基于液壓泵效率的挖掘機節(jié)能研究

吳文海，楊宇瀾，劉桓龍，王國志

(西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，四川成都610031)

式中:Cs 為層流泄漏系數(shù);Δp 為進出口壓差;μ 為油液動力黏度;n 為泵轉(zhuǎn)速;β 為排量比;CV 為層流阻力系數(shù);Cf 為機械阻力系數(shù);Tc 為與進出口壓差和轉(zhuǎn)速無關(guān)的一定的轉(zhuǎn)矩損失;Vmax為泵全排量。

上式中，把間隙內(nèi)油液的流動看成為層流，忽略了運轉(zhuǎn)中間隙的變化以及油液壓縮性的影響?？梢钥闯?影響液壓泵效率的參數(shù)主要為壓力、轉(zhuǎn)速和排量比。

在工程機械中，液壓挖掘機有著應(yīng)用量大但能量利用率較低的特點，挖掘機的節(jié)能研究一直有著十分重要的意義。在國內(nèi)，液壓挖掘機的傳統(tǒng)節(jié)能研究主要是在改進液壓系統(tǒng)(如正、負流量控制系統(tǒng)，負荷傳感控制系統(tǒng))和實現(xiàn)發(fā)動機與負載的適時匹配等方面，而現(xiàn)階段主要集中在對油電或油液混合動力系統(tǒng)在挖掘機中的應(yīng)用以及高能耗裝置(動臂、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)等)能量回收的研究［1－4］。而作為液壓挖掘機驅(qū)動系統(tǒng)中一個重要的組成部分變量液壓泵，其工作效率也是影響挖掘機能量利用率的一個不可或缺的因素。因此，使變量泵盡可能地工作在高效區(qū)，對提高整機性能、降低能耗有著非常重要的作用。

1 變量液壓泵的效率及控制原理

1.1 變量液壓泵效率的理論公式

變量液壓泵的效率是由其機械效率和容積效率共同決定的。在變量泵中，由摩擦所產(chǎn)生的機械損失會造成液壓泵轉(zhuǎn)矩的丟失，從而引起機械效率的降低;而由泄漏所產(chǎn)生的容積損失會引起容積效率的降低。

由于影響泵效率的因素很多，所以一直沒有形成一個精確的效率表達式。但根據(jù)眾多學(xué)者試驗研究，總結(jié)得出了變量液壓泵容積效率ηv，機械效率ηt和總效率η 如下的理論表達式［5－6］:

式中:Cs為層流泄漏系數(shù);Δp 為進出口壓差;μ 為油液動力黏度;n 為泵轉(zhuǎn)速;β 為排量比;CV為層流阻力系數(shù);Cf為機械阻力系數(shù);Tc為與進出口壓差和轉(zhuǎn)速無關(guān)的一定的轉(zhuǎn)矩損失;Vmax為泵全排量。

上式中，把間隙內(nèi)油液的流動看成為層流，忽略了運轉(zhuǎn)中間隙的變化以及油液壓縮性的影響?？梢钥闯?影響液壓泵效率的參數(shù)主要為壓力、轉(zhuǎn)速和排量比。

1.2 液壓挖掘機變量泵控制原理

液壓挖掘機變量泵的控制都是通過各種變量機構(gòu)來對液壓泵的流量、壓力、功率進行調(diào)節(jié)的。根據(jù)控制形式的不同，其控制可分為全功率控制、分功率控制、壓力切斷控制、交叉功率控制、正流量控制、負流量控制、負荷傳感控制、變功率控制以及多種形式的組合控制［7］。

文中將某公司挖掘機上采用的日本川崎公司生產(chǎn)的K3V 系列液壓泵作為研究對象，該泵采用的是負流量和全功率控制的雙聯(lián)變量柱塞泵。該泵主要部件為配油盤、斜盤、壓盤、缸體、柱塞滑靴組、回程彈簧、伺服變量控制機構(gòu)以及傳動軸等，其排量大小由負流量和全功率控制信號共同調(diào)節(jié)，其控制原理如圖1所示。

圖1 泵的控制原理圖

2 變量泵的建模仿真與結(jié)果分析

依據(jù)上面介紹的變量柱塞泵的效率計算公式及泵的結(jié)構(gòu)和在挖掘機中的控制原理，在AMESim 中進行建模仿真，該泵的最大排量為117 mL/r?，F(xiàn)通過建模仿真來分析壓力、轉(zhuǎn)速和排量比分別對泵效率的影響。如圖2所示，為當(dāng)轉(zhuǎn)速與排量比一定時，容積效率、機械效率和總效率隨進出口壓差Δp 的變化曲線。

圖3—5所示分別為:當(dāng)轉(zhuǎn)速一定、不同排量比下，變量泵效率與壓力的關(guān)系曲線;當(dāng)轉(zhuǎn)速一定、不同壓力下，變量泵效率與排量的關(guān)系曲線;當(dāng)壓力一定、不同排量比下，變量泵效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。

圖2 液壓泵的效率曲線

圖3 變量泵效率與壓力Δp 的關(guān)系

圖4 變量泵效率與排量的關(guān)系

圖5 變量泵效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

由圖3、4 和5 可以得出:

(1)液壓泵的效率隨著負載壓力的增加而增大，但當(dāng)壓力增加到25 MPa 左右時泵的效率會隨負載壓力的增大而逐漸減小;

(2)液壓泵的效率會隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加而增大，在中高速區(qū)趨向于最大值;

(3)當(dāng)該挖掘機的發(fā)動機在中高轉(zhuǎn)速、變量泵全排量且進出口壓力在25 MPa 左右時，泵效率能維持在90%以上;

(4)液壓泵的效率會隨著泵排量的減小而減少，當(dāng)該泵的排量小于50 mL/r，即排量比小于0.43(精細作業(yè))時，泵的效率會低于80%;

(5)對于液壓挖掘機來說，除怠速狀態(tài)外其發(fā)動機的轉(zhuǎn)速一般都工作在高速區(qū)，而泵的出口壓力受變化負載影響較大，因此泵的排量比是對挖掘機中液壓泵效率影響較大且可實現(xiàn)控制的一個重要參數(shù)。

3 挖掘機的建模仿真與結(jié)果分析

3.1 液壓泵挖掘機的建模

由前面的分析可知，當(dāng)液壓挖掘機精細作業(yè)時，變量泵的效率會大幅降低，而長期的精細作業(yè)必然會造成過多的能量損失。在挖掘機中適當(dāng)提高液壓泵的排量比則是增大其效率的一個重要因素。

挖掘機在液壓系統(tǒng)的控制下，負載需要多大流量，泵就要輸出多大的流量，因此要在輸出一定流量的前提下增大泵的排量比就需要適當(dāng)降低泵的轉(zhuǎn)速。但在一定負載條件下，要降低泵的轉(zhuǎn)速，就需要使發(fā)動機的轉(zhuǎn)速降低，從而使發(fā)動機的工作點偏離最佳經(jīng)濟工作點，造成油耗的增加。因此，要在不影響發(fā)動機工作點的條件下減低泵的轉(zhuǎn)速，就需要在發(fā)動機與泵之間加裝一個減速機。行星齒輪減速機能夠調(diào)節(jié)到所需要的轉(zhuǎn)速，同時增大了輸出扭矩，其傳動效率能達到95%。

此次仿真是以某公司生產(chǎn)的23 t 負流量液壓挖掘機為模型在AMESim 中進行建模的。該型號挖掘機采用日本KYB 公司生產(chǎn)的KVMG 系列多路閥和日本川崎公司生產(chǎn)的K3V 系列雙聯(lián)泵，并采用負流量和全功率液壓控制系統(tǒng)。此次仿真除了用HCD 庫搭建多路閥和變量泵的模型外，還將其動力系統(tǒng)改為油電混合動力系統(tǒng)建模，搭建了計算燃油消耗簡化的發(fā)動機和減速機模型，加入動臂能量回收系統(tǒng)，并將模型用超級元件進行了封裝。圖6 為液壓挖掘機仿真模型。

圖6 液壓挖掘機仿真模型

其具體的控制策略如下:

(1)將控制器設(shè)為重載、中載、輕載和精細作業(yè)4 個工況，發(fā)動機依據(jù)負載標準設(shè)定3 個不同功率下的最佳經(jīng)濟工作點，操作員根據(jù)判斷選擇工況模式;

(2)精細作業(yè)工況時，減速機控制開啟，并根據(jù)泵的排量比(變量柱塞泵的斜盤傾角)進行比例調(diào)節(jié)，控制泵的轉(zhuǎn)速;

(3)設(shè)定電池SOC 的上下限，當(dāng)SOC 的值達到上限時，發(fā)動機自動切換到低負載工作點，由發(fā)動機和電機共同驅(qū)動負載;當(dāng)SOC 的值達到下限時，發(fā)動機自動切換到高負載工作點，發(fā)動機驅(qū)動負載并發(fā)電。

3.2 仿真結(jié)果分析

此次仿真是在精細作業(yè)工況下以液壓挖掘機標準作業(yè)循環(huán)為一個仿真周期，其作業(yè)周期為15 s。圖7為仿真階段泵的總效率變化曲線，圖8 為發(fā)動機的油耗對比，圖9 為電池SOC 值的變化對比。

圖7 泵的總效率變化對比

圖8 發(fā)動機的油耗對比

圖9 電池SOC 值的變化對比

從圖7 可以看出:采用減速機的仿真模型泵的效率得到了提高，基本維持在80%以上。由圖8 和圖9可知:采用減速機調(diào)節(jié)的模型的發(fā)動機油耗量為66.0 g，電池的SOC 值為82.1%;未采用減速機調(diào)節(jié)的模型的發(fā)動機油耗量為64.1 g，電池的SOC 值為79.7%。將SOC 值等效成油耗量與發(fā)動機油耗量疊加，可得出總油耗量分別為54.87 和65.69 g，即采用減速機調(diào)節(jié)模型在精細作業(yè)時提高了泵的效率，相比未采用減速機調(diào)節(jié)的模型油耗量下降了16.5%。

4 結(jié)論

液壓挖掘機在精細作業(yè)時，變量泵的效率會大幅降低，而長期的精細作業(yè)必然會造成過多的能量損失，提高液壓泵的效率也是挖掘機節(jié)能的一個重要方面。通過以上的仿真分析可知，在挖掘機中變量泵的排量比是對泵效率影響較大且可實現(xiàn)控制的一個重要參數(shù)，采用減速機調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速并增大轉(zhuǎn)矩，可以在盡量不影響執(zhí)行機構(gòu)速度要求和發(fā)動機工作點變換的條件下增大液壓泵的排量比，提高了泵的效率，從而降低了油耗量、實現(xiàn)了節(jié)能。

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