吳文海，楊宇瀾，劉桓龍，王國(guó)志

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031)

式中:Cs 為層流泄漏系數(shù);Δp 為進(jìn)出口壓差;μ 為油液動(dòng)力黏度;n 為泵轉(zhuǎn)速;β 為排量比;CV 為層流阻力系數(shù);Cf 為機(jī)械阻力系數(shù);Tc 為與進(jìn)出口壓差和轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)的一定的轉(zhuǎn)矩?fù)p失;Vmax為泵全排量。

上式中，把間隙內(nèi)油液的流動(dòng)看成為層流，忽略了運(yùn)轉(zhuǎn)中間隙的變化以及油液壓縮性的影響。可以看出:影響液壓泵效率的參數(shù)主要為壓力、轉(zhuǎn)速和排量比。

在工程機(jī)械中，液壓挖掘機(jī)有著應(yīng)用量大但能量利用率較低的特點(diǎn)，挖掘機(jī)的節(jié)能研究一直有著十分重要的意義。在國(guó)內(nèi)，液壓挖掘機(jī)的傳統(tǒng)節(jié)能研究主要是在改進(jìn)液壓系統(tǒng)(如正、負(fù)流量控制系統(tǒng)，負(fù)荷傳感控制系統(tǒng))和實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與負(fù)載的適時(shí)匹配等方面，而現(xiàn)階段主要集中在對(duì)油電或油液混合動(dòng)力系統(tǒng)在挖掘機(jī)中的應(yīng)用以及高能耗裝置(動(dòng)臂、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)等)能量回收的研究［1－4］。而作為液壓挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中一個(gè)重要的組成部分變量液壓泵，其工作效率也是影響挖掘機(jī)能量利用率的一個(gè)不可或缺的因素。因此，使變量泵盡可能地工作在高效區(qū)，對(duì)提高整機(jī)性能、降低能耗有著非常重要的作用。

1 變量液壓泵的效率及控制原理

1.1 變量液壓泵效率的理論公式

變量液壓泵的效率是由其機(jī)械效率和容積效率共同決定的。在變量泵中，由摩擦所產(chǎn)生的機(jī)械損失會(huì)造成液壓泵轉(zhuǎn)矩的丟失，從而引起機(jī)械效率的降低;而由泄漏所產(chǎn)生的容積損失會(huì)引起容積效率的降低。

由于影響泵效率的因素很多，所以一直沒(méi)有形成一個(gè)精確的效率表達(dá)式。但根據(jù)眾多學(xué)者試驗(yàn)研究，總結(jié)得出了變量液壓泵容積效率ηv，機(jī)械效率ηt和總效率η 如下的理論表達(dá)式［5－6］:

式中:Cs為層流泄漏系數(shù);Δp 為進(jìn)出口壓差;μ 為油液動(dòng)力黏度;n 為泵轉(zhuǎn)速;β 為排量比;CV為層流阻力系數(shù);Cf為機(jī)械阻力系數(shù);Tc為與進(jìn)出口壓差和轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)的一定的轉(zhuǎn)矩?fù)p失;Vmax為泵全排量。

上式中，把間隙內(nèi)油液的流動(dòng)看成為層流，忽略了運(yùn)轉(zhuǎn)中間隙的變化以及油液壓縮性的影響?？梢钥闯?影響液壓泵效率的參數(shù)主要為壓力、轉(zhuǎn)速和排量比。

1.2 液壓挖掘機(jī)變量泵控制原理

液壓挖掘機(jī)變量泵的控制都是通過(guò)各種變量機(jī)構(gòu)來(lái)對(duì)液壓泵的流量、壓力、功率進(jìn)行調(diào)節(jié)的。根據(jù)控制形式的不同，其控制可分為全功率控制、分功率控制、壓力切斷控制、交叉功率控制、正流量控制、負(fù)流量控制、負(fù)荷傳感控制、變功率控制以及多種形式的組合控制［7］。

文中將某公司挖掘機(jī)上采用的日本川崎公司生產(chǎn)的K3V 系列液壓泵作為研究對(duì)象，該泵采用的是負(fù)流量和全功率控制的雙聯(lián)變量柱塞泵。該泵主要部件為配油盤、斜盤、壓盤、缸體、柱塞滑靴組、回程彈簧、伺服變量控制機(jī)構(gòu)以及傳動(dòng)軸等，其排量大小由負(fù)流量和全功率控制信號(hào)共同調(diào)節(jié)，其控制原理如圖1所示。

圖1 泵的控制原理圖

2 變量泵的建模仿真與結(jié)果分析

依據(jù)上面介紹的變量柱塞泵的效率計(jì)算公式及泵的結(jié)構(gòu)和在挖掘機(jī)中的控制原理，在AMESim 中進(jìn)行建模仿真，該泵的最大排量為117 mL/r?，F(xiàn)通過(guò)建模仿真來(lái)分析壓力、轉(zhuǎn)速和排量比分別對(duì)泵效率的影響。如圖2所示，為當(dāng)轉(zhuǎn)速與排量比一定時(shí)，容積效率、機(jī)械效率和總效率隨進(jìn)出口壓差Δp 的變化曲線。

圖3—5所示分別為:當(dāng)轉(zhuǎn)速一定、不同排量比下，變量泵效率與壓力的關(guān)系曲線;當(dāng)轉(zhuǎn)速一定、不同壓力下，變量泵效率與排量的關(guān)系曲線;當(dāng)壓力一定、不同排量比下，變量泵效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。

圖2 液壓泵的效率曲線

圖3 變量泵效率與壓力Δp 的關(guān)系

圖4 變量泵效率與排量的關(guān)系

圖5 變量泵效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

由圖3、4 和5 可以得出:

(1)液壓泵的效率隨著負(fù)載壓力的增加而增大，但當(dāng)壓力增加到25 MPa 左右時(shí)泵的效率會(huì)隨負(fù)載壓力的增大而逐漸減小;

(2)液壓泵的效率會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增大，在中高速區(qū)趨向于最大值;

(3)當(dāng)該挖掘機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)在中高轉(zhuǎn)速、變量泵全排量且進(jìn)出口壓力在25 MPa 左右時(shí)，泵效率能維持在90%以上;

(4)液壓泵的效率會(huì)隨著泵排量的減小而減少，當(dāng)該泵的排量小于50 mL/r，即排量比小于0.43(精細(xì)作業(yè))時(shí)，泵的效率會(huì)低于80%;

(5)對(duì)于液壓挖掘機(jī)來(lái)說(shuō)，除怠速狀態(tài)外其發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速一般都工作在高速區(qū)，而泵的出口壓力受變化負(fù)載影響較大，因此泵的排量比是對(duì)挖掘機(jī)中液壓泵效率影響較大且可實(shí)現(xiàn)控制的一個(gè)重要參數(shù)。

3 挖掘機(jī)的建模仿真與結(jié)果分析

3.1 液壓泵挖掘機(jī)的建模

由前面的分析可知，當(dāng)液壓挖掘機(jī)精細(xì)作業(yè)時(shí)，變量泵的效率會(huì)大幅降低，而長(zhǎng)期的精細(xì)作業(yè)必然會(huì)造成過(guò)多的能量損失。在挖掘機(jī)中適當(dāng)提高液壓泵的排量比則是增大其效率的一個(gè)重要因素。

挖掘機(jī)在液壓系統(tǒng)的控制下，負(fù)載需要多大流量，泵就要輸出多大的流量，因此要在輸出一定流量的前提下增大泵的排量比就需要適當(dāng)降低泵的轉(zhuǎn)速。但在一定負(fù)載條件下，要降低泵的轉(zhuǎn)速，就需要使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)偏離最佳經(jīng)濟(jì)工作點(diǎn)，造成油耗的增加。因此，要在不影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的條件下減低泵的轉(zhuǎn)速，就需要在發(fā)動(dòng)機(jī)與泵之間加裝一個(gè)減速機(jī)。行星齒輪減速機(jī)能夠調(diào)節(jié)到所需要的轉(zhuǎn)速，同時(shí)增大了輸出扭矩，其傳動(dòng)效率能達(dá)到95%。

此次仿真是以某公司生產(chǎn)的23 t 負(fù)流量液壓挖掘機(jī)為模型在AMESim 中進(jìn)行建模的。該型號(hào)挖掘機(jī)采用日本KYB 公司生產(chǎn)的KVMG 系列多路閥和日本川崎公司生產(chǎn)的K3V 系列雙聯(lián)泵，并采用負(fù)流量和全功率液壓控制系統(tǒng)。此次仿真除了用HCD 庫(kù)搭建多路閥和變量泵的模型外，還將其動(dòng)力系統(tǒng)改為油電混合動(dòng)力系統(tǒng)建模，搭建了計(jì)算燃油消耗簡(jiǎn)化的發(fā)動(dòng)機(jī)和減速機(jī)模型，加入動(dòng)臂能量回收系統(tǒng)，并將模型用超級(jí)元件進(jìn)行了封裝。圖6 為液壓挖掘機(jī)仿真模型。

圖6 液壓挖掘機(jī)仿真模型

其具體的控制策略如下:

(1)將控制器設(shè)為重載、中載、輕載和精細(xì)作業(yè)4 個(gè)工況，發(fā)動(dòng)機(jī)依據(jù)負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定3 個(gè)不同功率下的最佳經(jīng)濟(jì)工作點(diǎn)，操作員根據(jù)判斷選擇工況模式;

(2)精細(xì)作業(yè)工況時(shí)，減速機(jī)控制開啟，并根據(jù)泵的排量比(變量柱塞泵的斜盤傾角)進(jìn)行比例調(diào)節(jié)，控制泵的轉(zhuǎn)速;

(3)設(shè)定電池SOC 的上下限，當(dāng)SOC 的值達(dá)到上限時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)切換到低負(fù)載工作點(diǎn)，由發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)負(fù)載;當(dāng)SOC 的值達(dá)到下限時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)切換到高負(fù)載工作點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載并發(fā)電。

3.2 仿真結(jié)果分析

此次仿真是在精細(xì)作業(yè)工況下以液壓挖掘機(jī)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)循環(huán)為一個(gè)仿真周期，其作業(yè)周期為15 s。圖7為仿真階段泵的總效率變化曲線，圖8 為發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗對(duì)比，圖9 為電池SOC 值的變化對(duì)比。

圖7 泵的總效率變化對(duì)比

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗對(duì)比

圖9 電池SOC 值的變化對(duì)比

從圖7 可以看出:采用減速機(jī)的仿真模型泵的效率得到了提高，基本維持在80%以上。由圖8 和圖9可知:采用減速機(jī)調(diào)節(jié)的模型的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗量為66.0 g，電池的SOC 值為82.1%;未采用減速機(jī)調(diào)節(jié)的模型的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗量為64.1 g，電池的SOC 值為79.7%。將SOC 值等效成油耗量與發(fā)動(dòng)機(jī)油耗量疊加，可得出總油耗量分別為54.87 和65.69 g，即采用減速機(jī)調(diào)節(jié)模型在精細(xì)作業(yè)時(shí)提高了泵的效率，相比未采用減速機(jī)調(diào)節(jié)的模型油耗量下降了16.5%。

4 結(jié)論

液壓挖掘機(jī)在精細(xì)作業(yè)時(shí)，變量泵的效率會(huì)大幅降低，而長(zhǎng)期的精細(xì)作業(yè)必然會(huì)造成過(guò)多的能量損失，提高液壓泵的效率也是挖掘機(jī)節(jié)能的一個(gè)重要方面。通過(guò)以上的仿真分析可知，在挖掘機(jī)中變量泵的排量比是對(duì)泵效率影響較大且可實(shí)現(xiàn)控制的一個(gè)重要參數(shù)，采用減速機(jī)調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速并增大轉(zhuǎn)矩，可以在盡量不影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度要求和發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)變換的條件下增大液壓泵的排量比，提高了泵的效率，從而降低了油耗量、實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。

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