節(jié)能技術(shù)在挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)上的應(yīng)用分析_圖文

1、 節(jié)能技術(shù)在挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)上的應(yīng)用分析Energy savings technology on excavator hydraulic system王玉林1，黃鳴輝1，張軍2WANG Yu-lin, HUANG Ming-hui, ZHANG Jun（1. 常林股份有限公司，江蘇 常州 213002；2.長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054）液壓挖掘機(jī)屬于高能耗的工程機(jī)械，大部分功率損失于液壓元件的節(jié)流和溢流調(diào)節(jié)，因此節(jié)能研究成為挖掘機(jī)研究的熱點(diǎn)。電子節(jié)能及控制技術(shù)成為液壓挖掘機(jī)技術(shù)發(fā)展的主要方向，一方面圍繞挖掘機(jī)各重要環(huán)節(jié)，采用混合動(dòng)力、電噴發(fā)動(dòng)機(jī)、正流量控制

2、、負(fù)流量控制等技術(shù)提高動(dòng)力源、傳動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三個(gè)環(huán)節(jié)的效率；另一方面圍繞液壓挖掘機(jī)整機(jī)的性能匹配進(jìn)行展開(kāi)，根據(jù)工作裝置和用途的不同采用分工況、分功率控制的方法，提高整機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和操作性。挖掘機(jī)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和工作裝置構(gòu)成，其中工作裝置的國(guó)產(chǎn)化已基本完成，而發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)均采用進(jìn)口產(chǎn)品，因此各主機(jī)廠的節(jié)能研究主要是采用相關(guān)技術(shù)提高發(fā)動(dòng)機(jī)以及發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓系統(tǒng)匹配的利用率。目前市場(chǎng)上主流的中型挖掘機(jī)仍然以機(jī)械調(diào)速發(fā)動(dòng)機(jī)和負(fù)流量的液壓系統(tǒng)為主，探討在此基礎(chǔ)上的節(jié)能研究具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。本文以福馬公司近年新開(kāi)發(fā)的21t挖掘機(jī)ZG3210-9C為對(duì)象分析其節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用。

3、該機(jī)采用康明斯6BTAA5.9-C150發(fā)動(dòng)機(jī)和川崎公司KMX型多路閥和K3V液壓泵組成的液壓系統(tǒng)，通過(guò)降低發(fā)動(dòng)機(jī)能耗、改進(jìn)控制系統(tǒng)性能、改善發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓系統(tǒng)的功率匹配等方法，積極開(kāi)展節(jié)能減排的研究，經(jīng)整機(jī)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)比普通機(jī)型節(jié)省燃油消耗15左右，取得了良好的效果。1控制系統(tǒng)功能改進(jìn)1.1設(shè)定經(jīng)濟(jì)擋位，充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)低油耗區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高轉(zhuǎn)速時(shí)，由于曲軸高速旋轉(zhuǎn)，活塞與氣缸的磨損加劇，將有更多的能量消耗在摩擦上，導(dǎo)致能量利用率較低。而低速大扭矩情況下，由于轉(zhuǎn)速低、負(fù)荷大，進(jìn)氣系統(tǒng)、渦輪增壓器等性能在不同程度上都會(huì)下降，導(dǎo)致進(jìn)氣沖量系數(shù)低，燃燒惡化，燃油利用率極低。發(fā)動(dòng)機(jī)在中間轉(zhuǎn)速時(shí)，油耗值最低。

4、各參數(shù)變化的詳細(xì)情況可參見(jiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線。挖掘機(jī)在使用過(guò)程中，由于工況不同，負(fù)載變化較大，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)所需提供的轉(zhuǎn)速和扭矩瞬態(tài)變化較大。為響應(yīng)不同工況的作業(yè)要求，電控系統(tǒng)設(shè)定重載（H）、正常（S）、輕載（L）、破碎（B）四種模式，發(fā)動(dòng)機(jī)油門旋鈕設(shè)定十擋電流。根據(jù)泵的功率曲線分別計(jì)算出在不同的轉(zhuǎn)速下，泵所需吸收的最大扭矩，在發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線上標(biāo)注出H、S、L三種模式下扭矩區(qū)間，我們可以發(fā)現(xiàn)：在H模式下，轉(zhuǎn)速設(shè)定區(qū)間為17501950rpm，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗曲線為最建筑機(jī)械化2011(05 31 低油耗的105%；在S模式下，轉(zhuǎn)速設(shè)定區(qū)間為15501750rpm，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗曲線為最低油耗的101%10

5、2%；L模式下，在轉(zhuǎn)速13501550rpm 區(qū)間內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗曲線為最低油耗的102%105%。在S和L模式下，整機(jī)運(yùn)行在發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線的最低油耗區(qū)域，使系統(tǒng)不僅能獲得較高的工作效率，而且能降低燃油的消耗和發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。根據(jù)作業(yè)的要求，由駕駛員先選定工作模式，并設(shè)定擋位電流，系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)節(jié)柴油機(jī)油門開(kāi)度。通過(guò)柴油機(jī)液壓泵的聯(lián)合調(diào)節(jié)，使液壓泵的吸入功率等于柴油機(jī)的輸出功率，同時(shí)可以使柴油機(jī)工作在最佳工作點(diǎn)。1.2根據(jù)作業(yè)工況，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)控制當(dāng)挖掘機(jī)由于等待運(yùn)輸車輛等原因而短暫停止操作時(shí)，控制柴油機(jī)油門開(kāi)度，使其處于自動(dòng)怠速狀態(tài)1350rpm。重新操縱挖掘機(jī)作業(yè)時(shí)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)恢復(fù)到正常工作

6、時(shí)的轉(zhuǎn)速狀態(tài)。采用自動(dòng)怠速替代柴油機(jī)的高怠速工況，不僅降低了空載時(shí)的能量消耗，同時(shí)也降低了噪聲，有利于柴油機(jī)壽命的延長(zhǎng)。當(dāng)負(fù)載超過(guò)限值時(shí)，控制系統(tǒng)進(jìn)入瞬時(shí)增力模式。通過(guò)駕駛室內(nèi)側(cè)先導(dǎo)手柄上的增力按鈕，在挖掘作業(yè)過(guò)程中，按一下瞬時(shí)增力按鈕，則瞬時(shí)增力電磁閥接通9s。連續(xù)按下超過(guò)9s時(shí)，瞬時(shí)增力電磁閥要斷開(kāi)9s，然后再接通（即連續(xù)增力默認(rèn)為9s，超過(guò)9s要斷開(kāi)，9s后才能繼續(xù)增力）。此時(shí)系統(tǒng)壓力將由330bar升至350bar，挖掘力可增加6%。在動(dòng)臂下降回路增加壓力檢測(cè)，由于重力作用原因，對(duì)工作壓力和流量要求不高，系統(tǒng)功率需求較小；通過(guò)電控系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)油門開(kāi)度，由于載荷較輕，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高，泵排

7、量增加，在不影響工作效率的情況下，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)能量消耗。1.3優(yōu)化加載特性，提高響應(yīng)速度充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速率，康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速率為12%。調(diào)速率越小，發(fā)動(dòng)機(jī)突加載時(shí)的瞬態(tài)供應(yīng)量越大，總油耗也就越高。控制系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)泵的電磁比例閥電流，改變泵的排量，從而使泵的吸收功率與發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率相同，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值附近，減小油耗。選用高靈敏度的油門執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)高控制器采集轉(zhuǎn)速的處理速度，提高泵排量改變的響應(yīng)速度，提高整機(jī)的工作效率，降低油耗。1.4自研控制系統(tǒng)，擴(kuò)展系統(tǒng)功能在發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)不能改變的前提下，為進(jìn)一步達(dá)到節(jié)能研究，公司采用德國(guó)Hersmor G16控制器，

8、上海派恩科技真彩SPN 5300顯示器，南京吉美思的GMS101-4DGPS模塊構(gòu)建了一套挖掘機(jī)控制系統(tǒng)，以轉(zhuǎn)速感應(yīng)的PID調(diào)節(jié)的恒功率控制方法，保證作業(yè)狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)功率的充分利用；同時(shí)采用基于泵出口壓力反饋的控制方式，當(dāng)泵壓力超過(guò)設(shè)定上限2s時(shí)間，關(guān)閉泵排量，降低溢流造成的損失。2液壓系統(tǒng)的優(yōu)化2.1能量再生和回收利用在挖掘機(jī)作業(yè)過(guò)程中，位能和動(dòng)能的損失較大。工作裝置回路和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)都可考慮能量再生利用。目前，大多數(shù)挖掘機(jī)上動(dòng)臂或斗桿都采用了再生回路，提高了工作裝置的作業(yè)速度，改善了復(fù)合操縱性能，使液壓系統(tǒng)的能耗降低，效率提高。選用川崎公司的KMX15RA多路閥，該閥的斗桿控制回路中，有桿腔的

9、液壓油通過(guò)一個(gè)內(nèi)置的單向閥進(jìn)入無(wú)桿腔，從而實(shí)現(xiàn)回油再利用，如圖1所示。Q Q maxmax 圖1壓力切斷閥的節(jié)能效果2.2降低液壓系統(tǒng)沿程損失液壓油通過(guò)管道和接頭等的沿程損失, 這種2011(05 損失是不可避免的。液壓系統(tǒng)的沿程壓力損失所造成的功率損失也是不可小視的。在泵出口處測(cè)得的空流壓力（大約有23MPa）中有很大一部分是沿程壓力損失。調(diào)整液壓系統(tǒng)膠管走向，將回轉(zhuǎn)馬達(dá)泄油、行走馬達(dá)泄油、主閥泄油口由原來(lái)的隨系統(tǒng)回油經(jīng)回油濾清器回油箱，現(xiàn)調(diào)整為直接回油箱，降低泄油口背壓；增大主泵出口處膠管通徑，調(diào)整高壓膠管、回油管路中低壓膠管材料等；通過(guò)一系列改進(jìn)，改善了液壓系統(tǒng)沿程損失，降低油耗，降低液

10、壓系統(tǒng)熱平衡溫度。2.3增加系統(tǒng)壓力切斷功能壓力切斷是為了消除系統(tǒng)過(guò)載時(shí)的溢流損失而代替溢流閥的一種壓力調(diào)節(jié)控制，在液壓泵高壓出口下游設(shè)置了壓力切斷閥，如果液壓泵的出口壓力超過(guò)壓力切斷閥設(shè)定壓力（公司配套主泵壓力設(shè)定值為350bar），壓力切斷閥輸出一個(gè)與壓力增加成比例的控制信號(hào)給液壓泵，將液壓泵流量降到接近零流量，而輸出仍保持在系統(tǒng)壓力附近。當(dāng)液壓泵進(jìn)入壓力切斷控制時(shí)，雖然系統(tǒng)壓力很高，但由于此時(shí)液壓泵的輸出流量接近零，功率損耗很小。見(jiàn)圖2。的設(shè)計(jì)和布置，降低風(fēng)道的壓力損失，避免熱風(fēng)回流，提高系統(tǒng)散熱能力，控制液壓系統(tǒng)油溫在80左右，從而提高液壓元件效率，延長(zhǎng)使用壽命；選用低功耗的風(fēng)扇，降低

11、發(fā)動(dòng)機(jī)功率損耗。3.2液壓泵和發(fā)動(dòng)機(jī)的功率匹配轉(zhuǎn)速波動(dòng)是導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃油利用率下降的主要原因之一，因此作業(yè)時(shí)降低轉(zhuǎn)速波動(dòng)可有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油利用率。一方面控制系統(tǒng)采用分工況的功率控制方式，設(shè)置3種功率模式和10擋油門，以滿足不同的作業(yè)工況，提供系統(tǒng)利用率；另一方面增加輔助的控制功能，如自動(dòng)怠速，自動(dòng)減速和機(jī)械怠速等功能，進(jìn)一步降低能耗。（編輯吳學(xué)松）中圖分類號(hào) TH621文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B文章編號(hào) 1001-1366(201105-0031-03收稿日期 2011-03-293整機(jī)性能優(yōu)化3.1發(fā)動(dòng)機(jī)布局的改進(jìn)選用優(yōu)質(zhì)進(jìn)口散熱器產(chǎn)品，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)建筑機(jī)械化2011(05 33 21 When EU

12、 stage face the cognitive limitation and poor quality dieselIn April this year, the national construction machinery equipment users committee received a quality complaint that from Tangshan individual user on account of some Japanese brand excavator.The problems re ected that construction machinery

13、users have cognitive limitations of environment-friendly products and the reality that part diesel have a poor quality,are becoming the major obstacles of our national construction machinery energy saving and emission reduction.24 Product upgrading access to more ef cient and greenerAt the CONEXPO-C

14、ON/AGG 2011, one of the best attraction was "environmental protection and energy saving", European and American main construction machinery enterprises introduced series of products with a Tier 4 emissions solution, almost all of the engine manufacturers brought their overall upgrade produ

15、cts with Tier 4 emissions solution, construction machinery industry tend to cleaner, more environmentally friendly and more ef cient, driving the whole products upgrading.31 Energy saving technology on excavator hydraulic systemEnergy saving technology on excavator is advantage to product competitiv

16、eness, energy conservation and emission reduction. Analysis of the hot energy saving research on excavator in domestic and international and the main reason for the power loss. Combining application experience, put forward some energy saving technologies application to excavator.52 TBM technology ap

17、plied to the rst phase of Chongqing metro line 6The rst phase of Chongqing metro line 6 is the rst urban subway project applied the TBM technology. According to the construction of the first phase of Chongqing metro line 6, this paper analyzed the TBM construction adaptability, introduced in detail

18、the TBM equipment selection and key construction technology60 The application of intelligent compaction system on the subgrade construction ofLanzhou-Xinjiang second lineAt the present stage, subgrade construction account for a large proportion of passenger train and bullet train construction. To ensure the quality of subgrade, strengthen the process control, continuous compaction test control technology (intelligent compacti