基于液压泵效率的挖掘机节能研究.pdf

2 0 1 4年 1 1 月 第4 2卷 第 2 2期 机床与液压 MACHI NE T0OL ＆ HYDRAUL I CS NO V ． 2 01 4 V0 1 ． 4 2 No ． 2 2 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 2 2 ． 0 3 0 基于液压泵效率的挖掘机节能研究 吴文海，杨宇澜，刘桓龙 ，王国志 西南交通大学机械工程学院，四川成都 6 1 0 0 3 1 摘要针对变量液压泵的工作特点，分析了其在液压挖掘机中控制和工作原理，并以此为基础建立了变量泵以及液压 挖掘机整机的仿真模型。仿真结果表明变量泵 的排量比是对挖掘机中液压泵效率影响较大且可实现控制的一个重要参 数 ，在挖掘机精细作业时采用减速机调节泵的转速，适当增大泵的排量比能提高泵的效率，使油耗量下降了 1 6 ． 5 ％，提高 了整机的燃油效率。 关键词液压泵；效率；挖掘机；节能 中图分类号T U 6 2 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 ～ 3 8 8 1 2 0 1 4 2 2 0 9 4 3 Ene r g y- s a v i n g S t u dy o f Ex c a v a t o r Ba s e d o n Hy d r a ul i c Pu mp Effi c i e nc y W U W e n h a i ， YANG Yu l a n，LI U Hu a n l o n g，W ANG Guo z h i S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，S o u t h We s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 3 1 ，C h i n a A b s t r a c t F o r t h e w o r k c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e v o l u m e a d j u s t a b l e h y d r a u l i c p u m p ，i t s c o n t r o l a n d w o r k i n g p ri n c i p l e i n t h e h y d r a u l i c e x c a v a t o r w e r e a n a l y z e d ．A n d a s a b a s i s ， t h e s i m u l a t i o n m o d e l o f a v o l u m e a d j u s t a b l e p u m p a n d a h y d r a u l i c e x c a v a t o r m a c h i n e w a s e s t a b l i s h e d ．T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e d i s c h a r g e r a t i o o f t h e v o l u m e a d j u s t a b l e p u m p i s a n i m p o r t a n t c o n t r o l p a r a m e t e r w h i c h c a n a c h i e v e a g r e a t e r i mp a c t o n t h e e ffic i e n c y o f a h y d r a u l i c p u mp ．W h e n t h e e x c a v a t o r i s i n t h e fi n e o p e r a t i o n p h a s e ， a r e d u c e r i s u s e d t o a d j u s t t h e p u m p s p e e d ，a n d t h e i n c r e a s e o f t h e d i s c h a r g e r a t i o c a n i m p r o v e t h e e ffic i e n c y o f t h e p u mp ，S O t h e f u e l c o n s u m p t i o n i s d e c r e a s e d b y 1 6 ． 5 ％wh i c h i mp rov e s t h e o v e r a l l f u e l e ffic i e n c y ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c p u mp；E ffic i e n c y；E x c a v a t o r ；E n e r g y s a v i n g 在工程机械中，液压挖掘机有着应用量大但能量 利用率较低的特点，挖掘机的节能研究一直有着十分 重要的意义。在国内，液压挖掘机的传统节能研究主 要是在改进液压系统 如正、负流量控制系统，负 荷传感控制系统和实现发动机与负载的适时匹配 等方面，而现阶段主要集中在对油电或油液混合动力 系统在挖掘机中的应用以及 高能耗装置 动臂、回 转系统等能量回收的研究 “ 。而作为液压挖掘机 驱动系统中一个重要的组成部分变量液压泵，其工作 效率也是影响挖掘机能量利用率的一个不可或缺的因 素。因此 ，使变量泵尽可能地工作在高效区，对提高 整机性能、降低能耗有着非常重要的作用。 1 变量液压泵的效率及控制原理 1 ． 1 变量 液压 泵效 率的理 论公 式 变量液压泵的效率是由其机械效率和容积效率共 同决定的。在变量泵中，由摩擦所产生的机械损失会 造成液压泵转矩 的丢失 ，从而引起机械效率的降低； 而由泄漏所产生的容积损失会引起容积效率的降低。 由于影响泵效率的因素很多，所以一直没有形成 一 个精确的效率表达式。但根据众多学者试验研究， 总结得出了变量液压泵容积效率 7 7 ，机械效率 叩 和 总效率 叩如下的理论表达式 一t ～ 古 ‘ 1 [ c v 古 c r 吉 言 古 】 ， 7 一 『 7 v ’ ， 7 ‘ 式 中C 为层 流泄 漏 系数 ；△ p为 进 出 口压差 ； 为 油液动力黏度；n 为泵转速；卢为排量比；C 为层流 阻力系数； 为机械阻力系数； 为与进出口压差 和转速无关的一定的转矩损失； 为泵全排量。 上式 中，把间隙内油液 的流动看成为层流 ，忽略 了运转 中间隙的变化以及 油液压缩性 的影 响。可 以看 出影响液压泵效率的参数主要为压力、转速和排量 比。 1 ． 2 液压挖掘机变量泵控制原理 液压挖掘机变量泵的控制都是通过各种变量机构 来对液压泵的流量、压力 、功率进行调节的。根据控 制形式的不同，其控制可分为全功率控制、分功率控 制、压力切断控制、交叉功率控制、正流量控制、负 收稿 日期 2 0 1 31 0 2 2 作者简介吴文海 1 9 7 9 ～ ，男，博士研究生，讲师，主要研究方向为机电液一体化。E m a i l w e n h a i w u 2 0 0 3 1 6 3 ． t o m。 第 2 2期 吴文海 等基于液压泵效率的挖掘机节能研究 9 5 流量控制、负荷传感控制、变功率控制 以及多种形 式 的组合 控制 。 文中将某 公司挖掘机上采用的 日本川崎公司生产 的 K 3 V系列液压泵作为研究对象 ，该泵采用的是负 流量和全功率控制的双联变量柱塞泵。该泵主要部件 为 配 油 盘 、斜 盘 、 压盘 、缸 体、柱 塞 滑 靴 组 、 回 程 弹 簧、伺服变量控制 机 构 以 及 传 动 轴 等，其排量大小由 负流量 和全 功率 控 制信号共 同调 节， 其控制 原 理 如 图 1 所示。 图 1 泵的控制原理图 2 变量泵的建模仿真与结果分析 依据上面介绍 的变量柱塞泵 的效率计算公式及泵 的结构和在挖掘机中的控制原理，在 A M E S i m中进行 建模仿真 ，该泵的最大排量为 1 1 7 m L ／ r 。现通过建 模仿真来分析压力、转速和排量比分别对泵效率的影 响 。如图 2 所示 ，为 当转速 与排量 比一定 时 ，容 积效 率、机械效率和总效率随进 出口压差 却 的变化 曲 线 。 图 3 5 所 示分别 为 当转 速一定 、不 同排量 比 下，变量泵效率与压力的关系曲线；当转速一定、不 同压力下，变量泵效率与排量的关系曲线；当压力一 定、不同排量比下，变量泵效率与转速的关系曲线。 o l O 2 O 3 0 4 0 △p ／ M P a 3 0 图2 液压泵的 效率曲线 l ～ Ap l O MPa 2 -- Ap 2 0 M Pa 3 -- Ap 3 0 MPa 5 0 7 0 9 0 1 1 0 泵 排 量／ mL r - 。 l 图4 变量泵效率与 排量 的关 系 4 一 排 量 比 0 ． 4 0 1 0 2 0 3 0 4 0 Ap ／ MPa 图 3 变量泵效率与压 力 卸 的关系 1 一 排 量 比fl l 2 一 排量 比 0 ． 8 月 ， 1 0 r mi n。 。 1 图5 变量泵效率与 转速的关系 由图 3 、4和 5可 以得 出 1 液压泵的效率随着负载 压力 的增加而增 大 ， 但当压力增加到 2 5 M P a 左右时泵的效率会随负载压 力的增大而逐渐减小； 2 液压泵的效率会随着发动机转速的增加而 增大 ，在中高速区趋向于最大值； 3 当该挖掘机的发动机在中高转速、变量泵 全排量且进出口压力在 2 5 MP a 左右时，泵效率能维 持在 9 0 ％ 以上 ； 4 液压泵的效率会随着泵排量的减小而减少， 当该泵的排量小于5 0 m L ／ r ，即排量比小于0 ． 4 3 精 细作业时，泵的效率会低于 8 0 ％； 5 对 于液压 挖掘 机来 说 ，除 怠速 状态外 其 发 动机的转速一般都工作在高速区，而泵的出 口压力 受 变化负 载影响较 大 ，因此 泵 的排 量 比是 对挖 掘机 中液压泵效率影响较大且可实现控制的一个重要参 数 。 3 挖掘机的建模仿真与结果分析 3 ． 1 液压泵挖掘机的建模 由前面的分析可知，当液压挖掘机精细作业时， 变量泵的效率会大幅降低 ，而长期的精细作业必然会 造成过多的能量损失。在挖掘机中适当提高液压泵的 排量比则是增大其效率的一个重要因素。 挖掘机在液压系统的控制下，负载需要多大流 量 ，泵就要输出多大的流量，因此要在输出一定流量 的前提下增大泵 的排量 比就需要适 当降低 泵 的转 速 。 但在一定负载条件下 ，要降低泵的转速，就需要使发 动机的转速降低 ，从而使发动机的工作点偏离最佳经 济工作点 ，造成油耗的增加。因此，要在不影响发动 机工作点的条件下减低泵的转速 ，就需要在发动机与 泵之 间加装一个减速机 。行星齿轮减速机能够调节到 所需要的转速 ，同时增大了输出扭矩，其传动效率能 达 到 9 5 ％ 。 此次仿真是以某公司生产的2 3 t 负流量液压挖掘 机为模型在 A M E S i m中进行建模的。该型号挖掘机采 用 日本 K Y B公司生产的 K V MG系列多路阀和 日本川 崎公司生产的 K 3 V系列双联泵 ，并采用负流量和全 功率液压控制 系统。此次仿真除 了用 H C D库搭建 多路阀和变量泵的模型外，还将其动力系统改为油 电混合动力系统建模，搭建了计算燃油消耗简化的 发动机和减速机模型，加入动臂能量 回收系统 ，并 将模型用超级元件进行 了封装。图 6为液压挖掘机 仿真模型。 9 6 机床与液压 第4 2卷 图6 液压挖掘机仿真模型 其具体的控制策略如下 1 将控制器设 为重载、中载、轻载和精细作 业 4个工况，发动机依据负载标准设定 3 个不同功率 下的最佳经济工作点，操作员根据判断选择工况模 式 ； 2 精细作业工况时，减速机控制开启，并根 据泵的排量比 变量柱塞泵的斜盘倾角进行比例 调节，控制泵的转速； 3 设定电池 S O C的上下限，当 S O C的值达到 上限时，发动机自动切换到低负载工作点，由发动机 和电机共同驱动负载；当 S 0 的值达到下限时，发 5 0 动机 自动切换到高负载工作点 ，发动机驱动负载并发 4 0 电。 骥2 0 3 ． 2 仿真结果分析 ‘ 此次仿真是在精细作业工况下以液压挖掘机标准 作业循环为一个仿真周期，其作业周期为 1 5 s 。图7 为仿真阶段泵的总效率变化曲线 ，图8为发动机的油 耗对比，图9为电池 S O C值的变化对比。 O 2 4 6 8 l O I 2 l 4 l 6 时 间， s 图 7 泵 的总 l 一 有减速 机 调节 模型 O 2 4 6 8 1 o 1 2 1 4 l 6 o 2 4 6 8 l o 1 2 1 4 1 6 时间， s 时间／ s 图 8 发动机的 图9 电池 S O C值 油耗对 比 的变化对比 下转第 1 7 3页 枣 褥揆 第 2 2期 罗湛 等 盘状零件孔加工的自动化改造 1 7 3 A N ” 顶 出杆 缩 回” R ” 5 YA” R ” 7YA” S ” 2 YA” A L 2 0． 0 A ” 顶 出杆缩 回” A N” 顶出开始” R ” 2 YA” S ”1 YA” A L 2 0． 0 A ” 顶出开始” A N ” 推 出杆缩 回” R ”1 YA” S ” 4YA” A L 2 0． 0 A” 推出杆缩 回” A N ” 推 出工件 ” R ” 4YA” S ” 3 YA” A L 2 0． 0 A ” 推出工件 ” A N ” 输送磁性 开关 ” R ” 3YA” s” 循环结束” 5结论 根据实际使用情况来看，也出现了一些问题，例 如切屑清除不彻底造成定位误差，夹紧不稳定；尽管 有钻套引导，工件偏斜、刀具磨损不一致等现象使孔 钻偏，甚至出现刀具折断现象；由于采用多把刀具同 时进给，解决了速度问题 ，但是工艺适应性差，若是 加工其他更多规格的产品，则必须设计分度装置 ，一 次钻一个孔 ，生产效率必然降低。总之 ，经过运行初 期反复调整后 ，系统运行正常，生产效率提高很多 ， 基本达到预期要求。 参考文献 [ 1 ]王益群 ， 高殿荣． 液压工程师技术手册[ M] ． 北京 化学 工业出版社， 2 0 1 0 ． [ 2 ]张利乎． 现代液压技术应用 2 2 0例[ M] ． 2版． 北京 化 学工业出版社， 2 0 0 9 ． [ 3 ]姜建芳． 西门子 s 7 - 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