加。在这一过程中,仍然需要依靠多路阀的旁路节流作用使泵

9、输出压力升高以克服负载压力。由于系统只输出与先导操纵压力相适应的流量,所以能减少旁路节流损失,但不能完全消除。采用这种液压系统国外比较典型的一种产品是日立建机生产的Ex400液压挖掘机,国内产品中比较典型的有四川长江挖掘机厂生产的W Y403型全液压挖掘机和广西玉柴工程机械有限公司出产的W Y20YC 液压挖掘机 。图1 正流量控制系统原理图2负流量控制系统原理20世纪80年代初期由日本小松公司首先推出负流量控制系统,这种系统有助于消除六通多路阀中产生的空流损失和节流损失。其基本原理如图2所示。通过在六通阀的旁路回油路上设置流量检测装置,控制泵排量与旁路回油流量成负线性关系,从而减小旁路回油功

10、率损失。该技术用于其著名的PC 系列挖掘机上,称为OLSS (Open Center Load Sensing System 系统。国内采用这种系统的挖掘机,比较典型的有贵州某机械工业有限公司生产的JY320 型履带式液压挖掘机。图3流量分配型压力补偿原理20世纪90年代后,负荷传感控制技术在挖掘机上的应用越来越多。传统的负荷传感阀一般都配有基于定差减压原理的压力补偿器,使每一个阀口上的压力都保持定值。当泵的供油能力达到饱和时,负传感功能将会失效。最高负载回路上的执行元件速度将会降低直至停止运动,使挖掘机动作失去协调性。解决这一问题的方法是,在多路阀上采用流量分配型的压力补偿措施,压力补偿阀设

11、在多路阀的下游,各执行元件中的最高压力信号被传递给所有压力补偿阀和液压泵,上述流量分配型的压力补偿阀是基于比例溢流阀原理,如图3所示。最高负载压力信号被作为比例控制信号传递给所有的压力补偿阀,使所有多路阀的输出压力都被限定在同样的压力,即最高负载压力下,而负荷传感控制器也在最高负载压力的作用下,对液压泵排量进行控制,使泵输出的压力比最高负载压力高出一个固定值。这样,所有的多路阀阀口上的压差就可以控制在同一个值。即使泵输出流量不足,无法维持多路阀阀口上正常的负荷传感压差,但在溢流型压力补偿阀的作用下,仍然可以使所有多路阀阀口上的压差继续保持一致。这一情况下,虽然执行构的工作速度会降低,但由于所有

12、阀口上的压差一致,各执行机构的工作速度之间的比例关系仍保持不变,从而保证了挖掘机动作的准确性。较典型的产品有L inde 公司的VW 系列同步阀和Rexroth 公司的LUDV 阀。采用同样技术的还有韩国大宇、小松公司等。国内目前只有与国外合资的公司能够生产具有这种液压系统的挖掘机,如合肥日立公司生产的EX 系列挖掘机。另外国外挖掘机除了在其液压系统内部广泛采用各种节能控制技术外,还对发动机和液压泵采取了功率匹配控制。从20世纪80年代开始,机电一体化技术在液压泵和发动机的联合调节中得到应用,取得了较好的节能效果。它不再追求完全用足发动机的功率,而是根据具体的工作状况使发动机只发出工作所需要的

13、功率,减少功率浪费,同时减轻了发动机的工作强度。最初这种控制是通过调节柴油机转速来实现不同的功率输出,如利勃海尔挖掘机、日本神钢942第8期任小青:液压挖掘机节能技术的发展综述SK200MARK 挖掘机、小松公司的PC 系列挖掘机和日立建机的EX 系列挖掘机。进入90年代,国外各挖掘机生产商又开发了第二代节能控制系统。在这种系统中,不仅对泵和柴油机进行联合调节,而且也将主阀和先导阀的控制考虑在内,在保证节能性的同时,进一步提高了挖掘机的操纵性。比较典型的有日立建机第二代节能控制系统ELLE 控制系统2。目前国内还没有采用这项技术的成熟产品问世。3液压挖掘机节能技术的发展趋势311电液比例控制智

14、能化电液比例技术用于工程机械,可以省去复杂、庞大的液压信号传递管路,用电信号传递液压参数,不但能加快系统响应,而且使整个挖掘机动力系统控制更方便、灵活。随着计算机技术的发展,电液比例控制将进一步“智能化”,这种智能化主要体现在计算机能够自动监测液压系统和柴油机的运行参数,如压力、柴油机转速等,并能根据这些参数自动控制整个挖掘机动力系统,使其运行在高效节能状态。这将是节能技术发展的一个趋势。312泵-发动机匹配控制将进一步“智能化”借助计算机控制技术,泵与发动机的匹配控制将进一步实现“智能化”,两者之间的结合将更密切,实现一体化控制。在这种控制中,控制器能根据工作状况的变化,自动对液压泵和发动机

15、进行调整,在保证输出功率满足工作需要的同时,使燃油消耗量最低。国外一些大的工程机械生产厂商都在积极研制开发与之相关的软、硬件产品。313 混合动力系统图4马达回收混合动力系统工程机械执行机构下放时的重力势能、制动时的惯性能都消耗在液压系统主控阀的节流口上。不仅造成了大量的能量浪费,而且还会引起系统的发热。在传统的液压系统当中,储存这部分回收的能量比较困难,从而限制了该节能方法的实施3-4。2004年5月,小松研制出了世界上第一台混合动力液压挖掘机的试验机型。在混合动力系统当中,由于采用了电池或电容作为储能元件,使这部分能量得以回收。其工作原理如图4所示,在主控阀的回油口处串联一回收马达,靠控制

16、马达的流量来控制执行机构的下降速度,将执行机构释放出来的重力势能和惯性能回收,并转化为马达输出的机械能,机械能可以通过发电机再转化为电能储存在电池或电容当中,当系统需要时,可以再通过电动机将电能转化为机械能驱动外载。混合动力系统在工程机械上的应用研究正成为工程机械节能和环保研究的一个热点。314其他方面研发新的实用化的节能液压元件及系统,如自由活塞发动机、二次调节系统及相关的液压变压器等。改变液压油的物理性质,如采用黏性指数高的多级液压油5,也将是节能技术发展的另一个新趋势4。参考文献:【1】付铃,鄂卓茂,刘兆峰.液压传动动力机械系统节能控制研究J .矿山机械,2001(11:45-46.【2

17、】彭天好,杨华勇,傅新.液压挖掘机全局功率匹配与协调控制J .机械工程学报,2001,37(11:50-54.【3】张彦廷,王庆丰,肖清.液压驱动惯性系统能量回收的节能试验研究J .机床与液压,2007(7:91-92.【4】王庆丰,魏建华,吴根茂,等.工程机械液压控制技术的研究进展与展望J .机械工程学报,2003(12:51-53.【5】张奕,龙水根.工程机械节能的新途径J .液压与气动,2006(9:73-74.(上接第231页图7所示的就是简化效果的统计图。图中曲线ABCD EFG 代表cos 值与三角形数目的关系,另一条表示cos 值与ST L 文件尺寸的关系。线段AB 是水平的,表

18、示三角形个数没有减少,说明不存在使cos<-019的钝角三角形;线段CD 的斜率比较小,说明此处被剔除掉的钝角三角形较多;线段FG 是水平的,表明符合边长控制条件的所有钝角三角形已经完全被滤去。3结论分析了ST L 模型中三角形形状的特点和作用,在此基础上提出并实现了剔除部分钝角三角形的方法,达到了简化ST L 模型、减小ST L 文件尺寸的效果,对于节省ST L 文件存储空间和后续数据处理时间有着重要意义。参考文献:【1】T ongW u,Ed mund H M Cheung .Enhanced ST L J .I nter 2nati onal Journal of Advanced Manufacturing Technol ogy,2005,10.【2】孙玉文,刘伟军,刘健.C AD /RP 系