挖掘机液压系统功率控制方式及性能分析

2022-09-11

液压挖掘机是一种大功率土石方施工机械, 以斗容为0.8m2~1m3的20吨级挖掘机为例, 其发动机功率在110kw~130kw之间。所以, 液压挖掘机的节能研究一直是工程机械领域中的重要科研课题。

挖掘机工作过程中, 动力从发动机输出, 经过液压泵、液压阀、液压油缸和马达后对外做功, 完成土石方移动作业。提高各个环节的功率传输效率可以起到节能的效果, 如:降低发动机的单位功率的油耗 (即比油耗) 、提高液压泵的容积效率和机械效率。

目前, 挖掘机所用的柴油机和液压元件, 制造商已经将比油耗和效率等能耗指标提高到了很高的水平, 进一步提高元件的经济性难度较大。

然而, 整个动力传动系统的功率匹配和功率控制在节能上却大有潜力可挖。首先, 发动机与液压泵的静态功率匹配特性是系统经济性的基础, 另外, 在变负荷下发动机和液压系统的控制方式和控制策略决定了挖掘机的最终经济性。液压泵和发动机的静态匹配已有较多文献叙述, 本文主要叙述发动机和液压系统在变负荷下的功率控制方式, 并分析其控制性能。

变负荷下的功率匹配的目的是实现发动机对执行元件的功率实时匹配。因为液压系统压力是实现挖掘力的必要条件, 所以, 液压系统的功率匹配实际上是流量匹配。

1 流量控制方式

目前, 挖掘机开中心液压系统的流量匹配方式主要有三种:节流调速系统、负流量控制系统和正流量控制系统。

1.1 节流调速控制特点

节流调速控制的原理图如图1所示。

节流调速系统是采用定量泵供油的阀控节流调速系统, 系统采用定量液压泵供油, 泵出口经过主阀芯分别与执行元件和油箱连通。先导压力Pst能够比例控制主阀芯行程, 进而控制主泵通向执行元件和油箱的开口大小。

当操作人员加大手柄偏角时, 先导压力推动主阀芯A1移动, 主泵通向执行元件的开口增大, 同时主泵通向油箱的开口相应减小, 主泵的流量更多的流入执行元件, 执行元件的速度也相应增加, 实现了操作人员的增速期望。

当操作人员减小手柄偏角时, 动作过程与上述相反, 但无论操作人员手柄如何动作, 泵的流量并未发生改变, 为了使挖掘机具有较高的工作速度, 定量泵的流量往往与执行元件的最高速度相匹配。

下面分析阀控节流调速系统的功率损失。定量泵的流量分为两部分:一部分通过主阀芯进入执行元件对外做功, 另一部分经过主阀芯回油箱。由于挖掘机在一个工作循环内运动部件的速度变化较大, 相应的执行元件的流量波动也很大, 当执行元件由高流量需求变为低流量需求时, 系统的剩余流量全部经过主阀回油箱, 所以系统的流量浪费比较严重。

由定量泵驱动的阀控调速系统具有结构简单可靠、控制方便等优点, 但其经济性能上的缺点远大于上述优点, 所以在中、大型挖掘机等对经济性要求高的机型上极少采用, 只是在系统流量较小的小型挖掘机上采用。

1.2 负流量控制特点

采用变量泵驱动的阀控系统可以克服上述缺陷, 目前广泛采用的负流量控制系统就是采用变量泵驱动的, 其液压原理图如图2所示。

负流量系统是在节流调速系统的基础上, 采用变量液压泵驱动, 在主阀到油箱的通路上增加节流元件而组成的。变量泵的排量由主阀到油箱上新增加的节流元件的上游压力调定。

当操作人员加大手柄偏角时, 先导压力推动主阀芯A1移动, 主泵通向执行元件的开口增大, 同时主泵通向油箱的开口相应减小, 主泵的流量更多的流入执行元件, 执行元件的速度也相应增加, 实现了操作人员的增速期望。同时, 主阀到油箱的流量相应减少, 负压力相应降低, 主泵排量在弹簧力的作用下增加以增加系统流量, 当手柄偏角减小时, 节流口A1减小, 系统流量更多的通过负压力节流孔回油箱, 此时负压增大, 克服主泵变量弹簧将泵排量调小, 以降低系统流量。

可见, 系统流量能够随操作人员对手柄的操作而作相应调整, 以实现泵的流量供给与执行元件的流量需求之间的平衡。

与节流调速系统相比, 负流量控制方式具有结构上的优越性, 其经济性能大大提高, 基本上实现了系统的流量匹配和功率匹配。

下面分析负流量系统的功率损失情况。

与节流调速系统相比, 负流量系统的压力损失情况没有发生改变, 主阀到执行元件的开口A1处仍然有压力降, 主泵出口压力全部降落在主阀到油箱的两个节流口上。负流量系统的优点集中体现在流量损失控制上。由于负压对主泵排量的调节, 使负流量系统成为闭环控制系统, 当下游的流量需求发生变化时, 流量变化信息及时反馈到流量共给元件, 并使系统的流量重新达到平衡。

当主要矛盾解决以后, 原来的次要矛盾便会上升为主要矛盾。

负流量系统中, 系统流量的动态匹配基本上解决了定量系统的经济性问题, 而系统流量的匹配精度和时间响应随之成为负流量系统的主要问题, 这是由负流量系统的结构造成的。

负流量系统中, 手柄偏角改变导致先导压力改变, 先导压力改变导致主阀位移改变, 主阀位移改变导致主阀到油箱的流量改变, 主阀到油箱的流量改变导致负压改变, 负压改变导致主泵排量和流量改变, 主泵排量和流量的改变适应先导压力改变造成的执行元件流量需求改变, 所以, 这种控制方式存在较严重的滞后, 较长的响应时间也降低了系统流量匹配精度。

可见, 负流量系统虽然在功率利用上取得了较好的效果, 但其响应的实时性和准确性有待提高。

改善负流量系统响应的实时性和准确性应从系统流量信息反馈点的选取上着手。目前已经取得批量应用并取得良好效果的正流量控制系统既是如此。

1.3 正流量控制特点

正流量系统是在负流量系统的基础上, 改变反馈压力的选取点而构成的。

正流量控制系统的液压原理图如图3所示。不采用负流量系统中对主泵排量的控制方式, 而是直接采用手柄的先导压力控制主泵排量, 这样, 手柄的先导压力同时并联控制系统流量的供给元件和需求元件, 这样就克服了负流量系统中间环节过多、响应时间过长的问题。如果合理配置主阀对先导压力的响应时间和主泵对先导压力的响应时间, 从理论上可以实现主泵流量供给对主阀流量需求的无延时的响应, 实现了系统流量的“所得即所需”。

可见, 正流量系统不但功率损失小, 还具有响应快速、流量匹配精度高等优点, 是目前液压挖掘机液压系统较为理想的控制方式。

2 结语

挖掘机液压系统的供率控制方式经历了两次大的变革:从节流调速控制到负流量控制主要解决了系统功率损失大的问题, 从负流量控制到正流量控制主要解决了响应速度慢和流量匹配精度差的问题。正流量控制方式具有功率损失小、响应速度快、流量精度高等优点, 是挖掘机较为理想的控制方式。对挖掘机液压系统功率控制方式进一步的研究主要集中在系统流量的智能控制上。

摘要：本文回顾了挖掘机液压系统功率控制方式的沿革, 分析了节流调速、负流量控制和正流量控制等主要功率控制系统的结构和性能上的优缺点并作出总结, 展望了挖掘机液压系统功率控制方式的发展方向。

关键词：挖掘机,液压系统,功率控制