液壓挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展綜述_圖文

1、2009年8月第37卷第8期機(jī)床與液壓MACH I N E T OOL &HY DRAUL I CSAug 12009Vol 137No 18DO I:10.3969/j 1issn 11001-3881120091081080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(jī)電液一體化方面的科研和專業(yè)教學(xué)工作。電話:0971-*,0971-*。E -mail:renxiaoqyx1631com 。液壓挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展綜述任小青(青海大學(xué)機(jī)械系,青海西寧810016摘要:闡述了液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制的意義,回顧了國內(nèi)外節(jié)能控制技術(shù)的發(fā)展歷史

2、和現(xiàn)狀,并對節(jié)能控制技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了總結(jié)。關(guān)鍵詞:液壓挖掘機(jī);節(jié)能控制;功率損失;功率匹配中圖分類號:TH137文獻(xiàn)標(biāo)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 energ

3、y saving contr ols of hydraulic excavat or 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(jī)械上采用節(jié)能技術(shù)后,可以提高發(fā)動機(jī)功率的利用率,減少其裝機(jī)容量,降低生產(chǎn)成本。另外,工程機(jī)械在使用過程中,燃油成本約占使用成本的2

4、5%1,采用節(jié)能技術(shù)后,可以有效地降低使用成本,而且節(jié)能后排放量減少了,工作時的沖擊振動和噪聲也減輕了,從環(huán)保角度來講,工程機(jī)械的節(jié)能性也日顯重要?？v覽國內(nèi)外液壓挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀,對認(rèn)識液壓挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展趨勢和加快我國液壓挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展都有著重要的指導(dǎo)意義和現(xiàn)實意義。1液壓挖掘機(jī)主要功率損失(1溢流損失。當(dāng)系統(tǒng)壓力超出安全閥設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jī)理想工作點(diǎn)應(yīng)

5、位于低耗油區(qū)1,由于挖掘機(jī)工作負(fù)載的多變性,使工作點(diǎn)經(jīng)常偏離經(jīng)濟(jì)工作點(diǎn),燃油利用率不高,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(shè)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(jī)和液壓泵上的摩擦造成的摩擦功率損失。2國內(nèi)外液壓挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展過程針對挖掘機(jī)中的各種功率損失,世界上許多著名的工程機(jī)械和液壓件生產(chǎn)廠商相繼開發(fā)出一系列液壓元件和節(jié)能控制技術(shù),以提高挖掘機(jī)系統(tǒng)效率。20世紀(jì)60年代,液壓挖掘機(jī)上開始應(yīng)用恒功率變量泵,目的是既能充分利用柴油機(jī)功率,又不會使柴油機(jī)過載。將

6、恒功率控制原理應(yīng)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。全功率液壓泵中,雙泵排量靠機(jī)械或液壓機(jī)構(gòu)保持一致,任何情況下雙泵流量都相同。但由于其本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),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(jī)已經(jīng)基本上不采用。分功率系統(tǒng)對負(fù)載的適應(yīng)性優(yōu)于全功率系統(tǒng),相當(dāng)于兩條各自獨(dú)立的回路的組合,但是如果一條回路的壓力很低,超出調(diào)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(fèi)。針對以上兩種系統(tǒng)所存在的不足,國外一些液壓件生產(chǎn)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(jī)功率,又能像分功率系統(tǒng)那樣根據(jù)每一個泵的負(fù)載狀況調(diào)整輸出流量。盡管

7、這種交叉功率傳感系統(tǒng)能充分利用發(fā)動機(jī)功率,但也存在著與全功率系統(tǒng)一樣的缺點(diǎn),泵的工作點(diǎn)被局限在幾條曲線上,與負(fù)載工作點(diǎn)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(jī)液壓系統(tǒng)中,恒功率控制并不是單獨(dú)地起作用,而是與其他控制結(jié)合起來,對雙泵功率之和進(jìn)行限制,防止在重載下發(fā)動機(jī)熄火,如小松公司的PC 系列挖掘機(jī)、日立建機(jī)的Ex 系列挖掘機(jī)、卡特彼勒的CAT 系列挖掘機(jī)等。與恒功率控制技術(shù)同時期的還有壓力切斷(Cut 2off 技術(shù)。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(shè)定點(diǎn)的壓力時,能進(jìn)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(dāng)泵進(jìn)入壓力切斷

8、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。因此壓力切斷功能的出現(xiàn),使液壓系統(tǒng)完全避免了溢流損失。20世紀(jì)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(diào)速代替定量系統(tǒng)中的節(jié)流調(diào)速,以提高系統(tǒng)效率,其原理如圖1所示。是用先導(dǎo)壓力直接控制泵排量,在控制中,隨著先導(dǎo)壓力的增加,泵排量也相應(yīng)增加。操縱手柄可同時操縱兩個液壓油缸,引出的先導(dǎo)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(dǎo)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(dāng)手柄無操作時,先導(dǎo)操縱信號壓力為0,相應(yīng)泵排量也為0,有效地消除了空流損失;當(dāng)手柄開始操作時

9、,先導(dǎo)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)流作用使泵輸出壓力升高以克服負(fù)載壓力。由于系統(tǒng)只輸出與先導(dǎo)操縱壓力相適應(yīng)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(chǎn)品是日立建機(jī)生產(chǎn)的Ex400液壓挖掘機(jī),國內(nèi)產(chǎn)品中比較典型的有四川長江挖掘機(jī)廠生產(chǎn)的W Y403型全液壓挖掘機(jī)和廣西玉柴工程機(jī)械有限公司出產(chǎn)的W Y20YC 液壓挖掘機(jī) 。圖1 正流量控制系統(tǒng)原理圖2負(fù)流量控制系統(tǒng)原理20世紀(jì)80年代初期由日本小松公司首先推出負(fù)流量控制系統(tǒng),這種系統(tǒng)有助于消除六通多路閥中產(chǎn)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

10、旁路回油路上設(shè)置流量檢測裝置,控制泵排量與旁路回油流量成負(fù)線性關(guān)系,從而減小旁路回油功率損失。該技術(shù)用于其著名的PC 系列挖掘機(jī)上,稱為OLSS (Open Center Load Sensing System 系統(tǒng)。國內(nèi)采用這種系統(tǒng)的挖掘機(jī),比較典型的有貴州某機(jī)械工業(yè)有限公司生產(chǎn)的JY320 型履帶式液壓挖掘機(jī)。圖3流量分配型壓力補(bǔ)償原理20世紀(jì)90年代后,負(fù)荷傳感控制技術(shù)在挖掘機(jī)上的應(yīng)用越來越多。傳統(tǒng)的負(fù)荷傳感閥一般都配有基于定差減壓原理的壓力補(bǔ)償器,使每一個閥口上的壓力都保持定值。當(dāng)泵的供油能力達(dá)到飽和時,負(fù)傳感功能將會失效。最高負(fù)載回路上的執(zhí)行元件速度將會降低直至停止運(yùn)動,使挖掘機(jī)動作

11、失去協(xié)調(diào)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(bǔ)償措施,壓力補(bǔ)償閥設(shè)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(bǔ)償閥和液壓泵,上述流量分配型的壓力補(bǔ)償閥是基于比例溢流閥原理,如圖3所示。最高負(fù)載壓力信號被作為比例控制信號傳遞給所有的壓力補(bǔ)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(fù)載壓力下,而負(fù)荷傳感控制器也在最高負(fù)載壓力的作用下,對液壓泵排量進(jìn)行控制,使泵輸出的壓力比最高負(fù)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(fù)荷傳感壓差,但在溢流型壓力補(bǔ)償閥的作用下,仍然可以使

12、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(gòu)的工作速度會降低,但由于所有閥口上的壓差一致,各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作速度之間的比例關(guān)系仍保持不變,從而保證了挖掘機(jī)動作的準(zhǔn)確性。較典型的產(chǎn)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(shù)的還有韓國大宇、小松公司等。國內(nèi)目前只有與國外合資的公司能夠生產(chǎn)具有這種液壓系統(tǒng)的挖掘機(jī),如合肥日立公司生產(chǎn)的EX 系列挖掘機(jī)。另外國外挖掘機(jī)除了在其液壓系統(tǒng)內(nèi)部廣泛采用各種節(jié)能控制技術(shù)外,還對發(fā)動機(jī)和液壓泵采取了功率匹配控制。從20世紀(jì)80年代開始,機(jī)電一體化技術(shù)在液壓泵和發(fā)動機(jī)的聯(lián)合調(diào)節(jié)中得到應(yīng)用,取得了較好的節(jié)能

13、效果。它不再追求完全用足發(fā)動機(jī)的功率,而是根據(jù)具體的工作狀況使發(fā)動機(jī)只發(fā)出工作所需要的功率,減少功率浪費(fèi),同時減輕了發(fā)動機(jī)的工作強(qiáng)度。最初這種控制是通過調(diào)節(jié)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)不同的功率輸出,如利勃海爾挖掘機(jī)、日本神鋼942第8期任小青:液壓挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展綜述SK200MARK 挖掘機(jī)、小松公司的PC 系列挖掘機(jī)和日立建機(jī)的EX 系列挖掘機(jī)。進(jìn)入90年代,國外各挖掘機(jī)生產(chǎn)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(jī)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)節(jié),而且也將主閥和先導(dǎo)閥的控制考慮在內(nèi),在保證節(jié)能性的同時,進(jìn)一步提高了挖掘機(jī)的操縱性。比較典型的有日立建機(jī)第二代節(jié)能控制系統(tǒng)ELLE 控制系統(tǒng)2。目前國

14、內(nèi)還沒有采用這項技術(shù)的成熟產(chǎn)品問世。3液壓挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展趨勢311電液比例控制智能化電液比例技術(shù)用于工程機(jī)械,可以省去復(fù)雜、龐大的液壓信號傳遞管路,用電信號傳遞液壓參數(shù),不但能加快系統(tǒng)響應(yīng),而且使整個挖掘機(jī)動力系統(tǒng)控制更方便、靈活。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,電液比例控制將進(jìn)一步“智能化”,這種智能化主要體現(xiàn)在計算機(jī)能夠自動監(jiān)測液壓系統(tǒng)和柴油機(jī)的運(yùn)行參數(shù),如壓力、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速等,并能根據(jù)這些參數(shù)自動控制整個挖掘機(jī)動力系統(tǒng),使其運(yùn)行在高效節(jié)能狀態(tài)。這將是節(jié)能技術(shù)發(fā)展的一個趨勢。312泵-發(fā)動機(jī)匹配控制將進(jìn)一步“智能化”借助計算機(jī)控制技術(shù),泵與發(fā)動機(jī)的匹配控制將進(jìn)一步實現(xiàn)“智能化”,兩者之間的結(jié)合將

15、更密切,實現(xiàn)一體化控制。在這種控制中,控制器能根據(jù)工作狀況的變化,自動對液壓泵和發(fā)動機(jī)進(jìn)行調(diào)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(jī)械生產(chǎn)廠商都在積極研制開發(fā)與之相關(guān)的軟、硬件產(chǎn)品。313 混合動力系統(tǒng)圖4馬達(dá)回收混合動力系統(tǒng)工程機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(fèi),而且還會引起系統(tǒng)的發(fā)熱。在傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)當(dāng)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(jī)的試驗機(jī)型。在混合動力系統(tǒng)當(dāng)中,由于采用了電池或電容作為儲能元件

16、,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(dá),靠控制馬達(dá)的流量來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的下降速度,將執(zhí)行機(jī)構(gòu)釋放出來的重力勢能和慣性能回收,并轉(zhuǎn)化為馬達(dá)輸出的機(jī)械能,機(jī)械能可以通過發(fā)電機(jī)再轉(zhuǎn)化為電能儲存在電池或電容當(dāng)中,當(dāng)系統(tǒng)需要時,可以再通過電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動外載?；旌蟿恿ο到y(tǒng)在工程機(jī)械上的應(yīng)用研究正成為工程機(jī)械節(jié)能和環(huán)保研究的一個熱點(diǎn)。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(jī)、二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)及相關(guān)的液壓變壓器等。改變液壓油的物理性質(zhì),如采用黏性指數(shù)高的多級液壓油5,也將是節(jié)能技術(shù)發(fā)展的另一個新趨勢4。參考文獻(xiàn):【1】付鈴,鄂卓茂,劉

17、兆峰.液壓傳動動力機(jī)械系統(tǒng)節(jié)能控制研究J .礦山機(jī)械,2001(11:45-46.【2】彭天好,楊華勇,傅新.液壓挖掘機(jī)全局功率匹配與協(xié)調(diào)控制J .機(jī)械工程學(xué)報,2001,37(11:50-54.【3】張彥廷,王慶豐,肖清.液壓驅(qū)動慣性系統(tǒng)能量回收的節(jié)能試驗研究J .機(jī)床與液壓,2007(7:91-92.【4】王慶豐,魏建華,吳根茂,等.工程機(jī)械液壓控制技術(shù)的研究進(jìn)展與展望J .機(jī)械工程學(xué)報,2003(12:51-53.【5】張奕,龍水根.工程機(jī)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

18、角形數(shù)目的關(guān)系,另一條表示cos 值與ST L 文件尺寸的關(guān)系。線段AB 是水平的,表示三角形個數(shù)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(jīng)完全被濾去。3結(jié)論分析了ST L 模型中三角形形狀的特點(diǎn)和作用,在此基礎(chǔ)上提出并實現(xiàn)了剔除部分鈍角三角形的方法,達(dá)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(shù)據(jù)處理時間有著重要意義。參考文獻(xiàn):【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