小型液壓挖掘機三泵系統(tǒng)的匹配

韋家義/WEI Jia-yi

（廣西玉柴重工有限公司，廣西 玉林 537005）

隨著挖掘機市場與技術(shù)的發(fā)展，三泵系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，成為了1.5～6噸系列小型液壓挖掘機（以下簡稱小挖）液壓系統(tǒng)的主流。其中，日韓系以久保田、洋馬、石川島、斗山等為代表，歐美系以威克諾森、卡特彼勒等為代表，國內(nèi)以玉柴、山河智能等為代表。不同主機廠的小挖性能表現(xiàn)良莠不齊。三泵系統(tǒng)對整機的性能表現(xiàn)起到?jīng)Q定性作用。三泵系統(tǒng)涉及較多的技術(shù)問題，主要涉及主泵的選擇、功率匹配、液壓多路閥邏輯策略等方面。本文從主泵的選擇、功率匹配方面進行研究分析，為小挖的新產(chǎn)品研發(fā)與技術(shù)性能提升，提供一些決策參考。

1 三泵系統(tǒng)特點

三泵系統(tǒng)之所以成為小挖液壓系統(tǒng)的主流，主要有如下幾個特點。

1）節(jié)流恒功率控制三泵三回路系統(tǒng)。

2）主泵具有恒功率調(diào)節(jié)排量的功能。

3）液壓多路閥可實現(xiàn)行走安全、直線行走、閥內(nèi)合流、動臂優(yōu)先、斗桿再生等功能。

4）可匹配出頗佳操縱性能。

5）可匹配出較低的油耗水平。

2 三泵系統(tǒng)解析

圖1所示是一種典型的三泵系統(tǒng)。三泵系統(tǒng)是由主泵、液壓多路閥及執(zhí)行元件組成的液壓系統(tǒng)。主泵設(shè)置的四個液壓油泵中，P1泵提供給動臂和鏟斗壓力油源，P2泵提供給斗桿壓力油源，P3泵提供給回轉(zhuǎn)壓力油源，Ps泵提供給先導(dǎo)控制油源。通常將主泵中的P1泵、P2泵、P3泵稱為三泵系統(tǒng)中的“三泵”。“三泵”與液壓多路閥組成的壓力控制系統(tǒng)，通過不同的策略來實現(xiàn)對挖掘機大臂、小臂、回轉(zhuǎn)的控制。

圖1 一種典型三泵系統(tǒng)簡圖

目前，主要有KYB主泵和KYB多路閥組合、KYB主泵+Nabotesc多路閥組合、Nachi主泵和Nabotesc多路閥組合組成的三泵系統(tǒng)。不同的主機廠采用不同的主泵和液壓多路閥，且由于參數(shù)設(shè)置不同，控制邏輯不同，挖掘機的性能各不相同。

有的主機廠完全模仿進口品牌的，有的主機廠自主匹配但效果卻差強人意。正所謂“好機子是匹配出來的”，而匹配的第一步需先從主泵開始。

圖2所示是三泵系統(tǒng)采用的一種主泵型式，圖3所示是該主泵的P-Q曲線圖。

P1泵和P2泵為變量軸向柱塞泵，P3泵為定量齒輪泵，P4泵為定量齒輪泵。P1泵與P2泵間設(shè)有聯(lián)動機構(gòu)，各自出口的壓力變化都會作用于彼此；P3泵也作用于該聯(lián)動機構(gòu)，P3泵的壓力變化對P1泵與P2泵產(chǎn)生影響；該聯(lián)動機構(gòu)同時受到彈簧的作用，彈簧的性能對P1泵、P2泵和P3泵產(chǎn)生影響。

圖2 一種三泵系統(tǒng)的主泵原理圖

圖3 三泵系統(tǒng)主泵的P-Q曲線圖

圖4 雙彈簧三泵系統(tǒng)功率曲線圖

3 三泵系統(tǒng)的匹配

3.1 三泵系統(tǒng)功率曲線擬合匹配

目前，調(diào)整恒功率曲線的結(jié)構(gòu)主要有雙彈簧、單彈簧杠桿、契形單彈簧杠桿三種，擬合精度依次遞增。由于可靠性及制造成本相對較低，80%以上都以應(yīng)用雙彈簧結(jié)構(gòu)為主。

圖4所示為雙彈簧三泵系統(tǒng)功率曲線圖。雙曲線彈簧與二次曲線的擬合精度約為±3%，超過這個幅度容易出現(xiàn)功率低調(diào)或超調(diào)，調(diào)整幅度與設(shè)計的功率曲線越遠值越大。

匹配功率線時，要按既定設(shè)計功率來調(diào)整功率曲線，或者重新調(diào)定兩條彈簧的壓縮量來擬合恒功率曲線。

在低調(diào)區(qū)，整機操作上容易出現(xiàn)失速現(xiàn)象，有動作無力的感覺；在超調(diào)區(qū)，機械泵由于功率超調(diào)，容易出現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降冒黑煙現(xiàn)象。

三泵系統(tǒng)是一種全功率聯(lián)動壓力自身反饋恒功率控制，P3泵為定量泵，當P3的壓力變化時，功率為線性上升，吸收了P1和P2柱塞泵的功率，因此，P1、P2兩泵功率在最大值與最小差值間變化。由于調(diào)節(jié)功率的彈簧的構(gòu)造問題，容易出現(xiàn)P3泵不吸收功率時，在高壓階段，實際發(fā)揮功率比理論曲線低的現(xiàn)象，出現(xiàn)能耗虛假現(xiàn)象。P3泵用于獨立控制回轉(zhuǎn)動作，P3泵功率越大，能耗就越高，P1和P2泵就越容易進入恒功率區(qū)的極限位置，也就是斜盤最小擺角，偏離正常恒功率控制模式。

三泵系統(tǒng)邏輯控制簡單，各單動作未進入恒功率控制，在低速階段，速度會感弱些。在挖掘循環(huán)中，除了挖掘階段進入恒功率外，其余階段很難進入到恒功率階段，除非壓力很高。提臂+回轉(zhuǎn)階段主要受動臂和回轉(zhuǎn)流量配比的控制，壓力會按提臂壓力變化控制，功率發(fā)揮較低，油耗也就較低，但動臂提升和協(xié)調(diào)性就會差些，裝車效率也就會差些。

從另一方面看，P3可以當成為介入功率，那么三泵系統(tǒng)就可以從交叉功率來解釋，即通過P3泵的介入，改變了P1、P2泵的起調(diào)壓力；P3泵壓力越大，P1、P2泵起調(diào)點越低，功率也就越小，剩余的功率被P3泵吸收。

3.2 三泵系統(tǒng)的主泵與發(fā)動機匹配

挖掘機性能取決于系統(tǒng)的匹配，匹配旨在降油耗與提高操縱性能。

挖掘機液壓功率匹配旨在充分發(fā)揮發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性，使發(fā)動機高效工作的同時能耗最低。

發(fā)動機功率匹配的關(guān)鍵是發(fā)動機工作點的確定。

發(fā)動機與泵的功率匹配存在兩方面需協(xié)調(diào)控制：一是從負載出發(fā)，使發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)速及扭矩適應(yīng)負載的需求；二是從發(fā)動機出發(fā)，盡量使發(fā)動機工作在高效區(qū)，充分利用發(fā)動機的功率，并兼顧良好的經(jīng)濟性。

發(fā)動機的輸出功率為

泵的吸收功率為

發(fā)動機與泵同軸相連，轉(zhuǎn)速相同

忽略軸系的機械傳動功率損失，發(fā)動機與泵的功率匹配應(yīng)滿足

當轉(zhuǎn)速波動較大時，通過調(diào)節(jié)泵的排量，使泵的穩(wěn)態(tài)扭矩不變，使得

降低發(fā)動機的轉(zhuǎn)速波動，使發(fā)動機能夠穩(wěn)定運行在目標工作點，從而實現(xiàn)發(fā)動機與泵的匹配控制。

油耗的理論計算，按

式中Ne—發(fā)動機輸出功率，kW；

Me— 轉(zhuǎn)矩，Nm；

ne—發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min；

Np—泵的輸出功率，kW；

Pp—泵出口壓力，MPa；

Qp—泵出口流量，L/min；

qp—泵的排量，ml/r；

np—泵的轉(zhuǎn)速，r/min；

Mp—泵的吸收發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩，Nm；

ge—等比油耗；

h—發(fā)動機負荷率；

hp— 總效率（液壓泵的容積效率hB、機械效率hJ、功率儲備系數(shù)hC）。

r—燃油密度，g。

3.3 液壓功率取值范圍

經(jīng)驗算法一 液壓功率=發(fā)動機功率-附件功率(15%)-儲備功率(6%～15%)。

經(jīng)驗算法二 液壓功率=發(fā)動機功率/功率系數(shù)，功率系數(shù)取1.1～1.3。

經(jīng)驗算法三 液壓功率=液壓功率系數(shù)×整機重量，液壓功率系數(shù)取4.3～4.5。

從經(jīng)驗算法可知，初算得到的液壓功率是一個范圍值，不同的主機廠匹配出不同的液壓功率。

從生產(chǎn)實踐可知，液壓功率取值大，則發(fā)動機負荷過大，油耗高；反之，油耗小；但如過小，又會影響動力性能，效率就會減弱。

3.4 挖掘效率與能耗、液壓功率

從挖掘循環(huán)所產(chǎn)生的能量消耗和能量損失推導(dǎo)可知，三者之間存某種關(guān)系：

其中，挖掘效率h和能耗Et是二次曲線關(guān)系，而挖掘效率h和液壓功率W是三次曲線關(guān)系，都是開口向上的拋物線，圖5為挖掘效率與能耗、液壓功率曲線圖。

這種三者間的相互關(guān)系告訴我們：如果從提高挖掘效率考慮，就可能會導(dǎo)致能耗（h的2次方）、液壓功率（h的3次方）迅速增加；反過來說，如果適當降低挖掘效率，就可以較大降低液壓功率和能耗。當然，如設(shè)置過低的挖掘效率，操作者往往會采用高轉(zhuǎn)速檔來彌補，這反而造成整機油耗增加。所以，匹配過高或過低的挖掘效率都不符合經(jīng)濟性。

圖5 挖掘效率與能耗、液壓功率曲線圖

3.5 泵的合流與能耗

圖6是一種三泵P-Q特性曲線。采用三聯(lián)泵P1+P2+P3形式，三泵系統(tǒng)在作業(yè)循環(huán)中，用到的全部功率的占比稍低，如提臂動作，基本采用P1或P1+P3合流或P2+P3合流，不管是哪種，都不是3個泵同時作用，而是1個或2個泵發(fā)揮部分功率而已。部分主機廠設(shè)置了P1和P2合流給動臂，其實是一種浪費，應(yīng)該更關(guān)注P3泵的合流策略。

圖6 一種三泵（P1+P2+P3）系統(tǒng)P-Q特性曲線圖

4 三泵系統(tǒng)匹配的其它方面

三泵系統(tǒng)的匹配，除了需關(guān)注性能外，還需關(guān)注排放、成本及安裝等方面。小挖一般采用小排量發(fā)動機+柱塞式馬達的組合，微小挖一般采用小排量發(fā)動機+擺線馬達的組合。小排量發(fā)動機不但更好地滿足排放要求，而且成本更低，特別是對于無尾機型來說，發(fā)動機艙的空間非常緊張，小排量發(fā)動機更好布置。微小挖采用擺線馬達，成本也更低。當然，也有部分主機廠，采用大排量發(fā)動機匹配三泵系統(tǒng)的，這樣動力性更強。

5 結(jié)束語

小挖的整機性能表現(xiàn)取決于三泵系統(tǒng)的匹配及其關(guān)鍵元件的選型（主泵與液壓多路閥）。如果對三泵系統(tǒng)研究分析更加深入透徹、要求更加明確細化，就會大大縮短樣機調(diào)試時間，加快量產(chǎn)進程，從而節(jié)約人力、物力與財力；否則，后續(xù)再怎么整改也只是小改小革，難以達到預(yù)想效果。本文未對多路閥的邏輯控制策略進行研究分析，需要主機廠根據(jù)自身的需要進行研究與匹配。

[1]陳國俊.液壓挖掘機[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011.

[2]胡 勇.一種挖掘機三泵開式節(jié)流液壓系統(tǒng)的合流方式的分析[J].液壓氣動與密封，2005，(5)：43-44.