大型矿用液压挖掘机的节能分析.pdf

第3 期 总第1 2 7 期 N o _ 3 f S U M N o ． 1 2 7 机 械 管 理 开 发 MEC HANI C AL MANAGEME NT AND DEV EL 0P ME NT 2 0 1 2 年 6月 J u n ． 2 01 2 大型矿用液压挖掘机的节能分析 马生鹏 ， 张军奎 太原重工股份有限公司 挖焦分公司， 山西太原0 3 0 0 2 4 摘要大型矿用液压挖掘机的工作效率高、 结构重量小、 运营成本低 ， 在露天开采上得到广泛应用。浅述了大型 矿用液压挖掘机系统节能发展趋势， 阐述了WY D 2 6 0 液压挖掘机系统设计上的节能措施、 再生阀能量回收的原理及 应 用。 关键词 大型矿 用液压挖掘机 ； 液压 系统 ； 能量再 生； 节能 中图分类号 T D 4 2 2 ． 2 文献标识码 A 文章编号1 0 0 3 7 7 3 X 2 0 1 2 0 3 0 1 0 5 0 3 0引 言 国外大型液压挖掘机经过 3 0 多年的发展 ， 由于具 有结构紧凑、 操作方便、 运动灵活及易于维护保养等优 点， 已形成逐步代替钢索机械式或电动式挖掘机的趋 势n 。我 国大型液压挖掘机的发展 ， 虽然取得 了一些 成绩， 但与世界先进水平还有较大差距。其中主要的 问题是液压系统的控制性能、 节能性能和可靠性差， 因 此 ， 加强对我国大型液压挖掘机 的研究 ， 并开发出更加 可靠、 节能的挖掘机成为国内大型液压挖掘机发展的 重中之重 1 。 1 国内外液压挖掘机节能趋势 从国内外发展状况来看， 液压挖掘机的节能控制 有 以下方面的发展趋势。 1 ． 1 电液比例控制智能化 电液 比例控制在 2 O 世纪 8 0 年代初就开始大量应 用于工程机械 ， 省去 了复杂 、 庞 大的液压信号传递管 路 ， 用电信号传递液压参数， 不但能加快系统响应， 而 且使整个挖掘机动力系统控制更方便 、 灵活[3 1。进人 9 0 年代后 ， 电液比例泵和比例阀的应用 日益增多， 从 而出现了“ 智能液压挖掘机” ， 主要体现在以下几个方 面 1 计算机能够自动监测液压系统和原动机的运行 参数 ， 并能根据这些参数 自动控制整个挖掘机动力系 统运行在高效节能状态； 2 能够完成一些半 自动操 作， 如平地、 斜坡的修整等， 对司机的熟练程度要求降 低 ， 但工作质量却得到大幅度提高； 3 能够根据监测 到的运行参数进行故障诊断， 便于挖掘机的维护。这 些功能的出现 ， 使挖掘机节能得 以大幅度提高。 1 ． 2 泵与原动机 匹配控制将进一步“ 智能化” 借助计算机控制技术， 泵与发动机的匹配控制将 进一步实现“ 智能化” 。在这种控制中 ， 控制器能根据 工作状况的变化， 自动对液压泵和原动机进行调整， 在 保证输出功率满足工作需要的同时， 使能源消耗量 最低。 先进的控制技术对发动机、 液压系统、 工作系统进 行匹配 ， 主要有以下几种方式 1 分工况控制 。根据不 同工况下液压挖掘机对 能量的需求不同来进行调整， 以此使发动机的输出功 率范围与液压泵的需求功率范围相匹配， 尽可能减少 了能量的损耗， 起到节能的效果。 2 恒功率控制。采用恒功率控制的目的是保持 发动机不发生过载的前提下充分利用发动机的输出功 率。恒功率控制 目前有全功率控制、 分功率控制和交 叉传感控制3 种方法 1 全功率控制系统中， 两液压 泵的排量靠机械或液压机构统一调节。通过控制液压 泵 的排量保证发动机在最大功率点上工作 ， 同时保证 发动机 的输 出功率能够被液压泵充分吸收。 2 分功 率控制系统的 目的是为了减少液压泵的流量损失 ， 提 高液压系统对液压泵的流量利用率。 3 交叉功率传 感控制是结合了全功率控制和分功率控制二者的优点 而产生的。交叉传感控制既可以使发动机功率得到充 分利用， 又可以根据工作需要提供流量。 3 综合节能控制。将多种节能方法进行组合， 利 用 电子技术对发动机转速和液压泵 的排量进行控制 ， 使挖掘机的功率利用效果达到最佳 。 2 WYD 2 6 0 液压挖掘机系统的节能分析 WYD 2 6 0 液压挖掘机是我公司生产的大型矿用正 铲式液压挖掘机。原动机采用电机驱动， 系统采用 B O D A S 控制器通过C A N现场总线与司机的操作指令 和现场传感器的信号相连， 实现对各个泵、 马达、 阀的 精确控制。 新型全电控 的正流量控制系统 ， 即控制器取代 了 液动梭阀组， 从而通过操作电控先导手柄， 以电信号直 接控制液压泵和控制阀组， 进行总功率控制， 充分利用 主电机功率， 从而使液压系统更好地与负载相匹配， 起 到节能作用 。 2 ． 1 总功率控制 总功率控制， 即恒功率控制， 采用总功率控制具有 的优点 1 能够充分利用主电机的功率， 即当一台油泵输 出功率减少时， 主马达可以把多余功率分配到其他油 泵上， 其他油泵可以充分利用主马达的输出功率， 减少 能耗损失 ， 起到节能作用 ； 收稿 日期 2 0 1 2 0 2 1 4 作者简介 马生鹏 1 9 8 3 - ， 男， 甘肃武威人， 助理工程师， 工学学士。E - m a i h m s p 6 4 5 5 1 6 3 ． c o rn ． 1 O 5 第3 期 总第1 2 7 期 机 械 管 理 开 发 2 0 1 2 年6 月 2 各个油泵可以根据各自回路的负载所需流量 输出相应的流量， 对负载有很好的适应性， 减少不必要 流量输 出， 起到节能作用。 2 ． 2电比例控 制 正流量 系统 正流量控制的 目的是为了用容积调速代替定量系 统中的节流调速， 以提高系统效率， 其原理是用先导压 力 同时控制 多路 阀的开度和各个 主泵输 出流量 。在 WY D 2 6 0 系统中， 电控制器取代了梭阀组， 通过操纵电 气手柄控制 比例阀 ， 比例阀再控制先导压力 ， 先导压力 与电信号成正比， 而泵排量与先导操纵压力又成正比， 随着先导压力的增加 ， 泵排量也相应增加。当操纵 电 气手柄时， 电信号一方面控制两个六通多路阀， 另一方 面控制泵排量 ， 使液压泵输出流量与多路阀工作 口的 开度成正比。当电气手柄无操作时， 比例阀没有接收 到电信号， 则先导压力为0 ， 相应泵排量也为0 ， 有效地 消除了空流损失。在这一过程中， 仍然需要依靠多路 阀的旁路节流作用使泵输出压力升高以克服负载压 力。 由于系统 只输 出与先导操纵电信号相适应 的流 量， 因此能减少旁路节流损失； 同时由于电控制器取代 了梭阀组， 简化了正流量系统的复杂性， 提高了系统的 响应速度。 2 ． 3 能量再 生 采用动臂和斗杆的能量再生 ， 动臂和斗杆下降时 ， 由于 自重会使动臂加速， 使 回油腔快速 回油 ， 产生能量 冲击 ， 本系统中把这部分能量吸收， 引人到别的工作机 构中， 从而减少了泵的功率输出， 起到节能作用。 2 ． 4闭式 回转 回路 回转采用闭式液压 系统 ， 该系统 的特点是直接利 用液压系统对机械结构进行制动。在回转装置减速制 动时 ， 液压 系统实际上成 为回转马达带 动回转泵运 行。制动过程中回转机构的动能转化为液压系统的油 液能量， 这部分能量会通过分动箱分散至其它机构。 由于平 台在 回转 、 停车过程中会有能量冲击 ， 在开 式系统中通过加缓冲阀 ， 减缓对挖机的冲击 ， 本系统中 才用闭式 回路 ， 冲击能量带动泵转动 ， 从而减少了电机 向回转泵的功率输出， 起到节能作用。 3 再生阀能量回收 再生阀是 目前在大型挖掘机上普遍采用的一种能 量回收装置。在挖掘机的工作机构下降时， 重力势能 会转化为油液的动能。如果液压系统中没有能量的储 存装置， 这部分动能会完全转化为系统中的热能， 对系 统造成了一定的负担 ， 并且浪费了大量的能量。对于 大型挖掘机， 工作机构重量大 ， 这部分能量的浪费尤为 严重 ， 所以需要安装再生阀来回收利用这部分能量。 3 ． 1 再生阀的工作原理 如图1 ， 在机构下降时， 多路阀不开启 ， 只打开再 生阀， 此时机构无杆腔的油液通过再生阀的 口返回； 1 0 6． 其中一部分按照压力流量关系通过B口回到机构油缸 的有杆腔， 剩余的部分打开背压阀回到油箱。在整个 动臂下降过程中， 多路 阀均处于关闭状态， 因此动臂下 降过程中液压系统只维持空载时的消耗功率。 l 一 主泵 ； 2 - 换向 ； 3 - 油箱 ； 4 - ． 工作油缸； 5 - 再生阀 ； 6 - 背压阀 图 1 再生 阀工作原 理 3 ． 2 动臂、 斗杆再生阀 WY D 2 6 0 液压挖掘机安装有两组再生阀 ， 一组用 于动臂下降时的能量再生， 一组用于斗杆收回时的能 量再生 。再生阀的开启需要油缸杆具有一定的压力 ， 由于工作结构运动位置的不同 ， 两组再生 阀的工作方 式也有所区别。 1 动臂再生阀。动臂油缸在任何位置均处于受 力压缩状态 ， 可以一直开启 ， 所以正常工作流程 中动臂 下降时可以完全靠动臂再生阀控制下降； 在正常工作 循环中可以完全通过再生阀来实现动臂的下降控制。 2 斗杆再生阀。斗杆液压缸在正常工作 中与水 平方 向的夹角处于快速变化中。在动臂处 于低位时 ， 斗杆液压缸与水平方向夹角会减小至零 ， 甚至成为负 值， 因此 ， 斗杆再生阀在动臂提升至高位时才可以工 作 ； 在动臂下降至一定角度时， 由于斗杆油缸与水平方 向夹角减小 ， 斗杆和铲斗机构的重量 已经不足以打开 再生阀 ， 此时回流油液需要通过多路阀才能回到油箱 ； 若斗杆继续收回， 就必须靠主泵提供油液驱动。 4结论 本文阐述了wY D 2 6 0 液压挖掘机液压系统在节能 方面的措施 ， 系统采用新型全电控的正流量控制系统； 进行总功率控制 ， 充分利用主电机功率 ； 采用闭式回转 回路 ， 动臂 、 斗杆能量再生等 ； 提升了整个系统的响应 速度， 提高了整机的工作效率。使挖掘机的功率利用 效果达到最佳 ， 起到了节能作用。 参考文献 【 1 】 彭白水． 国内外超大型液压挖掘机展望【 J 1 ． 建设机械技术 与管理， 2 0 0 8 9 3 7 4 1 ． 【 2 1 张永明， 刘吉亮． 大型正铲式挖掘机的发展与进步【 J 】 ． 机械 管理开发， 2 0 0 9 1 2 3 8 3 9 ． 【 3 ] 任小青． 液压挖掘机节能技术的发展综述f J 1 ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 8 2 4 8 - 2 5 0 ． 【 4 】 彭天好， 杨华勇． 液压挖掘机泵与发动机匹配研究[ J ] ． 中国 公路学报， 2 0 0 1 1 0 1 1 8 1 2 0 ． 下转第 1 0 8 页 第3 期 总第1 2 7 期 机 械 管 理 开 发 2 0 1 2 年6 月 油 、 等温分级淬火油、 P A G类水溶性淬火剂等是当前 用的很广 的淬火介质。 水是应用最广泛的淬火剂 ， 它在 6 5 0 ～ 5 5 0 o C 的温 度范围内可达到剧烈的冷却 。但它在 3 0 0 2 0 0℃以下 形成马氏体的温度范围内的冷却强度仍然很大， 这是 它 最大 的缺 点 。改变 水 的温度 虽可 使其 淬火 能力 6 5 0 ～ 5 5 0℃ 有很大的降低， 但在形成马氏体的温度 范围内， 水的冷却强度几乎没有影响 ， 所 以， 其在低温 冷却速度过快 ， 淬透性较好 的钢在其 中淬火都容易 淬裂。 水 中加入少量 N a o H或 N a C I 的作用有两个 1 提 高淬火冷却高温阶段的冷却速度， 2 减小水温升高对 冷却特性的影响。加入少量的碱 ， 水溶液的冷却特性 受液温变化的影响就大幅度减小。这就是碱水能够使 形状较复杂和有内孑 L 的工件均匀淬硬的原 因， 盐水对 液温 的敏感程度稍大于 N a O H水溶液。低浓度的P A G 水溶液更大一些 。 ’ 全损耗系统用油价格低 ， 常用于处理淬透性较好 的钢制中小型工件。但是冷却能力较弱， 不适于淬较 厚大的工件 ， 也不利于控制工件的淬火变形。 自 来水的冷却速度快， 全损耗系统用油则过慢， 在 它们之间有相 当大的冷却速度差异 ； 在 自来水和全损 耗系统用油的冷却 速度 曲线之 间有相 当宽 的中间地 带 。用全损耗系统用油和 自来水的车间， 时常会遇到 一 些工件“ 水淬要裂而油淬又不硬” 的麻烦 ， 为此 ， 近些 年来 ， 人们开发 了多种新型淬火介质 。最常用的新型 淬火介质的品种大致可 以分成两类 一类是 向自来水 中加入的水溶性淬火剂 ， 用以降低水的冷却速度 ， 尤其 是 降 低 低 温冷 却 速度 ， 比如通 常 采用 的钢件 冷 到 3 0 0℃时的冷却速度 ， 以减小淬裂危险 ； 另一类是在矿 物油中加催冷剂来提高油的冷却速度， 这类油通常被 称为淬火油 。水性和油性淬火介质的钢种适应性对比 见表3 。 表3 水性和油性淬火介质的钢种适应性对比 钢种 水性介质 油性介质 碳 素 结构 钢 、 碳 素 工具 钢 和 一 般都适用 除较厚大件外都适用 低合金结构钢 中合金结构钢和合金工具钢 少数情况适用 大部分适用 高合金钢 一般都不适用 大部分适用 3 淬火介质如何合理使用瞄 因此 ， 淬透I 生不高 、 有效厚度大、 形状较简单 、 采取 单件或分散方式入淬火液的工件 ， 大多适宜用水溶性 淬火剂 ； 油淬不硬而 自来水淬火又易开裂的工件， 适宜 用水性淬火液淬火。淬透性较好的钢制工件 ， 有效厚 度小的工件， 以密集装挂或堆放方式进入淬火液进行 淬火的场合， 要求严格控制淬火变形的工件， 形状复杂 和内孔较深的工件等， 适宜在油中淬火， 而不适宜在水 溶液 中做浸入式淬火 ； 用全损耗系统用油淬火硬度不 足或硬化深度不够 的工件 ， 一般可考虑改用快速淬火 油淬火 ； 尺寸较小 、 形状较复杂 、 要求淬火变形小 的工 件 ， 可考虑采用热油淬火 。 4 结束语 淬透性和淬火介质看似不相关却有着密不可分的 联系。尤其在钢种确定 ， 或使用低成本钢种 ， 又要求较 高的产 品质量时 ， 在了解淬透性的基础上， 淬火介质 的 恰 当合理使用 ， 会使提高产品质量起到事半功百的效 果， 因此 ， 深入了解他们及其之间的关系具有重要的 意义。 参考文献 [ 1 】 劳动部培训司． 热处理工工艺学【 M】 ． 北京 中国劳动出版 社 ， 2 0 0 8 ． [ 2 】 机械工业职业技能鉴定指导中心． 金属材料及热处理【 M】 ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． 【 3 ] 张克俭． 淬火介质 的选择和使用维护 机械工人 ， 2 0 0 1 1 1 5 2 5 4 ． An a l y s i s o f Ha r d e n a b i l i t y a n d t h e Qu e n c h i n g Me d i u m CHENG J u n - p i n g S h a n x i C o k i n g C o a l ， X i s h a n Me c h a n i c a l a n d E l e c t r o m e c h a n i c a l P l a n t ， T a i y u a n 0 3 0 0 5 3 ， C h i n a A b s t r a c t I n t r o d u c e d a n d a n a l y z e d t h e h a r d e n a b i l i t y ， l e a d t o t h e q u e n c h i n g me d i u m． Q u e n c h i n g me d i u m s p e c i fi c e l a b o r a t i o n o f a d e t a i l e d a n a l y s i s o f i t s u s a g e ， p o i n t s o u t t h e i n s e p a r a b l e l i n k b e t we e n t h e t w o ． Ke y wo r d s h a r d e n a b i l i t y ； q u e n c h i n g me d i u m ； h e a t t r e a t me n t S S S S SE ． S S S ￡ ．S S S ￡ ．S S S S S S 上 接 第 1 0 6页 【 5 】 赵波， 刘杰， 戴丽 ， 等． 挖掘机液压系统的节能技术 【 6 ] 分析『 J 1 ． 流体传动与控制， 2 0 0 7 7 4 0 4 2 ． 伏志和． 当代液压挖掘机功率控制技术的分析 J ． 工程机 械， 2 0 0 3 3 4 1 4 5 ． An a l y s i s o f En e r g y -s a v i n g f o r La r g e M i n i n g Hy d r a u l i c Ex c a v a t o r MA S h e n g - p e n g， Z HANG J u n k u i T a i y u a n He a v y I n d u s t r y C o ． ， L t d ． ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， C h i n a Ab s t r a c t Be c a u s e o f h i g h e ffic i e n c y ， l o w s t r u c t u r a l we i g h t a n d l o w o p e r a t i n g c o s t ， l a r g e mi n i n g h y d r a u l i c e x c a v a t o r w a s wi d e l y u s e d i n s u r f a c e mi n i n g ． T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e d e v e l o p me n t t r e n d o f e n e r g y - s a v i n g f o r l a r g e mi n i n g h y d r a u l i c e x c a v a t o r s y s t e m ， e l a b o r a t e d e n e r g Y s a v i n g wa y s for t h e WYD2 6 0 h y d r a u l i c e x c a v a t o r s y s t e m， r e g e n e r a t i o n v a l v e e n e r g y r e c o v e ry p r i n c i p l e a n d a p p l i c a t i o n ． Ke y wo r d s l a r g e mi n i n g h y d r a u l i c e x c a v a t o r ； h y d r a u l i c s y s t e m； e n e r gy r e g e n e r a t i o n ；e n e r gy s a v i n g ． 1 08