液压挖掘机耗能分析与节能研究

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液压挖掘机耗能分析与节能研究

                                                                                      武哲

                                           （兰州理工大学能源与动力工程学院  动力工程领域  122085206007）

摘要：液压挖掘机是工程机械之王，是工程机械的主要机种之一，广泛应用于各个领域。由于液压挖掘机工作环境恶劣，负载状况变化较大,液压系统的效率变化非常大，因此存在各种形式的能量损失以及环境污染等问题，在能源日益昂贵与紧张、环境保护越发深入人心的时代，对挖掘机采用节能减排及提高效率、降低噪声的要求也越发的迫切和深入。本文简述了液压挖掘机的能量损失方式，在此基础上介绍了挖掘机节能技术，并对节能技术的发展趋势进行了总结。

关键词：挖掘机  变量泵  耗能分析  节能分析

1.      引言

液压挖掘机作为工程机械中土石方开挖的主要设备，在建筑、矿山采掘等各

类工程中都有广泛的应用，据统计资料表明，世界上各种土方工程约有65%-70%的土方量是由液压挖掘机来完成的。但是挖掘机耗油高，存在环境污染等严重问题，当今世界节能减排、低碳环保已经成为经济发展主流，因此液压挖掘机节能技术的研究已成为当今主机生产厂家研究的热点课题之一。

2.       国内外挖掘机节能研究

20世纪90年代以来，国内一些科研院所，大专院校纷纷与挖掘机厂家合作，

共同剖析挖掘机的特性并取得了一些成果。1994年，浙江大学与玉柴工程机械厂合作开发了具有节能控制、参数显示、故障报警功能的20 t液压挖掘机，这是国内机电一体化技术在挖掘机上实施的的商品化产品，随后浙江大学与长江挖掘机厂合作开发处及远程无线遥控、故障监控、节能控制于一体的实用型液压挖掘机。浙江大学机械设计研究所研制的液压挖掘机机器人将负流量控制、正流量控制、交叉功率控制和压力切断控制有机组合起来，利用挖掘机机器人对节能性和操作性进行了试验，取得了良好的控制效果。同时他提出了变参数压力切断控制思路，通过改变压力切断值，减少了回转功率损失，降低了系统的工作强度，提高了可靠性，并实现了短时间内增大挖掘力的功能。

吉林大学将发动机、变量泵、阀和负载作为一个整体进行研究，采用模糊控制技术和神经网络技术实现了发动机和变量泵的全功率匹配，克服了国内外挖掘姐节能控制中普遍应用的单纯转速控制或压力控制的不足，并且成功实现了二级溢流控制，通过台架试验取得了良好的节能效果。

目前国外所采用的主要节能控制技术体现在以下几个方面。

（1）          液压泵与负载匹配控制  采用恒功率变量泵取代变量泵，并派生出了正流量、负流量和负载传感控

制系统。目前最广发采用的是负荷传感系统，如小松的CLSS系统和林德的LSC系统等，另外还有负载独立流

量分配（LUDV）系统。

（2）          二次调节系统及液压变压器技术   二次调节静液压传动系统是近几年发展起来的一种节能技术，

二次元件能在四个象限里面工作可以回收利用系统的制动动能和重力势能，有利于提高系统的效率。

（3）          混合动力技术  混合动力系统（hybrid）发明于19世纪末，现已广泛应用于电动汽车领域，有效提

高了发动机的能源利用率，对降低排放发挥了重要作用。

（4）          综合节能控制  实现多种节能方法的最佳组合。如电子控制的CLSS系统就是综合泵-负载的匹配控

制、泵-发动机的匹配控制及自动减速控制于一体节能控制系统。

3.      液压挖掘机主要能量损失

（1）    溢流损失  当液压挖掘机过载时，为防止过载损坏机械，安全阀打开，压力油通过安全阀溢流

油箱，造成功率损失。

（2）    动能、势能损失  动臂在举升的过程中将液压能转换为势能。相反，为防止动臂下降过快通常在动臂

下降的回油路上设置单向节流阀，在动臂下降过程中起阻尼的作用，从而将势能转化为热能。同样，斗杆在

做类似的操作时，也有类似的问题。

（3）节流损失  由六通型多路阀阀口上的旁路空流损失和旁路节流损失组成。

（4）沿程功率损失  液压系统的沿程压力损失造成的功率损失也不可小视。解决的办法是采用大通径液压管      

路，同时合理布置液压管，采用阻力小的管接头。

（5）摩擦功率损失  在挖掘机液压系统中，由摩擦力损失主要包括液压缸活塞杆上的摩擦功率损失、回转支

撑上摩擦功率损失、发动机和液压泵上摩擦功率损失。

4.      液压挖掘机节能技术的研究

    主机生产商针对挖掘机作业过程中能量损失，一系列与节能有关的元件、系统应运而生，为挖掘机蓬勃发展带来了生机。

（1）    恒功率以及多级功率控制技术

    恒功率控制可以保证发动机功率得到充分的发挥，同时也能够避免发动机的熄火，挖机在挖掘作业中，恒功率控制与负载工作点不能能很好的匹配，势必存在功率损失。当系统过载时，工作装置因负载过大而停止动作，液压油液全部溢流回油箱，液压能量损失很大。因此液压挖掘机液压系统中，一般采用恒功率控制与其它控制方式结合起来，如应用恒功率-变功率协调控制，也称多级功率控制。

（2）    正流量控制技术

    正流量控制的目的是以容积调速的方式代替节流调速方式，以提高系统的效率，以期望达到节能的目的。在控制中，随着先导压力的增加，泵的输出流量增加，系统只输出与先导压力相适应的流量，此方法有效的减少了旁路节流损失。这样控制简单易行，而且具有一定的节能效果，因而得到了广泛的应用。

（3）    负流量控制技术

    负流量控制技术，在旁路回油路上设置流量检测单元，排量与旁路回油流量成负线性关系，可实现换向多路阀处于中位时，通过负流量控制阀产生的反馈信号，传送到主泵控制阀，主泵流量随压力信号的增大而减少，避免了传统挖掘机的溢流损失，当安装了压力切断后其节能效果更为显著。

（4）    负荷传感技术

    负荷传感技术是一个具有压差反馈，在流量指令下实现变量泵对负载压力随动控制的闭环系统，其中压力补偿控制是实现各动作流量分配和准确控制的保证。该技术大幅度地提高了液压挖掘机中位卸荷、超载卸荷、微动作业时的节能效果。

（5）    能量再生和回收利用技术

    在挖掘机工作过程中，位能和动能损失较大，目前，挖掘机上动臂或斗杆均采用再生回路，不但提高了工作装置的作业速度，改善了复合操作性能，使液压系统的耗能降低，效率提高。

5.      问题总结

    尽管挖掘机节能技术的研究取得了一定的进展，但还是面临着严峻的挑战，比如正流量技术虽已应用广        

泛，但是由于梭阀组的存在一直是正流量控制系统中的不足之处，不但增加了系统的复杂性，而且影响了

其响应速度。与此同时，中小挖上的负流量控制技术由于六通多路阀调速范围有限，受负载影响较大，在流

量调节时，一旦阀芯越过调速区，负流量控制功能就会失去作用。

6.     研究方法

    以仿真软件FLUENT和AMESim软件联合仿真，以FLUENT软件为载体，计算挖掘机多路阀阀芯流量系数等相关参数，搭建整机模型，以期望得到相关曲线，并尽可能得到企业帮助，进行试验验证。

7.      关于未来的展望

    纵观当前形势，节能环保将会是一个比较长期的趋势。电液比例技术于挖掘机，可以省去复杂，庞大   

的液压管路，用电信号传递传递液压参数，不但响应快，而且整个主机动力控制系统更方便、灵活。随着

电子计算机技术的发展，电液比例控制将进一步成熟、进一步智能化，主要体现在计算机能够自动监控柴

油机和液压系统的运行参数，并根据这些参数自动控制整个挖掘机动力系统，是将来的挖掘机运行在高效

节能状态。同时，基于计算机控制技术，发动机与变量泵的匹配控制将进一步智能化，结合将更为密切。

液压挖掘机节能研究是永恒的，但又是不断发展的研究主题。（完）

                               武哲  122085206007  动力工程领域

                                      2013年6月2日星期日