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工程机械液压节能技术的现状及发展趋势2021-01-22 16:57

综述国内外工程机械应用的液压节能技术,引见变量泵的排量控制、ls负载敏感控制和l.udv控制等几种节能控制方式,以及它们在不iqj工况下的控制措施。引见混合动力控制在工程机械中的应用,对工程机械液压节能的开展趋向停止剖析,提出基于全局功率匹配控制的节能设想。

随着工程机械种类和数量的不时增加,大量工程机械所耗费的资源、排放的污染物以及施工中产生的噪声、粉尘对环境产生了难以估量的影响,“环境”已成为障碍工程机械开展的新要素。工程机械产品的设计与制造要思索顺应环境生态开展的请求,开发研制环保、节能型产品是今后工程机械开展的趋向[fll,研讨工程机械的节能技术具有重要的实践意义。本文主要引见了目前工程机械液压系统的几种节能技术及其开展趋向。

为了进步产品的节能效果和满足日益严厉的环保请求,国内外工程机械制造商主要从降低发起机排放,进步液压系统效率和减振、降噪等方面动手。由于在工程机械中节能最能表现在液压系统和控制系统上,所以对此方面的研讨较多。

20世纪60年代,液压发掘机开端应用恒功率变量泵,目的是既能充沛应用柴油机功率,又不会使柴油机过载。将恒功率控制原理应用于双泵系统,从而呈现了多种控制方式,如全功率和分功率控制。

全功率液压泵中,双泵排量靠机械或液压机构坚持分歧,任何状况下双泵流量都相同。但由于其自身的构造特性,全功率系统不可防止地存在功率损失,因而,目前国外的大中型发掘机曾经根本上不采用。0世纪70一80年代,正流量控制系统呈现,其目的是为了用容积调速替代定量系统中的节流调速。为进步系统效率,用先导压力直接控制泵排量,在控制中,随着先导压力的增加,泵排量也相应增加。支配手柄可同时支配两个液压缸,引出的先导液压信号一方面控制两个六通多路阀,另一方面经过梭阀组将最大先导压力选择出来,用来控制泵排量,使液压泵输出流量与多路阀工作口的开度成正比。这种系统能减少旁路节流损失,但不能完整消弭。采用这种液压系统在国外比拟典型的一种产品是日立建机(hitachv消费的ex400型液压发掘机,国内产品中比拟典型的有四川长江发掘机厂消费的wy403型全液压发掘机和广西玉柴工程机械有限公司出产的wy20-yc型液压发掘机。

20世纪80年代初期,日本小松(i}omatsu)公司首先推出了负流量控制系统,这种系统有助于消弭六通多路阀中产生的空流损失和节流损失。经过在六通阀的旁路回油路上设置流量检测安装,控制泵排量与旁路回油流量成负线性关系,从而减小旁路回油功率损失。该技术称为olss( open centerload sensing systerr}系统,并应用于小松公司消费的pc系列发掘机上。国内采用这种系统的发掘机,比拟典型的有贵州詹阳机械工业有限公司消费的jy320型履带式液压发掘机。20世纪90年代后,负荷传感控制技术[f21在发掘机上的应用越来越多,同时在其系统的多路阀上采用流量分配型的压力补偿措施,压力补偿阀设在多路阀的下游,这样,一切的多路阀阀口上的压差就能够控制在同一个值。即便泵输出流量缺乏,无法维持多路阀阀口上正常的负荷传感压差,在溢流型压力补偿阀的作用下,依然能够使一切多路阀阀口上的压差继续坚持分歧。典型的产品有 linde 公司的 vw 系列同步阀和rexroth 公司的 ludv 阀。采用同样技术的还有韩国大宇、小松公司等。国内目前只要与国外合资的公司可以消费具有这种液压系统的发掘机,如合肥日立公司消费的 ex 系列发掘机[3]。

1 工程机械液压节能技术的研讨现状

目前国内外工程机械的液压系统节能技术能够归结为采用变量泵控制、电液比例控制及混合动力等几种方式。在实践应用中,几种节能途径之间各自采用的技术并不是孤立的,它们常常是严密地分离在一同,相互浸透,构成综合的节能技术。

1.1 采用变量泵的控制方式

变量泵能够经过调理排量来顺应工程机械在作业时的复杂工况请求,采用压力感应控制,有效天时用发起机功率,将节流调速改为容积调速,减少能量损失,由于其具有明显的优点而被普遍运用。变量泵只要排量一个被控对象,在采用不同的制方式时,能够使变量泵具有不同的输出特性。应依据详细的应用场所,选用相顺应的变量控制方式,以便取得适宜的输出特性[4-5]。变量泵的控制方式多种多样,归类起来主要有排量控制、ls 负载敏感控制和 ludv 控制三种根本控制方式。

1.1.1 排量控制

排量控制是指对变量泵的排量停止直接控制的控制方式,施加一个控制压力就能够得到一个相应的排量值。排量控制分为正流量控制和负流量控制。正流量控制的目的是为了用容积调速替代定量统中的节流调速,以进步系统效率,并在 20 世纪70—80 年代开端用于液压发掘机。在正流量控制发掘机上,通常采用先导式三位六通多路阀,比拟典型的一种产品是日立建机消费的 ex400 型液压发掘机,其泵排量与先导支配压力成正比,但是在其控制系统中由于梭阀组的存在不断是正流量控制系统中的缺乏,不但增加了系统的复杂性,而且影响了系统的响应速度。

负流量控制系统有助于消弭六通多路阀中产生的空流损失和节流损失,是一种负荷传感系统,由日本小松公司在 20 世纪 80 年代初期首先推出并用于其消费的 pc 系列发掘机上。除小松公司外,世界上其他主要发掘机消费商如日立建机、卡特彼勒(caterpillar)等都推出了相似的液压系统。其中包括日立建机在 1986 年推出的 ex 系列发掘机如 ex200、卡特彼勒 cat300 系列发掘机等,都是应用的负流量控制技术。

图 1 为川崎(kawasaki)k3v 系列负流量控制[6,9-10](指流质变化与先导控制压力成反比)的输出特性和控制方式。领先导控制压力 pi增大时,变量控制阀阀芯右移,使泵的排量减小,从而使泵的流量 q 随着 pi的增大成比例地减小。

1.1.2 ls 负载敏感控制系统

负载敏感控制能使泵的输出压力和流量自动顺应负载需求,大幅度进步液压系统效率。将负载敏感控制用于相似发掘机这样的行走式工程机械,早在 20 世纪 60—70 年代就被提出,但直到 1988年才在欧洲真正用于液压发掘机。进入 20 世纪 90年代后,日本也开端在这方面加以研讨,并推出了一系列相应的发掘机产品,如小松公司的 pc200-6、日立建机的 ex200-2 等。

图 2 所示是 ls 控制的典型完成方式,它经过压力差对泵的排量停止控制,当 δp 与弹簧压力不均衡时,变量控制阀阀芯偏移,使泵排量发作相应变化。

图 3 所示是采用 ls 控制变量泵完成 ls 调速系统的根本原理。δp 为节流口前后压力差,δp=pa-pl,其中 pa为泵口压力,pl为负载压力。其最大的特性就是能够依据负载大小和调速请求对泵停止控制,从而完成按需供流的同时,使调速节流损失 δp控制在很小的固定值,进步系统的效率[2-11]。但是 ls控制的缺陷在于,当阀开度太大,系统请求的流量超越泵的供油才能时,高负载上的执行元件的速度就会降低直至中止,使整机的操作失去谐和性。

1.1.3 ludv 控制系统

为理解决 ls 负载敏感系统中呈现的问题,博世力士乐公司研发出了一套系统,其系统原理图如图 4 所示。

此系统与普通负载传感不同的是:

1)压力补偿阀设在节流阀后面;

2)负载压力信号取决于梭阀的最高压力,而不是取决于自身。

由图 4 并依据压力补偿阀的受力状况可知:

式(图 4)中:pi———支配阀阀后压力;

pm———最大负载压力;

ak———补偿阀作用面积;

fk———补偿阀弹簧压力;

pp———泵的出口压力;

δpi———支配阀压力损失,i=1,2。

由于弹簧刚度很小,所以 fk很小,因此 pi(i=1,2)根本相等:

δp1≈δp2≈…≈pp-pi(2)

由式(2)可知,一切节流环节的压差根本都相等[12]。这样,一切的多路阀阀口上的压差就能够控制在同一个值。即便泵输出流量缺乏,无法维持多路阀阀口上正常的负荷传感压差,但在溢流型压力补偿阀的作用下,依然能够使一切多路阀阀口上的压差继续坚持分歧。在这种状况下,固然各执行机械的工作速度会降低,但由于一切阀口上的压差分歧,因而各执行机构的工作速度之间的比例关系依然坚持不变,从而保证了发掘机动作的精确性,这种系统在 20 世纪 90 年代得到普遍应用。

经过对上述 3 种液压系统的理解,能够得出它们的共同点和不同点,二手挖掘机交易这关于我们在实践消费中终究选用哪一套系统提供了一个参考,控制系统的比拟如表 1 所示。

1.2 电液比例控制智能化

电液比例技术用于工程机械,能够省去复杂、庞大的液压信号传送管路,用电信号传送液压参数,不但能加快系统响应,而且使整个发掘机动力系统控制更便当、灵敏。

随着计算机技术的开展,电液比例控制将进一步“智能化”,这种智能化主要表现在计算机可以自动监测液压系统和柴油机的运转参数,如压力、柴油机转速等,并能依据这些参数自动控制整个发掘机动力系统,使其运转在高效节能状态,这将是节能技术开展的一个趋向[13]。

1.3 柴油机电喷控制

现代柴油机普通采用电控放射、共轨、涡轮增压中冷等技术,电喷柴油机在汽车行业已开端应用,而在工程机械范畴刚起步,不久将普遍推行。柴油机的电控放射系统是经过控制喷油时间来调理负荷的大小。柴油机电控放射系统由传感器、控制单元(ecu)和执行机构等三局部组成。其任务是对喷油系统停止电子控制,完成对喷油量以及喷油定时随运转工况的实时控制。采用转速、温度、压力等传感器,将实时检测的参数同步输入计算机,与控制单元(ecu)中贮存的参数值停止比拟,经过处置计算,依照最佳值对执行机构停止控制,驱动喷油系统,使柴油机运转状态到达最佳。

工程机械用柴油机采用电喷控制技术,能够使喷油泵的循环供油量和喷油提早角不再受转速的影响,使机械不断工作在最佳状态,并且动力响应速度快,油耗小,功率应用率高。工程机械用柴油机采用电喷控制技术是节能的一个重要环节和开展趋向。

1.4 多路阀多方式组合控制

工程机械普遍采用四通道、六通道多路阀,在多路阀的系统中有直通供油路可组成优先回路;中位时直通回油和并联供油路可组成并联回路,并将压力、流量和功率变化的信号组合停止反应,完成控制功用较全面的负荷传感阀。如 nordhydraulic 公司在通用阀上组合一片进油联,就可完成流量负荷传感控制(ls)系统。日本小松、神钢发掘机用川崎kmx15 多路阀,佳友发掘机用东芝 u28 多路阀,韩国大宇发掘机用 dx28 多路阀,均组合了压力反应液压泵排量控制、直线行驶、回转优先、动臂和斗杆自合流等功用。多路阀的组合方式越来越智能化,将更有利于液压系统的节能[14]。

1.5 混合动力系统

目前在工程机械和汽车上曾经开端运用了混合动力系统,如一些液压发掘机和城市公交车等。混合动力分为以电能为存储方式的混合动力系统和以压力作为储能方式的混合动力系统。

1.5.1 以电能为存储方式的混合动力系统

(1)串联式混合动力系统 发起机不直接与动力传动系统相连,可坚持在高效率区稳定工作。电动机随负荷的变化调理转矩和转速输出,电动机所需电能直接来源于发电机或蓄电池。由于发起机的工作区域稳定,所以排放性能好,能量效率较高。缺乏之处是系统的负载才能完整取决于电动机额定功率的大小,而且电动机的转速不能太低或太高,否则效率很低。

(2)并联式混合动力系统 其动力来源有两个:一个是发起机,另一个是蓄电池和电动机,二者经过转矩合成器与动力传动系统相连。机械行驶时专能够由发起机单独提供转矩,也能够由二者协同驱动(普通电驱动起辅助作用)或者当低速低负荷时只应用电驱动行驶。该系统的主要特性是发起机与电动机结合驱动,动力强劲,对控制系统的请求较高,与串联络统相比不需求发电机,当制动时电动机发挥发电机的作用可回收制动能量。

(3)混联式混合动力系统 综合了串联式和并联式混合动力的构造特性。混合式混合动力系统依照电机相对发起机的功率比大小能够分为助力型(轻度混合)、双形式型(中度混合)和续驶里程延长型。按行驶过程中电池电量的控制方式,则可分为电量维持型混合动力系统和电量耗费型混合动力系统[15-16]。

1.5.2 以压力作为储能方式的混合动力系统

(1)cumulo 驱动系统 由瑞典 volvo 公司首先提出,对城市公交车传统的机械传动系汽车停止制动能量回收的研讨,并获得了胜利。这种公共汽车的传动轴同时与发起机和液压泵/马达相连。当公共汽车制动时,传动轴就驱动液压泵,将备罐中的油液泵入一个紧缩器,紧缩器随行将氮气压入两个高压容器中。当汽车重新发起时,紧缩气体被释放回原系统驱动汽车[17]。实验结果标明,在城市运用的车辆,燃料耗费量大约可降低 30%,或者在相同的燃料耗费条件下,车辆能够多行驶 45%的里程数。同时,汽车易损件制动器及同步器的运用寿命进步了 3 倍以上。与传统汽车相比,汽车的废气排放可减少约 30%,改善了汽车对环境的污染。

(2)二次调理静液驱动系统 波兰罗茨工业大学的帕沃斯基博士研讨了一种采用二次调理静液驱动的新型计划。应用该计划能够使老式市内公共汽车仅用很小的破费就能够完成现代化,哈尔滨工业学液压与气动教研室正在停止这方面的研讨。这是一个带有二次调理闭环控制的驱动安装,公共汽车在加速过程中,所需功率经过一次元件从柴油机和直接从液压蓄能器中汲取。当到达行驶的正常速度后,所需的功率将减小,这时仅由一次元件的输出功率即可满足;在制动时,二次元件工作在泵工况,并且为液压蓄能重视新充压。这样,液压蓄能器一方面满足功率峰值(在加速时)的请求,另一方面可回收汽车的制动能量。其优点是柴油机只用来提供汽车恒转速行驶的能量和补充系统中的液压损失,这样驱动安装构成了一个无级变速传动,使得柴油机可以工作在一个合理的工作区内,使其耗费最为合理[18-19]。

(3)cps 系统 20 世纪 90 年代,日本著名学者 hiroshi nakazawa、yasuo kita 等开端研讨定压源液压驱动系统,二手挖掘机价格,并获得了较大停顿。由于车辆全部采用了液压传动系统,因此使汽车底盘的布置更为便当。实验证明,汽车的局部性能(如动力性、燃油经济性、温馨性及制动平安性等)也得到了明显的改善。运用定压源(constant pressure source,简称 cps)的飞轮系统由于构造简单、效率高等优点,成为目前汽车能量回收系统的主要方式之一。经过发起机和飞轮的混合驱动为系统提供动力,采用定压源液压驱动系统替代传统的能量传送,从而完成能量的传送及汽车牵引力(加速/减速)的控制[20-22]。

1.6 现场总线和嵌入式系统

关于发掘机而言,随着液压发掘机“智能化”水平的进步,各种传感器和控制器将遍及发掘机的各处,这将招致发掘机内部充满各种导线、线头,使控制系统变得复杂,牢靠性降低。处理这一问题的办法是采用现场总线和嵌入式系统,使控制系统在具有强大功用的同时,还具有体积小,构造简单和牢靠性高的优点。目前,在行走机械范畴,曾经有了这样一种现场总线,称为 can 总线。电子技术的开展也使控制芯片的体积更小,功用更强,能很容易地嵌入到行走机械各种部件的内部[7]。

1.7 其他节能措施

研发新的适用化的节能液压元件及系统,如自在活塞发起机及相关的液压变压器等。改动液压油的物理性质,如采用黏性指数高的多级液压油,也将是节能技术开展的另一个新趋向[23]。

2 工程机械液压节能技术的开展趋向

就目前的开展趋向而言,在工程机械中,功率匹配关于系统的节能有严重的影响。引见一种全局功率匹配思想,较传统的部分功率匹配而言,调理更简单、灵敏。

在发掘机中,单纯的部分功率匹配并不能很好地完成节能效果,这是由于在作出详细的调理时,图 5 全局功率匹配流程图发起机与泵的匹配需求调理泵的排量,而泵与负载的匹配也需求调理泵的排量,这就在调理时呈现了干预现象,因而需求对这三者停止综合思索。

目前大多数发掘机运用的是变量泵和负载敏感系统,应用负载敏感系统中泵对负载压力和流量的自顺应性完成泵与负载的匹配;然后依照泵与负载的匹配功率,肯定发起机的最佳工作点,经过自动调理发起机油门的大小,使发起机在最佳工作点左近工作,这样就完成了全局的功率匹配,流程图如图 5 所示。

以发掘机为例,详细的推导过程如下。要完成发起机、泵和负载的整体功率匹配,必需满足下式:

nte=npvg=plql(3)

式中:n———发起机转速;

te———发起机最佳节能点的转矩;

ps———泵的出口压力;

vg———泵几何排量;

pl———负载压力;

ql———负载所需流量。

计算匹配功率的负载压力 pl可经过压力传感器取得,因而只需计算负载所需的流量。引见一种检测先导压力的办法间接取得负载所需流量。

由 2 个压力传感器分别检测左右 2 个控制手柄的先导压力。假定左手柄控制斗杆运动,右手柄控制动臂运动,压力传感器 1 检测斗杆换向阀的压力 p1,压力传感器 2 检测动臂换向阀的压力 p2。假定:a1是斗杆控制阀口开度,a2是动臂控制阀口开度,q1是斗杆液压缸所需流量,q2是动臂液压缸所需流量。

由 p1,p2与 a1,a2的关系可知:

事实上,从先导安装的数学特性可知,先导手柄位移、先导控制压力与控制流量成线性关系,则式(4)可表示成:

则负载所需流量为:

ql=q1+q2=k1p1+k22(7)

然后经过发起机的转速感应控制自动调理发起机的油门,使其与负载所需的流量到达分歧,从而到达功率的有效匹配[24-25]。

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