費樹輝 王振興 賀艷飛

摘 要：對挖掘機一個工作循環(huán)中各液壓執(zhí)行元件的能量利用狀況進行了定量計算，結(jié)果顯示執(zhí)行元件利用能量約占主泵輸出能量的80.6%。對可回收能量的分析結(jié)果表明，動臂油缸位移約占總行程的50%時，動臂可回收能量約占主泵輸出能量的17.7%，回轉(zhuǎn)可回收能量約占主泵輸出能量的9.2%。通過以上的分析，提出挖掘機液壓系統(tǒng)的節(jié)能可以從提高液壓系統(tǒng)的效率和對能量進行回收利用兩方面進行。

關(guān)鍵詞：挖掘機；能量分析；可回收能量；節(jié)能

前言

挖掘機產(chǎn)銷量大，具有作業(yè)效率高、工況適應(yīng)性好的特點，但其油耗高，能量利用率低的問題始終沒有得到有效的改善。零部件廠家和主機廠家對挖掘機節(jié)能技術(shù)的研究始終在進行。但是許多的研究只是基于系統(tǒng)原理分析，缺乏具體數(shù)據(jù)的支撐，為便于對挖掘機液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)進行定量研究，對節(jié)能技術(shù)的性價比進行綜合考量，需要對挖掘機液壓系統(tǒng)的能量利用狀況進行分析。

1 能量利用分析

挖掘機工作過程中，主要液壓執(zhí)行元件為動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸和回轉(zhuǎn)馬達，對應(yīng)的子系統(tǒng)分別為動臂液壓控制系統(tǒng)、斗桿液壓控制系統(tǒng)、鏟斗液壓控制系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)液壓控制系統(tǒng)。各子系統(tǒng)利用的能量為執(zhí)行元件在做功過程消耗的能量，整個液壓系統(tǒng)利用的能量為泵輸出的能量。忽略執(zhí)行元件本身的效率，對執(zhí)行元件入口壓力與入口流量的乘積進行積分，作為執(zhí)行元件利用的能量；忽略泵本身的效率，對泵出口壓力和流量的乘積進行積分，作為泵輸出至液壓系統(tǒng)的總能量。所用能量計算公式為：

式中：E-液壓系統(tǒng)能量，J；P-油液壓力，Pa；Q-油液流量，m3/s；t1-開始工作時間，s；t2-結(jié)束工作時間，s。

表1 挖掘機液壓系統(tǒng)能量利用情況

據(jù)表1的計算結(jié)果，在一個裝載工作循環(huán)中，執(zhí)行元件利用的總能量為756kJ，執(zhí)行元件利用能量約占主泵輸出能量的80.6%，未利用能量約29.4%。未利用能量主要是溢流損失、節(jié)流損失、泄露等。

2 可回收能量分析

因為鏟斗和斗桿均連接于動臂，動臂液壓缸中由勢能轉(zhuǎn)化而來的液壓能也包含部分鏟斗和斗桿的勢能，并且遠遠大于斗桿和鏟斗中的液壓能[1]，因此，對挖掘機勢能的回收都是對動臂勢能回收進行研究。在回轉(zhuǎn)動能方面，在一個裝載工作循環(huán)中，回轉(zhuǎn)啟動和制動各一次，而每次回轉(zhuǎn)制動均會產(chǎn)生高壓溢流，這些溢流的能量都轉(zhuǎn)化為了熱能，據(jù)統(tǒng)計，回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量約占液壓系統(tǒng)總發(fā)熱量的30%～40%[2]。實際馬達在卸載后回轉(zhuǎn)啟動時也產(chǎn)生溢流，因此一個工作循環(huán)中，回轉(zhuǎn)馬達溢流三次，因為溢流壓力較高，因此也具有回收利用的價值。

動臂勢能可回收能量，與計算動臂油缸利用能量的方法相同，可以通過動臂下降時油缸無桿腔的壓力和流量乘積的積分求出，結(jié)果為166kJ，占主泵輸出能量的17.7%?；剞D(zhuǎn)溢流能量可以通過溢流壓力與溢流流量乘積的積分求出，計算三次馬達溢流能量為86kJ，占主泵輸出能量的9.2%。液壓系統(tǒng)可回收能量占主泵輸出能量的26.9%。對于動臂可回收能量，如果挖掘深度加深，動臂油缸位移增大，則可回收能量響應(yīng)增加，本計算中動臂油缸位移約占總行程的50%。

3 液壓系統(tǒng)節(jié)能措施

根據(jù)以上分析，挖掘機液壓系統(tǒng)節(jié)能的措施有兩方面，一是提高液壓系統(tǒng)的效率，減少溢流、節(jié)流和泄露損失等；二是對能量進行回收利用。

提高液壓系統(tǒng)的效率方面，許多挖掘機動臂或斗桿回路采用了再生回路，如川崎公司KMX多路閥的斗桿回路中，有桿腔的液壓油通過一個內(nèi)置的單向閥進入無桿腔，從而實現(xiàn)回油再利用。對于挖掘機正流量控制系統(tǒng)，可以采取圖1所示的方法，在回轉(zhuǎn)啟動階段t2時間內(nèi)，合理控制主泵流量與回轉(zhuǎn)馬達需求流量相匹配，減少溢流量。

圖1 回轉(zhuǎn)啟動階段主泵流量和馬達流量

對能量的回收利用方面，目前廣泛研究的基于能量回收的混合動力系統(tǒng)可以將動臂能量和回轉(zhuǎn)能量進行回收利用。但是目前混合動力系統(tǒng)的成本較高，性價比還有待優(yōu)化。

4 結(jié)束語

（1）在一個裝載工作循環(huán)中，液壓系統(tǒng)輸出能量被執(zhí)行元件利用約80.6%，損失19.4%。

（2）在動臂油缸位移為其行程的50%左右時，挖掘機可回收能量約占液壓系統(tǒng)輸出能量的26.9%。

（3）挖掘機液壓系統(tǒng)的節(jié)能可以從提高液壓系統(tǒng)的效率和對能量進行回收利用兩方面進行。

參考文獻

[1]裴磊.混合動力挖掘機勢能回收系統(tǒng)的研究[D].杭州：浙江大學，2008.

[2]孔德文，趙克利，徐寧生，等.液壓挖掘機[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007.