液壓混合動力挖掘機液壓系統(tǒng)設計要求分析

金月峰，費樹輝，王振興，夏 炎，宋 萌

（徐州徐工挖掘機械有限公司，江蘇 徐州 221004）

液壓混合動力挖掘機靠蓄能器回收動臂下降勢能或回轉動能，再釋放到液壓系統(tǒng)中，如果將蓄能器、控制閥等能量回收相關元件直接加裝到非混合動力挖掘機液壓系統(tǒng)中，會對原系統(tǒng)壓力、流量產生干擾，造成挖掘機在動作協調性、穩(wěn)定性、功能性等方面性能改變，無法滿足使用要求。另外，由于蓄能器屬于壓力容器，還需要保證操作和維護人員的安全。本文針對上述問題，提出油液混合動力挖掘機設計過程中的相關要求，以保證在挖掘機滿足用戶需求的前提下達到節(jié)能的效果。

1 液壓混合動力挖掘機液壓系統(tǒng)設計要求

1.1 滿足動臂下降時速度穩(wěn)定要求

非混合動力挖掘機動臂下降時如圖1所示，速度由主控制閥內節(jié)流孔調節(jié)，因工作裝置重量不變，液壓系統(tǒng)負載不變，所以動臂下降速度基本不變。而油液混合動力挖掘機液壓系統(tǒng)如圖2所示，用蓄能器回收動臂下降時動臂油缸大腔的液壓油，供給輔助馬達，用蓄能器的壓力來平衡動臂下降時的負載，隨著蓄能器內油液的逐漸增加，蓄能器內壓力隨之逐漸增大，由于蓄能器壓力的變化會影響主泵壓力，進而使主泵的排量發(fā)生變化，導致進入動臂油缸小腔液壓油的流量會發(fā)生變化，引起動臂下降速度的變化，因此需增加速度控制裝置。

圖1 非混合動力動臂油路原理圖

1.2 滿足復合動作要求

挖掘機對復合動作的協調性要求非常高，因液壓混合動力挖掘機回收動臂下降的能量，所以涉及與動臂下降相關的動作都會受到影響，例如：動臂下降與斗桿外擺復合，如圖3所示，在非混合動力挖掘機中，動臂和斗桿的復合動作，依靠動臂油缸大腔回油節(jié)流閥，保證動臂下降負載穩(wěn)定，從而穩(wěn)定動臂下降速度，保證復合動作協調性。而液壓混合動力挖掘機動臂與斗桿的復合動作，如圖4所示，動臂大腔回油接蓄能器，由于蓄能器壓力波動造成動臂大腔回油壓力波動，引起動臂下降速度變化，動臂與斗桿復合動作操控性能變差，要滿足操控性能需求，就要增加合理控制閥，保證動臂下降速度的穩(wěn)定。

圖2 混合動力動臂油路原理圖

圖3 非混合動力復合動作原理圖

圖4 混合動力復合動作原理圖

1.3 滿足動臂鎖緊要求

原系統(tǒng)主控閥帶有負載保持閥，如圖2所示，泄漏量非常低，當動臂聯操作手柄回中位時，動臂保持閥能鎖緊動臂油缸，避免因內泄漏等問題而引起動臂油缸慢速下降。所以油液混合動力系統(tǒng)需要具備動臂鎖緊功能，因油液混合動力系統(tǒng)由于動臂下降油缸大腔除了連接主控閥外，而要并聯一路連接蓄能器，因此需要在能量回收油路上增加液壓鎖，防止動臂油缸慢速下降。

1.4 滿足停機泄壓要求

油液混合動力挖掘機蓄能器內存儲大量高壓油液，屬于危險容器，為保證操作和服務人員安全，混合動力系統(tǒng)必須在挖掘機熄火停機后自動泄除蓄能器內高壓油液，以免造成人身傷害，因此必須安裝自動泄壓油路，如圖5所示，蓄能器并聯電磁開關閥油路，熄火后電磁閥動作，將蓄能器內壓力油與油箱接通，可自動將蓄能器內高壓油卸掉。

圖5 混合動力蓄能器自動泄壓原理圖

1.5 滿足雙系統(tǒng)切換要求

在挖掘機工作過程中，因工地變更需要轉運，挖掘機不方便直接行駛到現場，需要由卡車托運到工作現場，挖掘機上下卡車的時候需要鏟斗著地，動臂油缸有桿腔進油，抬起挖掘機履帶，這個動作即是撐車，如圖6所示。

撐車過程中，由于鏟斗著地，當動臂油缸有桿腔進油時，動臂油缸會壓縮，動臂將會下降，但由于鏟斗著地，無法下降，隨著動臂油缸有桿腔進油壓力增大，在地面給鏟斗的反作用力的作用下，挖掘機履帶輪將會抬起，以使動臂油缸壓縮，此時動臂油缸無桿腔跟油箱相連，隨著開始撐車時動臂油缸的不運動，致使動臂大腔吸空，壓力為0。

圖6 挖掘機撐車圖

圖5是常規(guī)挖掘機撐車時系統(tǒng)的壓力曲線，從中可以看出，隨著撐車的進行，履帶抬起越高，所需的動臂油缸有桿腔壓力也越大，最大時可到25MPa。但混合動力系統(tǒng)由于蓄能器有較大的背壓，一般在10MPa以上，而動臂油缸的無桿腔與有桿腔的面積比約為2∶1，即混合動力系統(tǒng)撐車時，有桿腔的壓力需比原系統(tǒng)撐車壓力高20MPa才能達到原系統(tǒng)撐車效果，此時主泵已溢流，即混合動力系統(tǒng)不能完成撐起車。須識別挖掘機撐車狀態(tài)，在撐車時將挖掘機切換到非混合動力模式，以保證順利撐車。

圖7 挖掘機撐車過程壓力曲線圖

2 結束語

本文以油液混合動力挖掘機為例，介紹了在回收動臂勢能的過程中，液壓系統(tǒng)存在的系列問題，針對動臂下降速度問題，通過速度控制閥調速降低負載壓力變化引起的速度波動及協調性問題，通過并聯負載保持閥解決動臂掉缸同時實現雙系統(tǒng)切換，通過蓄能器并聯泄壓閥實現停機自動泄壓功能。本文僅從原理上介紹油液混合動力挖掘機設計過程中需滿足的要求，并提出了相關解決辦法，但是在實際設計中還要充分考慮系統(tǒng)可靠性、經濟性、維護方便性等一系列問題，讓混合動力挖掘機既達到常規(guī)挖掘機的各項性能指標，還實現節(jié)油的效果。