液壓挖掘機節(jié)能技術的發(fā)展綜述_圖文

1、2009年8月第37卷第8期機床與液壓MACH I N E T OOL &HY DRAUL I CSAug 12009Vol 137No 18收稿日期:2008-12-30作者簡介:任小青(1975,女,漢族,河南洛陽人,講師,主要從事機電液一體化方面的科研和專業(yè)教學工作。電話:0971-*,0971-*。E -mail:renxiaoqyx1631com 。液壓挖掘機節(jié)能技術的發(fā)展綜述任小青(青海大學機械系,青海西寧810016摘要:闡述了液壓挖掘機節(jié)能控制的意義,回顧了國內外節(jié)能控制技術的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀,并對節(jié)能控制技術的發(fā)展趨勢進行了總結。關鍵詞:液壓挖掘機;節(jié)能控制;功率損失;

2、功率匹配中圖分類號:TH137文獻標識碼:A 文章編號: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在工程機械上采用節(jié)能技術后,可以提高發(fā)動機功率的利用率,減少其裝機容量,降低生產成本。另外,工程機械在使用過程中,燃油成本約占使用成本的25%1,采用節(jié)能技術后,可以有效地降低使用成本,而且節(jié)能后排放量減少了,工作時的沖擊振

4、動和噪聲也減輕了,從環(huán)保角度來講,工程機械的節(jié)能性也日顯重要?？v覽國內外液壓挖掘機節(jié)能技術的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀,對認識液壓挖掘機節(jié)能技術的發(fā)展趨勢和加快我國液壓挖掘機節(jié)能技術的發(fā)展都有著重要的指導意義和現(xiàn)實意義。1液壓挖掘機主要功率損失(1溢流損失。當系統(tǒng)壓力超出安全閥設定壓力時,系統(tǒng)開始溢流,造成功率損失。(2動臂、斗桿下降過程中的勢能損失。動臂在舉升過程中將液壓能轉換為勢能。為防止動臂下降過快,在動臂油路上安裝單向節(jié)流閥,在下降中將勢能轉化為熱,造成功率損失。(3功率匹配不合理而引起的損失。柴油機理想工作點應位于低耗油區(qū)1,由于挖掘機工作負載的多變性,使工作點經常偏離經濟工作點,燃油利用率不高

5、,造成損失。(4節(jié)流損失。由六通型多路閥閥口上的旁路空流損失和旁路節(jié)流損失組成。(5沿程功率損失。由沿程壓力損失所造成的功率損失之和,可以通過合理設計管路來減少。(6摩擦功率損失。由液壓缸活塞上的摩擦、發(fā)動機和液壓泵上的摩擦造成的摩擦功率損失。2國內外液壓挖掘機節(jié)能技術的發(fā)展過程針對挖掘機中的各種功率損失,世界上許多著名的工程機械和液壓件生產廠商相繼開發(fā)出一系列液壓元件和節(jié)能控制技術,以提高挖掘機系統(tǒng)效率。20世紀60年代,液壓挖掘機上開始應用恒功率變量泵,目的是既能充分利用柴油機功率,又不會使柴油機過載。將恒功率控制原理應用于雙泵系統(tǒng),就出現(xiàn)了多種控制形式,如全功率和分功率控制。全功率液壓泵

6、中,雙泵排量靠機械或液壓機構保持一致,任何情況下雙泵流量都相同。但由于其本身的結構特點,全功率系統(tǒng)不可避免地存在功率損失,因此目前國外的大中型挖掘機已經基本上不采用。分功率系統(tǒng)對負載的適應性優(yōu)于全功率系統(tǒng),相當于兩條各自獨立的回路的組合,但是如果一條回路的壓力很低,超出調節(jié)范圍以外,則該回路的功率就不能充利用,造成能源的浪費。針對以上兩種系統(tǒng)所存在的不足,國外一些液壓件生產商開發(fā)了交叉功率傳感雙泵系統(tǒng),這種系統(tǒng)既能像全功率系統(tǒng)那樣充分利用發(fā)動機功率,又能像分功率系統(tǒng)那樣根據每一個泵的負載狀況調整輸出流量。盡管這種交叉功率傳感系統(tǒng)能充分利用發(fā)動機功率,但也存在著與全功率系統(tǒng)一樣的缺點,泵的工作點

7、被局限在幾條曲線上,與負載工作點不能很好匹配,不可避免地存在功率損失。因此,目前國外挖掘機液壓系統(tǒng)中,恒功率控制并不是單獨地起作用,而是與其他控制結合起來,對雙泵功率之和進行限制,防止在重載下發(fā)動機熄火,如小松公司的PC 系列挖掘機、日立建機的Ex 系列挖掘機、卡特彼勒的CAT 系列挖掘機等。與恒功率控制技術同時期的還有壓力切斷(Cut 2off 技術。其功能是為了消除系統(tǒng)過載時的溢流損失,使泵輸出壓力在過壓力切斷設定點的壓力時,能進一步將泵排量降到接近零排量,而輸出壓力仍保持在系統(tǒng)壓力附近,當泵進入壓力切斷控制時,雖然系統(tǒng)壓力很高,但由于此時泵的輸出流量接近零,幾乎沒有功率損耗。因此壓力切斷

8、功能的出現(xiàn),使液壓系統(tǒng)完全避免了溢流損失。20世紀七八十年代間正流量控制系統(tǒng)出現(xiàn)了。其目的是為了用容積調速代替定量系統(tǒng)中的節(jié)流調速,以提高系統(tǒng)效率,其原理如圖1所示。是用先導壓力直接控制泵排量,在控制中,隨著先導壓力的增加,泵排量也相應增加。操縱手柄可同時操縱兩個液壓油缸,引出的先導液壓信號一方面控制兩個六通多路閥;另一方面通過梭閥組將最大先導壓力選擇出來,用來控制泵排量,使液壓泵輸出流量與多路閥工作口的開度成正比。當手柄無操作時,先導操縱信號壓力為0,相應泵排量也為0,有效地消除了空流損失;當手柄開始操作時,先導壓力開始上升,控制泵排量增加。在這一過程中,仍然需要依靠多路閥的旁路節(jié)流作用使泵

9、輸出壓力升高以克服負載壓力。由于系統(tǒng)只輸出與先導操縱壓力相適應的流量,所以能減少旁路節(jié)流損失,但不能完全消除。采用這種液壓系統(tǒng)國外比較典型的一種產品是日立建機生產的Ex400液壓挖掘機,國內產品中比較典型的有四川長江挖掘機廠生產的W Y403型全液壓挖掘機和廣西玉柴工程機械有限公司出產的W Y20YC 液壓挖掘機 。圖1 正流量控制系統(tǒng)原理圖2負流量控制系統(tǒng)原理20世紀80年代初期由日本小松公司首先推出負流量控制系統(tǒng),這種系統(tǒng)有助于消除六通多路閥中產生的空流損失和節(jié)流損失。其基本原理如圖2所示。通過在六通閥的旁路回油路上設置流量檢測裝置,控制泵排量與旁路回油流量成負線性關系,從而減小旁路回油功

10、率損失。該技術用于其著名的PC 系列挖掘機上,稱為OLSS (Open Center Load Sensing System 系統(tǒng)。國內采用這種系統(tǒng)的挖掘機,比較典型的有貴州某機械工業(yè)有限公司生產的JY320 型履帶式液壓挖掘機。圖3流量分配型壓力補償原理20世紀90年代后,負荷傳感控制技術在挖掘機上的應用越來越多。傳統(tǒng)的負荷傳感閥一般都配有基于定差減壓原理的壓力補償器,使每一個閥口上的壓力都保持定值。當泵的供油能力達到飽和時,負傳感功能將會失效。最高負載回路上的執(zhí)行元件速度將會降低直至停止運動,使挖掘機動作失去協(xié)調性。解決這一問題的方法是,在多路閥上采用流量分配型的壓力補償措施,壓力補償閥設

11、在多路閥的下游,各執(zhí)行元件中的最高壓力信號被傳遞給所有壓力補償閥和液壓泵,上述流量分配型的壓力補償閥是基于比例溢流閥原理,如圖3所示。最高負載壓力信號被作為比例控制信號傳遞給所有的壓力補償閥,使所有多路閥的輸出壓力都被限定在同樣的壓力,即最高負載壓力下,而負荷傳感控制器也在最高負載壓力的作用下,對液壓泵排量進行控制,使泵輸出的壓力比最高負載壓力高出一個固定值。這樣,所有的多路閥閥口上的壓差就可以控制在同一個值。即使泵輸出流量不足,無法維持多路閥閥口上正常的負荷傳感壓差,但在溢流型壓力補償閥的作用下,仍然可以使所有多路閥閥口上的壓差繼續(xù)保持一致。這一情況下,雖然執(zhí)行構的工作速度會降低,但由于所有

12、閥口上的壓差一致,各執(zhí)行機構的工作速度之間的比例關系仍保持不變,從而保證了挖掘機動作的準確性。較典型的產品有L inde 公司的VW 系列同步閥和Rexroth 公司的LUDV 閥。采用同樣技術的還有韓國大宇、小松公司等。國內目前只有與國外合資的公司能夠生產具有這種液壓系統(tǒng)的挖掘機,如合肥日立公司生產的EX 系列挖掘機。另外國外挖掘機除了在其液壓系統(tǒng)內部廣泛采用各種節(jié)能控制技術外,還對發(fā)動機和液壓泵采取了功率匹配控制。從20世紀80年代開始,機電一體化技術在液壓泵和發(fā)動機的聯(lián)合調節(jié)中得到應用,取得了較好的節(jié)能效果。它不再追求完全用足發(fā)動機的功率,而是根據具體的工作狀況使發(fā)動機只發(fā)出工作所需要的

13、功率,減少功率浪費,同時減輕了發(fā)動機的工作強度。最初這種控制是通過調節(jié)柴油機轉速來實現(xiàn)不同的功率輸出,如利勃海爾挖掘機、日本神鋼942第8期任小青:液壓挖掘機節(jié)能技術的發(fā)展綜述SK200MARK 挖掘機、小松公司的PC 系列挖掘機和日立建機的EX 系列挖掘機。進入90年代,國外各挖掘機生產商又開發(fā)了第二代節(jié)能控制系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中,不僅對泵和柴油機進行聯(lián)合調節(jié),而且也將主閥和先導閥的控制考慮在內,在保證節(jié)能性的同時,進一步提高了挖掘機的操縱性。比較典型的有日立建機第二代節(jié)能控制系統(tǒng)ELLE 控制系統(tǒng)2。目前國內還沒有采用這項技術的成熟產品問世。3液壓挖掘機節(jié)能技術的發(fā)展趨勢311電液比例控制智

14、能化電液比例技術用于工程機械,可以省去復雜、龐大的液壓信號傳遞管路,用電信號傳遞液壓參數,不但能加快系統(tǒng)響應,而且使整個挖掘機動力系統(tǒng)控制更方便、靈活。隨著計算機技術的發(fā)展,電液比例控制將進一步“智能化”,這種智能化主要體現(xiàn)在計算機能夠自動監(jiān)測液壓系統(tǒng)和柴油機的運行參數,如壓力、柴油機轉速等,并能根據這些參數自動控制整個挖掘機動力系統(tǒng),使其運行在高效節(jié)能狀態(tài)。這將是節(jié)能技術發(fā)展的一個趨勢。312泵-發(fā)動機匹配控制將進一步“智能化”借助計算機控制技術,泵與發(fā)動機的匹配控制將進一步實現(xiàn)“智能化”,兩者之間的結合將更密切,實現(xiàn)一體化控制。在這種控制中,控制器能根據工作狀況的變化,自動對液壓泵和發(fā)動機

15、進行調整,在保證輸出功率滿足工作需要的同時,使燃油消耗量最低。國外一些大的工程機械生產廠商都在積極研制開發(fā)與之相關的軟、硬件產品。313 混合動力系統(tǒng)圖4馬達回收混合動力系統(tǒng)工程機械執(zhí)行機構下放時的重力勢能、制動時的慣性能都消耗在液壓系統(tǒng)主控閥的節(jié)流口上。不僅造成了大量的能量浪費,而且還會引起系統(tǒng)的發(fā)熱。在傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)當中,儲存這部分回收的能量比較困難,從而限制了該節(jié)能方法的實施3-4。2004年5月,小松研制出了世界上第一臺混合動力液壓挖掘機的試驗機型。在混合動力系統(tǒng)當中,由于采用了電池或電容作為儲能元件,使這部分能量得以回收。其工作原理如圖4所示,在主控閥的回油口處串聯(lián)一回收馬達,靠控制

16、馬達的流量來控制執(zhí)行機構的下降速度,將執(zhí)行機構釋放出來的重力勢能和慣性能回收,并轉化為馬達輸出的機械能,機械能可以通過發(fā)電機再轉化為電能儲存在電池或電容當中,當系統(tǒng)需要時,可以再通過電動機將電能轉化為機械能驅動外載?；旌蟿恿ο到y(tǒng)在工程機械上的應用研究正成為工程機械節(jié)能和環(huán)保研究的一個熱點。314其他方面研發(fā)新的實用化的節(jié)能液壓元件及系統(tǒng),如自由活塞發(fā)動機、二次調節(jié)系統(tǒng)及相關的液壓變壓器等。改變液壓油的物理性質,如采用黏性指數高的多級液壓油5,也將是節(jié)能技術發(fā)展的另一個新趨勢4。參考文獻:【1】付鈴,鄂卓茂,劉兆峰.液壓傳動動力機械系統(tǒng)節(jié)能控制研究J .礦山機械,2001(11:45-46.【2

17、】彭天好,楊華勇,傅新.液壓挖掘機全局功率匹配與協(xié)調控制J .機械工程學報,2001,37(11:50-54.【3】張彥廷,王慶豐,肖清.液壓驅動慣性系統(tǒng)能量回收的節(jié)能試驗研究J .機床與液壓,2007(7:91-92.【4】王慶豐,魏建華,吳根茂,等.工程機械液壓控制技術的研究進展與展望J .機械工程學報,2003(12:51-53.【5】張奕,龍水根.工程機械節(jié)能的新途徑J .液壓與氣動,2006(9:73-74.(上接第231頁圖7所示的就是簡化效果的統(tǒng)計圖。圖中曲線ABCD EFG 代表cos 值與三角形數目的關系,另一條表示cos 值與ST L 文件尺寸的關系。線段AB 是水平的,表

18、示三角形個數沒有減少,說明不存在使cos<-019的鈍角三角形;線段CD 的斜率比較小,說明此處被剔除掉的鈍角三角形較多;線段FG 是水平的,表明符合邊長控制條件的所有鈍角三角形已經完全被濾去。3結論分析了ST L 模型中三角形形狀的特點和作用,在此基礎上提出并實現(xiàn)了剔除部分鈍角三角形的方法,達到了簡化ST L 模型、減小ST L 文件尺寸的效果,對于節(jié)省ST L 文件存儲空間和后續(xù)數據處理時間有著重要意義。參考文獻:【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】孫玉文,劉偉軍,劉健.C AD /RP 系