当代液压挖掘机功率控制技术及其分析.doc

77 当代液压挖掘机功率控制技术及其分析 伏志和 摘要本文所述功率控制泛指液压挖掘机的柴油机、液压系统的功率控制，其内容包括柴油机转速、扭矩控制及液压系统功率、流量、压力控制以及如何通过电液控制技术将它们组合为功能很强的控制系统。以当今常见的液压系统、电子控制装置为例，阐述了它们的基本原理，并对其特点做了分析。 关键词液压挖掘机 功率控制 系统 功率控制的主要目的是节能、提高功率利用率、增强作业效率。早期的液压挖掘机采用定量泵供油系统，因其功率利用率低，且无法施展较强的控制功能，因而性能不佳，在大、中型挖掘机上早已被恒功率变量泵系统所取代。定量泵系统因其制造成本低廉，在部分小型、微型挖掘机上还有所应用。进入２０世纪８０年代中期，在恒功率变量泵系统基础上出现了负流量控制、负荷传感控制等新型液压系统，其节能效果明显提高，进而引入电脑实现了电子控制功能，使得在节能、功率利用率、工作效率；便于监控、操作、维护等方面有了很大提高。可以说，当今的液压挖掘机有无电脑控制功能，已成为新、旧机型的分界线。 １、 恒功率变量泵液压系统 液压挖掘机广泛采用双主泵恒功率变量调节系统，其单泵性能如图１所示。图中过b、c、d的双曲线（虚线）即为恒扭矩（当横坐标为Q时即为恒功率）曲线。过b、c、d的折线（实线）才是泵的实际特性曲线，是近似于恒功率的特性曲线。 变量双泵可组合为总功率控制，分功率控制和交叉功率控制系统，其功能各有差异。上述恒功率变量泵系统，其性能还不够理想，因其主泵工作点总沿abcde性能曲线自动调节。其实是总在最大功率、最大流量、最大压力三种极端工况下工作。挖掘机工作时并非时刻都需要最大功率、最大流量和最大压力。如发动机空运转时，轻负荷作业时，强阻力微动时，若按上述特性运行必然造成能量的 浪费，而又无法通过人为控制改变其状况。 图１ ２、 负流量控制系统 图２为负流量控制系统简图。主泵流量分为两部分，大部分通过主阀到执行元件做功，另一小部分经主阀中心回油道返回油箱。在主阀回油道上装一个节流孔，在节流孔前引出一 油路至主泵变量机构，即成为控制油路，其油压的变化即可控制主泵流量。当主阀回油量大时，控制油路的油压提高，泵的流量即减小，反之，油泵流量加大。控制油压与泵流量成反比，故称为负流量控制。当挖掘机工作时，泵的流量大部分去了执行元件，回油量很小，于是泵的流量增大，当主阀处于中位时，全部流量回油箱，泵的控制油压最大，泵的流量减到最小。挖掘机工作与否，动作的快慢，由人操纵先导阀控制主阀开度来决定，主阀开度又 图2 图3 决定回油量的大小，进而控制了泵的流量大小。图３为先导油压与主泵流量、工作油流量、回油流量的关系图。先导油压又正比地受控于先导阀开度。 负流量控制系统与传统的恒功率变量系统相比较，克服了主泵总在最大流量、最大功率、最大压力下工作的极端状况，其节能效果是明显的。当装了压力切断阀（cut-of valve）时，其节能效果见图４。图４表示了挖掘机在三种运行状态下新（负流量）、旧（恒功率）系统 图 4 的能量消耗对比。图中点２、点b分别为新、旧系统主泵的工作点。oabc为旧系统能量消耗，0123为新系统能量消耗，有阴影部分即为节省下的能量。 日本川奇（KAWASAKI）公司制造的K3V系列主泵及KMX系列主阀所组成的系统是典型的负流量控制系统，已得到广泛的应用。 德国力士乐（REXROTH）公司制造的A8V系列主泵及M8系列主阀所组成的系统是正流量控制系统，也有较强的功能。该系统需配梭阀组，较负流量控制系统复杂一些。 ３、 中心开式负荷传感系统（OLSS） 这是日本小松（KOMATSU）公司制造，用于PC200-5、PC300-5、PC400-5型挖掘机上的节能系统，图５为它的原理示意图。所谓“中心开式”是指主阀处于中位时阀心是开放的，回油道由此通过。在主阀回油道上装有射流传感器，它与系统中的负流量控制阀（NC阀）共同控制主泵变量机构（伺服缸）。回油量越大，射流传感器输出的传感压差-也越大，NC阀输出的控制压力就越小，主泵流量就越小。这与负流量控制系统总效果是一致的，所不同的是主泵控制压力与主泵流量Q成正比，而非负流量控制关系。该系统也有如图４的节能效果。 ４、 负荷传感系统 图６为德国林德（LINDE）公司的LSC负荷传感系统的原理图。它通过主阀出口处的压力补偿阀及 图5 梭阀控制主阀进、出口的压差，使之保持一个恒定值，通过阀心的流量就只与阀心开口面积有关。各主阀均保持同样压差，不受外负荷影响。它们的流量分配按各阀开度大小成比例分配，而阀的开度受控于人为操作。各阀分流出的控制压力由梭阀检测出最大的一个传至主泵变量机构，以控制其流量。主阀的进、出口压差要在系统中调整为某一定值，装有电子控制装置的机型，电脑会使压差在此定值范围内实时变动，以控制泵排量，即控制泵的吸收扭矩。本系统很好的实现了流量按需分配，不受外负荷影响，无多余流量，各执行元件可同时工作，互不干扰等功能。 该系统的基本原理，基于柏努力方程， Q 式中Q为主阀流量，为阀流量系数，为流体密度，A为阀心流通面积，为阀的进、出口压力差。可见、是常数，由压力补偿阀自动调整为不变值，流通面积A的大小就成正比地决定了流量Q的大小。 该系统与传统的恒功率变量系统比较，其节能效果也体现在三类工况。图７（a）为发动机运转，挖掘机不工作时；图７（b）为挖掘机在部分负荷下工作时；图７（c）为挖掘机在强阻力微动作业时的节能情况。图中的阴影部分为新（负荷传感）系统比旧 图6 （恒功率）系统节省的能量，其中（a）种工况下，新系统的泵基本不消耗功率。 该系统与负流量系统相比，在部分功率工作时其流量１００％去工作，而压力补偿阀稍有压力损失，负流量系统则有空流量损失，各有所短。发动机空运转时该系统无流量损失，这在发动机启动时更有益，这优于负流量系统。 德国力士乐公司推出的LUDV系统，称之为与负荷无关的流量分配系统；日本小松的CLSS系统称为中心闭式负荷传感系统；日本日立建机公司的负荷传感系统，其基本结构原理与功能都与林德LSC系统类同，也得到了较好的应用。 图7 ５、 电子控制技术的应用 ５.１液压泵的电子控制 图８是主泵的电子控制原理图，是在传统恒功率变量泵的变量机构之外装一个电液比例减压阀，泵控制器（CPU）可实时的改变该阀的控制电流的大小，因而可改变它的输出液压压力，进而控制泵的变量机构，使泵的排量发生变化，形成不同的特性曲线，如图９。这意味着主泵成了十分灵活的扭矩（功率）可控泵。 图10是另外一种泵的变量机构，用A、B两只高速电磁阀控制变量缸的动作。A、B同时 图8 关闭时，主泵排量不变，A通、B断时泵排量减小，A断、B通时，泵排量增加。A、B的通断由CPU控制，主泵工作点变化规律由CPU的软件决定，摆脱了恒功率曲线的影子。 由电子控制的主泵，其工作点不再单一地沿某个特性曲线变化，而是扩展为面，而且瞬息可变，这为功率控制提供了强有力的技术支持。 图9 ５.２极限负荷控制 图8也是柴油机与主泵的联合控制系统。主泵由比例减压阀控制，柴油机油门由步进电机（或其它电控装置）控制，它们都听令于CPU。柴油机的转速传感器、油门位置传感器随时将数据信息传输给CPU。这构成了一套具有自动控制功能的功率控制系统。 图１１（a）描述了传统恒功率系统与柴油机匹配关系。这种匹配，功率利用率不很高，我们无法运用图中阴影部分的扭矩去克服强阻力，且当柴油机性 图10 图11 能（虚线）下降时泵阻力即迫使柴油机转速下降，由下降至甚至导致熄火。 运用图8系统，我们可以将泵的最大扭矩调到柴油机最大扭矩点Mmax附近，如图1０（b）。挖掘机出厂前已将油门旋钮位置与柴油机转速关系标定好，并存储于CPU中。挖掘机工作时，给定了一个油门旋钮位置，电脑即令步进电机驱使油门达到此目标转速。如转速传感器检测出的发动机实际转速低于此目标转速一定数值（例如２００rpm），表明泵的扭矩过大，电脑即令油门加大些，同时令泵的扭矩减小，如实测转速低不多，加大一些油门即可解决问题。如转速偏高，则令泵的扭矩加大些，转速即会下降。这种瞬息向目标趋近的调整，其结果使泵的工作点经常处于目标转速下，柴油机的扭矩外特性附近，从而利用了该转速的最大扭矩（功率）。当柴油机在高原工作，或因其它原因其性能（虚线）下降时，泵仍然能吸收该状况下的最大扭矩，且不至于超载而迫使柴油机转速下降，甚至熄火。这就是极限负荷控制。 ５.３功率模式的设定 有了图8系统，柴油机的油门（转速）、泵的扭矩可由电脑自动控制，可以人为设计泵的扭矩特性曲线形状，以其软件输入电脑，如图１２。该特性线与柴油机的诸调速特性交织出无限量的工作点。选定某几个常用的工作点做为设定的挡位，即成为固定的功率模式。如图１２即为一种模式，其中H挡为１００％功率点，挖掘机可在高速度强力作业时用此挡；S挡为８５％功率点，可在常规作业时用；F挡，泵的扭矩与S点相同，发动机转速低些，功率也低一些；L挡可吸收６０％功率，在精细作业时常用。我们可以将此点设定在柴油机的最低油 图12 耗区，既可在低功率下完成精细作业，又可使得做同样的功，燃料最节省。操作人员只 要按下某挡功率模式钮，挖掘机就自动在该挡下工作。当放弃功率模式选择后，即恢复极限负荷控制或自由控制模式。 目前由电脑控制的挖掘机，每当操作手柄放到中位后，３～５秒内，发动机就自动降为怠速以节省燃料。本文２～４节所介绍的液压系统都有配用电脑控制的实例。 ６、 发展动向点滴 做为挖掘机动力的柴油机，近年来一些制造厂家纷纷开发出电子喷射系统，在节能、降低排放等性能上有明显提高。同时由于直接用了电脑控制，与挖掘机液压系统的联合控制更方便，总效果更加完美。 液压系统也在不断扩展电脑及传感元件的应用，使得系统性能更佳，功能更为扩展，以至涵盖了液压部件的某些功能。例如，电脑软件可以控制泵排量，有时压力切断阀等元件可以免去。又如，负荷传感系统的出现，过去的多泵系统实质上已变为单泵系统。电子控制系统的发展更有益于传统液压系统的简化。 电子控制的先导操作系统已有所应用，使操作更为轻捷，且利于精确作业。 勿容置疑，挖掘机始终向着高效、节能、提高人员舒适性和环保适应性的方向发展。智能化、自动化控制系统的发展为其技术保障。 参考文献 1、朱齐平等 . 进口工程机械使用维修手册 . 辽宁科学技术出版社，2001 2、张玉川、蔡禺 . 进口液压挖掘机国产化改造 . 西南交通大学出版社，1999 通讯地址天津工程机械研究院 （300131） 7