基于負(fù)流量的挖掘機極限負(fù)荷控制系統(tǒng)研究

車濤，陳建河，李霞，鐘玉那，薛春標(biāo)，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(shè)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(jìn)行了負(fù)控策略的研究，中南大學(xué)何清華等［2］探討了負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)流量的極限負(fù)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(fù)流量控制系統(tǒng)

負(fù)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(jìn)入液壓缸或液壓馬達(dá)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(shè)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(dǎo)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(dǎo)壓力)pi與泵排量呈反比關(guān)系，所以稱為負(fù)流量控制。

圖1 負(fù)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(fù)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(fù)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(dá)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(yuǎn)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(dāng)?shù)竭_(dá)液壓泵功率的設(shè)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(yīng)轉(zhuǎn)速工作時，液壓泵不能有效地吸收輸出功率，嚴(yán)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(fù)流量極限負(fù)荷控制系統(tǒng)

針對負(fù)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(fù)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(yīng)用于挖掘機的負(fù)流量液壓系統(tǒng)極限負(fù)荷控制系統(tǒng)。具體措施如圖3所示，將液壓系統(tǒng)的負(fù)流量反饋回路取消，在多路閥負(fù)流量反饋口增加壓力傳感器，并在主泵的兩個負(fù)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(yù)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(jìn)入恒功率調(diào)節(jié)區(qū)。

圖3 負(fù)流量極限負(fù)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(fù)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(jìn)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(fù)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(dāng)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(dāng)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(fù)載的需求輸出。因而可使液壓泵和發(fā)動機工作在預(yù)定的最佳狀態(tài)下，可完全吸收發(fā)動機的功率，達(dá)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(dá)到高效節(jié)能的目的 (經(jīng)濟模式)。

與挖掘機傳統(tǒng)的負(fù)流量控制系統(tǒng)相比，挖掘機極限負(fù)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(shè)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(yīng)性，操作性更好。

3 應(yīng)用實例

為驗證負(fù)流量極限負(fù)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(jìn)行了對比試驗。試驗條件:針對兩種控制方法的特點分別進(jìn)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(fù)進(jìn)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(fù)荷控制系統(tǒng)比負(fù)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(fù)荷控制系統(tǒng)的特點。

4 結(jié)束語

負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(xué)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(fù)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(xué)，2011.

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