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        基于負流量的挖掘機極限負荷控制系統(tǒng)研究

        2014-06-06 06:03:44車濤陳建河李霞鐘玉那薛春標張本成
        機床與液壓 2014年16期
        關(guān)鍵詞:發(fā)動機

        車濤,陳建河,李霞,鐘玉那,薛春標,張本成

        (1.湖南江麓重工科技有限公司,湖南湘潭 411100;2.江麓機電集團有限公司,湖南湘潭 411100)

        液壓挖掘機是重要的建筑施工機械設備之一,研究其節(jié)能技術(shù)有著重要意義。國機重工黃鳴輝等[1]進行了負控策略的研究,中南大學何清華等[2]探討了負控節(jié)能方案,廣西柳工機械蔡登勝等[3]研究了功率控制的電控系統(tǒng),得出了很多有益的結(jié)論。但傳統(tǒng)負流量控制技術(shù)因功率可調(diào)范圍窄,因此造成發(fā)動機輸出功率過剩而產(chǎn)生功率浪費,也會造成因發(fā)動機負荷率過大而產(chǎn)生功率不足,使發(fā)動機在工作過程中熄火,這一問題一直沒得到很好解決。針對這一情況,文中提出基于負流量的極限負荷控制系統(tǒng),減少系統(tǒng)由于轉(zhuǎn)速過高而產(chǎn)生過大的功率余量,提高發(fā)動機全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的功率利用率,通過試驗驗證,節(jié)能效果明顯。

        1 負流量控制系統(tǒng)

        負流量控制簡圖如圖1所示,液壓泵工作時輸出的油液通過操縱閥 (換向閥)閥桿時將控制油分成兩部分:一部分進入液壓缸或液壓馬達做功,為有效流量,另一部分通過閥中位回油道回油箱,為浪費流量。為減少浪費的流量,通過在操縱閥中位回油道增設一個節(jié)流孔,將節(jié)流口前壓力pi引至液壓泵排量調(diào)節(jié)機構(gòu)來控制液壓泵的排量。通過節(jié)流孔的流量越大,則它的先導壓力pi越大,調(diào)節(jié)液壓泵的排量越小。因泵變量機構(gòu)的控制壓力 (先導壓力)pi與泵排量呈反比關(guān)系,所以稱為負流量控制。

        圖1 負流量控制簡圖

        圖2所示是一個發(fā)動機的萬有特性圖,等油耗曲線為一系同心圓,越接近內(nèi)圈,耗油量越小,最內(nèi)圈是油耗最小的區(qū)域,圖中陰影區(qū)域為負流量控制系統(tǒng)中液壓泵的工作區(qū)域。一般情況下,為了保證低速不熄火,液壓泵的最小吸收扭矩Mmin限制在發(fā)動機外特性最低點之下,使發(fā)動機在轉(zhuǎn)矩輸出最小時仍可滿足泵所需的功率,保證挖掘機穩(wěn)定運行。液壓泵在負流量模式控制下,功率調(diào)節(jié)范圍為15%左右,而發(fā)動機最大扭矩與高低怠速最大扭矩差達到40%左右[4],至使泵的最大吸收扭矩Mmax一般在處于發(fā)動機最小輸出扭轉(zhuǎn)之下或略有提升,遠小于發(fā)動機最大扭矩。

        圖2 發(fā)動機萬有特性曲線和泵的工作區(qū)域

        觀察圖2可知,由于挖掘機受到液壓泵最大吸收轉(zhuǎn)矩的限制,當?shù)竭_液壓泵功率的設定上限時,駕駛員無論如何操縱,挖掘機的工作速度都不會更快。也造成發(fā)動機在最大扭矩點對應轉(zhuǎn)速工作時,液壓泵不能有效地吸收輸出功率,嚴重浪費發(fā)動機功率。同時使液壓泵工作區(qū)間偏離最小油耗區(qū)域過大,耗油量大。

        2 負流量極限負荷控制系統(tǒng)

        針對負流量控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題,如果液壓泵的功率能隨工況的變化而完全調(diào)節(jié)或擴大調(diào)節(jié)范圍,則液壓泵將會隨著負載的變化盡可能多地吸收發(fā)動機的功率,基于此開發(fā)了應用于挖掘機的負流量液壓系統(tǒng)極限負荷控制系統(tǒng)。具體措施如圖3所示,將液壓系統(tǒng)的負流量反饋回路取消,在多路閥負流量反饋口增加壓力傳感器,并在主泵的兩個負控制壓力口各增加一個電比例減壓閥。同時通過合理調(diào)節(jié)排量調(diào)節(jié)機構(gòu)內(nèi)彈簧預緊力,使主泵扭矩略大于發(fā)動機最大扭矩,可避免系統(tǒng)進入恒功率調(diào)節(jié)區(qū)。

        圖3 負流量極限負荷控制系統(tǒng)原理簡圖

        在正常工作時,控制器通過采集主泵輸出口壓力、主閥負流量反饋口壓力、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、油水溫度、模式擋位等信息,綜合判斷后輸出比例減壓閥電流,從而改變比例減壓閥輸出壓力pf,即pf=f(Is)。在輸出壓力pf的作用下,決定了液壓泵的起調(diào)壓力點,也決定了液壓泵的輸出功率大小。進而控制液壓泵的變量機構(gòu),使液壓泵的排量發(fā)生變化,形成連續(xù)的功率特性曲線。也可知,此時液壓泵的斜盤擺角僅受到電比例減壓閥的控制,因此解決了圖1中傳統(tǒng)負流量控制系統(tǒng)中扭矩比例閥對兩泵扭矩調(diào)節(jié)范圍過小的問題。其發(fā)動機萬有特性曲線和液壓泵的工作區(qū)域如圖4所示。

        圖4 發(fā)動機萬有特性曲線和液壓泵的工作區(qū)域

        如圖4所示,通過控制器的調(diào)節(jié)作用,可使泵的功率變化范圍大于發(fā)動機的功率變化范圍。當泵吸收功率大于發(fā)動機輸出功率時,可等比例降低兩泵的排量;當泵吸收功率小于發(fā)動機輸出功率時,可等比例提高兩泵的排量或自動降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速,控制發(fā)動機和主泵按負載的需求輸出。因而可使液壓泵和發(fā)動機工作在預定的最佳狀態(tài)下,可完全吸收發(fā)動機的功率,達到充分利用發(fā)動機功率的目的,提高作業(yè)效率(高效模式)。同樣,可根據(jù)萬有特性經(jīng)濟油耗點匹配,達到高效節(jié)能的目的 (經(jīng)濟模式)。

        與挖掘機傳統(tǒng)的負流量控制系統(tǒng)相比,挖掘機極限負荷控制系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于:(1)主泵功率調(diào)節(jié)范圍較寬,可以在發(fā)動機全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)100%的功率利用,取消了功率儲備;(2)實現(xiàn)了雙泵排量的獨立調(diào)節(jié),以泵輸出需求流量為目的,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)靈活;(3)可以實現(xiàn)智能可變的壓力切斷,使系統(tǒng)壓力控制在設定的切斷壓力值之下,減小溢流閥的泄油損失;(4)泵經(jīng)常工作在大排量,效率高;(5)可實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速根據(jù)流量和功率需求自動調(diào)節(jié);(6)對于突變載荷,液壓泵有更好的適應性,操作性更好。

        3 應用實例

        為驗證負流量極限負荷控制系統(tǒng)的效果,在某公司的CN330履帶式液壓挖掘機上進行了對比試驗。試驗條件:針對兩種控制方法的特點分別進行了實地挖掘,將油門旋鈕依次從6擋旋轉(zhuǎn)到10擋,每擋操作30 min,挖掘機回轉(zhuǎn)90°,挖深3 m,卸載高度4 m。為提高試驗精確性,重復進行試驗,測試3組數(shù)據(jù),整理后取平均值,其挖掘效率和油耗曲線分別如圖5、6所示。

        圖5 兩種系統(tǒng)挖掘次數(shù)的對比圖

        圖6 兩種系統(tǒng)單斗油耗的對比圖

        通過觀察圖5、圖6可得出:在單位時間內(nèi),極限負荷控制系統(tǒng)比負流量系統(tǒng)挖掘在相同擋位下,作業(yè)效率高,單斗油耗小,特別是在大功率極限作業(yè)環(huán)境 (10擋)時,表現(xiàn)更為突出,最大可提升7%的作業(yè)效率,減小10%的油耗,符合極限負荷控制系統(tǒng)的特點。

        4 結(jié)束語

        負流量控制克服了主泵總在最大流量、最大功率和最大壓力的極端狀況下工作,減少了系統(tǒng)的空流損失[5],取得明顯的節(jié)能效果。然而,傳統(tǒng)的負控系統(tǒng)在液壓泵與發(fā)動機匹配時,存在發(fā)動機功率不能充分利用的問題,為此作者開發(fā)了一種新的極限負荷控制系統(tǒng)。通過理論分析和試驗驗證等手段,證明了極限負荷控制系統(tǒng)在作業(yè)效率、油耗、操作性等方面有很大優(yōu)勢,為節(jié)能技術(shù)研究提供了一種新方法。

        [1]黃鳴輝,殷鵬龍,王劍波,等.液壓挖掘機功率極限控制研究[J].建筑機械化,2012(12):39-42.

        [2]何清華,郝鵬,常毅華.基于液壓挖掘機節(jié)能系統(tǒng)研究[J].機械科學與技術(shù),2007,26(2):188-191.

        [3]蔡登勝,初長祥,孫金泉,等.液壓挖掘機功率控制系統(tǒng)開發(fā)[J].工程機械,2012,10(43):37-65.

        [4]陳桂芳.液壓挖掘機負流量控制系統(tǒng)液壓系統(tǒng)建模仿真及能耗分析研究[D].長沙:中南大學,2011.

        [5]郭雄華,曹顯利.挖掘機負流量液壓系統(tǒng)的控制特性分析[J].液壓與氣動,2011(5):55-57.

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