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第 38 卷第 12 期 2021 年 12 月 机 电 工 程 Journal of Mechanical ＆ Electrical Engineering Vol. 38 No. 12 Dec. 2021 收稿日期2021 －06 －02 基金项目天津市教委科研计划资助项目2020KJ085 作者简介刘志东1985 － ，男，天津人，硕士研究生，讲师，主要从事智能制造系统工程、机电液一体化方面的研究。 E-maillzd2012＠163. com DOI10. 3969/ j. issn. 1001 －4551. 2021. 12. 016 挖掘机液压系统的效率分析与试验研究∗ 刘志东1，李莺莺2，王青云1，魏志民1，侯 超2，李 颖1，杨 健1 1. 天津中德应用技术大学 汽车与轨道交通学院，天津 300350；2. 天津工程机械研究院有限公司，天津 300409 摘要针对挖掘机液压系统功率利用率低的问题，以某 21 t 级挖掘机为对象，围绕其挖掘装车作业的整个过程，对其工作装置的液 压系统及其控制策略进行了改进研究。 首先，搭建了挖掘机液压数据采集系统，建立了挖掘机液压系统的功率和利用率分析方法； 然后，利用 MATLAB 软件分析了挖掘机工作过程的功率利用率，统计了挖掘机 100 个完整作业循环的功率消耗，对挖掘机的液压系 统及其控制策略进行了改进，对其再生能量利用和流量分配协调性能进行了研究；最后，进行了挖掘机挖掘装载的实际试验，对改 进前后的挖掘机液压系统效率进行了对比分析。 研究结果表明改进后的挖掘机液压系统主泵的输出能量有所降低，但动臂和斗 杆液压缸利用能量却有所提高，挖掘机循环作业过程的液压系统综合利用率提高 5. 5％；通过增加动臂下降再生功能、斗杆伸出再 生功能、铲斗大腔限流功能等方式，可有效提高挖掘机液压系统的功率利用率和工作装置运动的协调性。 关键词挖掘机；液压系统；控制策略；效率分析；试验对比 中图分类号TH137. 5;TD422 文献标识码A文章编号1001 －4551202112 －1617 －06 Efficiency analysis and testing of hydraulic system of excavator LIU Zhi-dong1， LI Ying-ying2， WANG Qing-yun1， WEI Zhi-min1， HOU Chao2， LI Ying1， YANG Jian1 1. Automobile and Rail Transportation School， Tianjin Sino-German University of Applied Sciences， Tianjin 300350，China；2. Tianjin Research Institute of Construction Machinery Co. ， Ltd. ， Tianjin 300409， China Abstract Aiming at the problem of low power utilization rate of excavator hydraulic system， in the process of 21 t-class excavator excavation and loading operation， the data analysis and efficiency improvement before and after the improvement of the hydraulic system of the working de- vice was studied. Firstly， the data acquisition system was built， and the power and utilization analysis of hydraulic system was estab- lished. Then， based on the analysis of power utilization in MATLAB software and the statistics of power consumption for 100 complete operation cycles， the regenerative energy utilization and flow distribution were studied on the basis of improving the hydraulic system and control strategy of the working device. Finally， the improved excavation loading test was carried out and the degree of efficiency improvement of hydraulic sys- tem was analyzed. The research results show that although the output energy of the main pump was reduced， the energy used by the hydraulic cylinder of boom and stick was improved， the utilization rate of the hydraulic system during the cycle operation of the excavator can be increased by 5.5％. By adding the boom down regeneration function， stick out regeneration function， and the flow limiting function of the large chamber of the bucket， the power utilization rate of the hydraulic system and the movement coordination of the working device were improved. Key words excavator； hydraulic system； control strategy ；efficiency analysis； experimental comparison 0 引 言 液压挖掘机是目前应用最为广泛的工程机械之 一。 但是在其使用过程中，存在工况复杂、负载变化 大、能量利用率低等问题[1-3]。 因此，如何提高挖掘机 工作时的工作效率和燃油经济性[4]，尤其是如何提高 其液压系统的效率，一直是行业关注的热点。 挖掘机液压系统的效率对整机性能的影响很大， 并且其成本所占的比重也较高。 对其进行的系统测试 项目一般也只有动作机能、保压等，这些并不能反映整 个液压系统的效率、可靠性等重要指标[5]。 而液压挖 掘机损失的能量只有少部分散失到空气中，绝大部分的 能量通过其他形式转移到液压系统中[6，7]。 因此，通过 深入研究液压系统的能量损失和利用率，可以在提高整 机效率的具体措施方面，为其提供技术上的依据[8]。 胡薜礼[9]以挖掘机动臂下落过程中的重力势能 回收再利用为研究方向，以提高其能量效率为出发点， 通过在小型挖掘机液压系统中添加储能器、单向阀、换 向阀和节流阀，及通过增加增压缸、辅助液压缸等多种 组合调整方法，对其节能效率进行了仿真及试验。 刘 凯磊等人[10]针对传统挖掘机运动控制的过程中多余 的节流损失，采用 5 个二位二通比例阀作为主控制阀， 设计了工作装置负载口独立的控制系统，以此来提高 挖掘机的节能效率。 周志勇[11]针对液压挖掘机动臂 流量的再生问题，通过在其动臂大小腔间增加单向阀 流量再生阀，研究了流量再生阀开启压力、小腔回 油孔过流面积对动臂油缸活塞位移、速度、压力及再生 流量等系统动态特性和能耗降低的影响。 焦志愿[12] 通过在某20 t 液压挖掘机原动臂液压回路上添加多个 单向阀组合，组成再生流量回路的形式，并配以相应的 系统控制策略，基于 AMESim 仿真的方式，对一种基于 流量再生与平衡单元挖掘机的动臂势能回收与利用系 统进行了验证。 刘晋霞等人[13]对国内外挖掘机液压 式流量再生、电力式流量再生、平衡单元、二次调节式 动臂势能和回转能量回收系统的组成、工作原理和其 性能特点进行了详细的归纳与分析。 李洁等人[14]通 过设计并仿真超级电容、蓄能器组合式能量回收再利 用系统，达到了对小型挖掘机的复合动作进行节能控 制的目的。 肖扬等人[15]通过对挖掘机液压系统进行 研究，提出了一种通过蓄能器回收油液，直接释放至主 泵出油口的液压式动臂势能回收与利用系统。 程冬 宏[16]通过将关键采集数据导入三维建模软件中，建立 了一种挖掘机动臂、斗杆和铲斗模型，并在 AMESim 中 建立了其工作装置的多体动力学仿真模型，对比分析 了改造前阀控系统和改造后泵控系统的能量利用率。 综上所述，学者们有关挖掘机节能效率提升方面 的研究，主要集中在动臂下降势能的收回再利用、增加 流量再生回路或电液一体控制等方面，而较少研究挖 掘机动臂、斗杆、铲斗 3 个工作装置的液压流量分配协 调性对整个系统效率的影响。 笔者通过对液压挖掘机进行挖掘装车试验数据采 集，结合液压系统效率分析方法，以某21 t 级挖掘机为 试验载体，进行液压系统功率消耗分析和利用率统计， 提出改进方案，并进行试验对比，为挖掘机液压系统的 效率提升设计提供理论依据。 1 液压系统数据采集与功率计算 挖掘机作业循环中的不同阶段对功率的需求各不 相同[17]。 液压系统动力由主泵输出，在挖掘机挖掘装车作 业过程中，动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸和回 转马达均为功率消耗元件，其中，动臂和回转动作的耗 能较高[18]。 在挖掘机工作过程中，通过对液压系统相应元件 的动态试验数据进行采集，结合各元件的功率输出和 消耗计算方法，可对液压系统的功率利用率进行统计 与分析。 1. 1 数据采集 根据液压挖掘机的结构组成，为了采集挖掘机的 试验数据，需要在其相应位置安装传感器。 传感器布局如图 1 所示。 图 1 传感器布局图 图 1 中，在动臂、斗杆、铲斗 3 个驱动液压缸上安 装线性位移传感器，以实时检测液压缸的伸缩位移；在 主泵 1、2 出口，动臂、斗杆、铲斗液压缸大小腔进油口 位置，分别安装压力传感器，以采集各油路压力实时 值；在先导手柄多路阀组的各进油口安装压力传感器， 用于检测操作过程； 液压油箱和主泵 1、2 之间分别安装齿轮流量计， 以测量液压泵供油流量；回转平台底座圆周布局柔性 磁栅尺，回转平台固定连接非接触式磁性传感器，通过 检测旋转位移，推算回转平台的工作位置。 8161机 电 工 程第 38 卷 此处采用 CRONOS compact 系列模块集成式数据 采集系统进行实时数据采集，所采数据均由各传感器 完成。 传感器信号类型和布局如表 1 所示。 表 1 传感器信号类型和布局 信号类型传感器布局位置测量范围单位 直线位移动臂、斗杆、铲斗液压缸0 2. 5m 压力 主泵 1、2 出口；动臂、斗杆、 铲斗液压缸大小腔进油口 0 45MPa 压力先到手柄操作阀组0 10MPa 流量主泵 1、2 的进油口1 250L/ min 旋转位移回转平台0 5m 1. 2 系统功率计算 由于挖掘机液压系统具有变功率特性，以及工作 状态的随机特性，在液压系统能量的传递过程中，难免 存在能量损失。 液压系统效率是评价挖掘机液压系统控制元件、 执行元件和液压回路能量损失的一项重要指标。 挖掘 机在完整的挖掘装车作业过程中，主要的执行元件包 括动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸和回转马达。 以各执行元件消耗的功率总和作为液压系统所利 用的功率，以液压双泵输出的功率总和作为液压系统 的功率输入，液压系统的效率为 η ＝ Eb＋ Ea＋ Ek＋ Em Ep1＋ Ep2 1 式中η液压系统效率；Ep1主泵 1 的输出功率，kJ； Ep2主泵 2 的输出功率，kJ；Eb动臂液压缸消耗功 率，kJ；Ea铲斗液压缸消耗功率，kJ；Ek斗杆液压缸 消耗功率，kJ；Em回转马达消耗功率，kJ。 主泵 1、2 的输出功率，动臂、斗杆、铲斗液压缸的 消耗功率，回转马达的消耗功率计算式均为 E ＝ P Q2 式中E液压功率，kW；P瞬时压力，MPa；Q瞬时 流量，L/ min。 动臂、斗杆和铲斗液压缸实时位移通过传感器检 测得到，而其大腔瞬时流量为计算值，其计算式为 v ＝ dS/ dt3 Q1＝ π 4 D2v4 式中S液压缸的瞬时位移，m；v实时运动速度，m/ s； D活塞的受力面积，m2；Q1液压缸大腔瞬时流量，L/ min。 液压马达回转瞬时流量计算式为 n ＝ dSm dt L 5 Qm＝ qni6 式中Sm回转支撑平台外圆周瞬时线位移，m；L回 转支撑平台外圆周周长，m；q回转马达排量，L/ min； i回转支撑平台与回转液压马达减速比；Qm回转马 达瞬时流量，L/ min。 2 液压系统效率分析 液压挖掘机在施工过程中，完成一个工作循环可 分为 6 个过程挖掘、提升、旋转、放铲、回转、下放[19]。 笔者以某 21 t 级挖掘机为研究对象，对其进行液 压系统信号采集和效率分析。 其工作装置参数如表 2 所示。 表 2 工作装置参数 工作装置参数单位 动臂125∗85∗1 221mm 斗杆135∗95∗1 475mm 铲斗120∗80∗1 060mm 回转支撑平台周长3. 832 8m 回转平台与回转马达减速比7. 077 回转马达减速比17. 64 回转马达排量0. 151L 2. 1 功率利用率 由于液压系统中的压力、流量、位移信号均属于低 频信号，选择 10 ms 的采样周期足以保证所采集到的 信号不失真[20]。 笔者采用 MATLAB 软件对数据进行的处理与分 析，此处仍以 21 t 级挖掘机的挖掘装车作业为例。 液压系统主泵、工作装置所消耗功率和功率利用 率如图 2 所示。 图 2 液压系统效率分析 9161 第 12 期刘志东，等挖掘机液压系统的效率分析与试验研究 根据各工作装置位移曲线可知在挖掘机作业过 程的一个工作循环中，转台分别各正、反转一次，动臂 各提升和下降一次[21]。 由图 2 可知在挖掘后半段、回转段和下放段挖掘 机液压系统功率利用率偏低；而回转段是由于工作装 置处于伸展姿态时，回转平台启动后，较大的旋转惯性 导致液压马达对主泵的功率消耗较低。 2. 2 效率统计 在挖掘机挖掘过程中，其液压系统始终处于随机 变载荷状态。 将一个完整作业循环全过程采样数据作 为一个样本，通过均值和标准差分析，当样本容量为 100 及以上时，采样才具有显著性。 因此，此处液压系统能量利用率的分析，以挖掘机 连续挖掘的 100 个循环数据为基础，以先导操作压力 变化作为有效试验数据的统计起点和终点。 液压系统主泵 1、2 的能量供应和各执行元件的能 量消耗计算式即瞬时功率对循环时间求积分为 Et＝∫ jn j1 Et7 式中E瞬时功率，kW；j1循环起始时间；jn循环 结束时间。 挖掘机进行 100 次挖掘装车作业，其液压系统能 量消耗及效率统计，如表 3 所示。 表 3 液压系统能量消耗及效率 系统元件单位能量数据 液压泵输出能量泵 1 ＋ 泵 2kJ108 700 动臂液压缸利用能量kJ21 354 斗杆液压缸利用能量kJ24 966 铲斗液压缸利用能量kJ16 220 回转马达利用能量kJ8 163. 2 液压系统效率％65. 04 3 液压系统改进 在挖掘装车循环作业过程中，根据各液压缸伸缩 位移变化的分析结果可知在挖掘的前半段，虽然有双 泵流量同时供应动臂、斗杆和铲斗，但对动臂流量的分 配较小；而在后半段，双泵流量又几乎全部供应动臂， 因而未实现对双泵功率的有效利用。 在动臂下放过程中，可有效利用重力势能和再生 功能，以降低对主泵功率的消耗，提高功率利用率。 液压挖掘机属于典型多执行器系统，其典型特点 是多执行器并行，动作及负载频繁变化，这就要求其液 压系统必须具有较好的流量分配特性[22]。 为此，笔者对挖掘机的液压系统进行了改进，其改 进原理图如图 3 所示。 图 3 液压系统改进原理图 图 3 中 1增加了铲斗大腔限流阀，限制了挖掘过程中 主泵对铲斗的流量供应，分流出部分流量给动臂提升， 提高了动臂和铲斗运动的协调性； 2增加了斗杆液压缸伸出时的再生功能，减小 了对主泵的能量消耗，同时斗杆的运动速度加快，提高 了挖掘过程协调性； 3增加了动臂下降再生功能系统单元，合理利用 自身重力势能，减小了小动臂下降对主泵的能量消耗。 笔者通过对其控制系统进行调节，来实现挖掘机 液压系统的各项功能，具体的过程如下 在挖掘过程中，控制多路阀 1、2、3 处于右位，控制 系统对比例电磁阀 2 的开口大小进行比例控制，使斗 杆小腔回路保持一定压力，顶开斗杆再生阀，部分回油 与斗杆大腔合流，实现流量再生功能； 控制比例电磁阀 3 完全打开，保证开口最大，同时 控制动臂再生阀的背压阀处于右位，靠进油压力关闭 再生功能。 动臂下降时，动臂再生阀的背压阀处于左 位，控制比例电磁阀 3 开口大小，使动臂大腔回油背压 大于动臂再生阀的弹簧压力，再生阀打开，部分流量与 小腔进油合流，实现动臂下降势能的转换利用。 4 试验及分析 4. 1 对比试验 试验挖掘机液压系统改进前后，笔者在同样土壤 条件的试验场地，由同一名驾驶员，按照统一的操作标 准，进行 100 斗挖掘装载试验对比。 挖掘装载试验现场如图 4 所示。 0261机 电 工 程第 38 卷 本文引用格式 刘志东，李莺莺，王青云，等. 挖掘机液压系统的效率分析与试验研究[J]. 机电工程，2021，38121617 －1621，1627. LIU Zhi-dong， LI Ying-ying， WANG Qing-yun， et al. Efficiency analysis and testing of hydraulic system of excavator[J]. Journal of Mechanical ＆ Electrical Engineering， 2021，38121617 －1621，1627.机电工程杂志http/ / www. meem. com. cn 图 4 挖掘装载试验现场 笔者提取其中任意连续的 2 个挖掘装载试验过 程，来对比分析液压系统改进前后的功率利用率。 改进前后的功率利用率对比结果如图 5 所示。 图 5 改进前后的功率利用率对比 由图 5 可知 在挖掘后半段和动臂下放过程中，功率的利用率 有明显提高，尤其是动臂下降再生功能的增加，使得其 功率的利用率瞬间可达到主泵功率的 2 倍，因而其提 升效果十分明显。 4. 2 液压系统效率统计 根据液压系统效率统计方法，改进后的能量消耗 及效率统计如表 4 所示。 对100 次挖掘装车作业循环数据进行统计分析可知 1动臂、斗杆、回转马达的能量利用都有所增加； 2由于增加了铲斗大腔限流阀，铲斗运动能量 表 4 改进后的能量消耗及效率 系统元件单位改进后数据 液压泵输出能量泵 1 ＋ 泵 2kJ105 150 动臂液压缸利用能量kJ22 455 斗杆液压缸利用能量kJ266 28 铲斗液压缸利用能量kJ14 165 回转马达利用能量kJ10 920 液压系统效率％70. 54 消耗有所降低； 3液压系统综合效率达到了 70. 54％，比改进前 提高了 5. 5％，提升效果明显。 5 结束语 笔者以某 21 t 级挖掘机为研究对象，围绕挖掘机 挖掘装车的作业过程，基于数据采集方式和功率利用 率分析方法，对其工作装置的液压系统及其控制策略 进行了改进，最后通过实际的对比试验，对改进前后挖 掘机液压系统效率的提升进行了验证。 研究结果表明 1挖掘机液压系统改进后，进行 100 次挖掘装 车试验，结果表明，主泵输出功率有所降低，但动臂和 斗杆液压缸利用功率却有所提高，循环作业过程中液 压系统综合利用率提高了 5. 5％； 2通过增加动臂下降再生功能和斗杆伸出再生功 能，可有效降低对主泵的输出功率消耗，节能效果明显； 3通过增加铲斗大腔限流功能，使挖掘过程中 主泵的流量在动臂和铲斗之间的分配更加合理，提高 了工作装置的协调性。 后续的研究工作中，笔者将针对回转单元的功率 利用率，进一步研究工作装置与回转单元液压系统的 综合改进，对液压系统效率的综合提升效果。 参考文献References [1] CHOI K， SEO J， NAM Y， et al. 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