挖掘機液壓系統(tǒng)的效率分析與試驗研究*

劉志東,李鶯鶯,王青云,魏志民,侯 超,李 穎,楊 健

(1.天津中德應用技術(shù)大學 汽車與軌道交通學院,天津 300350;2.天津工程機械研究院有限公司,天津 300409)

0 引 言

液壓挖掘機是目前應用最為廣泛的工程機械之一。但是在其使用過程中,存在工況復雜、負載變化大、能量利用率低等問題[1-3]。因此,如何提高挖掘機工作時的工作效率和燃油經(jīng)濟性[4],尤其是如何提高其液壓系統(tǒng)的效率，一直是行業(yè)關(guān)注的熱點。

挖掘機液壓系統(tǒng)的效率對整機性能的影響很大,并且其成本所占的比重也較高。對其進行的系統(tǒng)測試項目一般也只有動作機能、保壓等,這些并不能反映整個液壓系統(tǒng)的效率、可靠性等重要指標[5]。而液壓挖掘機損失的能量只有少部分散失到空氣中,絕大部分的能量通過其他形式轉(zhuǎn)移到液壓系統(tǒng)中[6,7]。因此,通過深入研究液壓系統(tǒng)的能量損失和利用率,可以在提高整機效率的具體措施方面,為其提供技術(shù)上的依據(jù)[8]。

胡薜禮[9]以挖掘機動臂下落過程中的重力勢能回收再利用為研究方向,以提高其能量效率為出發(fā)點,通過在小型挖掘機液壓系統(tǒng)中添加儲能器、單向閥、換向閥和節(jié)流閥,及通過增加增壓缸、輔助液壓缸等多種組合調(diào)整方法,對其節(jié)能效率進行了仿真及試驗。劉凱磊等人[10]針對傳統(tǒng)挖掘機運動控制的過程中多余的節(jié)流損失,采用5個二位二通比例閥作為主控制閥,設計了工作裝置負載口獨立的控制系統(tǒng),以此來提高挖掘機的節(jié)能效率。周志勇[11]針對液壓挖掘機動臂流量的再生問題,通過在其動臂大小腔間增加單向閥(流量再生閥),研究了流量再生閥開啟壓力、小腔回油孔過流面積對動臂油缸活塞位移、速度、壓力及再生流量等系統(tǒng)動態(tài)特性和能耗降低的影響。焦志愿[12]通過在某20 t液壓挖掘機原動臂液壓回路上添加多個單向閥組合,組成再生流量回路的形式,并配以相應的系統(tǒng)控制策略,基于AMESim仿真的方式,對一種基于流量再生與平衡單元挖掘機的動臂勢能回收與利用系統(tǒng)進行了驗證。劉晉霞等人[13]對國內(nèi)外挖掘機液壓式流量再生、電力式流量再生、平衡單元、二次調(diào)節(jié)式動臂勢能和回轉(zhuǎn)能量回收系統(tǒng)的組成、工作原理和其性能特點進行了詳細的歸納與分析。李潔等人[14]通過設計并仿真超級電容、蓄能器組合式能量回收再利用系統(tǒng),達到了對小型挖掘機的復合動作進行節(jié)能控制的目的。肖揚等人[15]通過對挖掘機液壓系統(tǒng)進行研究,提出了一種通過蓄能器回收油液,直接釋放至主泵出油口的液壓式動臂勢能回收與利用系統(tǒng)。程冬宏[16]通過將關(guān)鍵采集數(shù)據(jù)導入三維建模軟件中,建立了一種挖掘機動臂、斗桿和鏟斗模型,并在AMESim中建立了其工作裝置的多體動力學仿真模型,對比分析了改造前閥控系統(tǒng)和改造后泵控系統(tǒng)的能量利用率。

綜上所述,學者們有關(guān)挖掘機節(jié)能效率提升方面的研究,主要集中在動臂下降勢能的收回再利用、增加流量再生回路或電液一體控制等方面,而較少研究挖掘機動臂、斗桿、鏟斗3個工作裝置的液壓流量分配協(xié)調(diào)性對整個系統(tǒng)效率的影響。

筆者通過對液壓挖掘機進行挖掘裝車試驗數(shù)據(jù)采集,結(jié)合液壓系統(tǒng)效率分析方法,以某21 t級挖掘機為試驗載體,進行液壓系統(tǒng)功率消耗分析和利用率統(tǒng)計,提出改進方案,并進行試驗對比,為挖掘機液壓系統(tǒng)的效率提升設計提供理論依據(jù)。

1 液壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與功率計算

挖掘機作業(yè)循環(huán)中的不同階段對功率的需求各不相同[17]。

液壓系統(tǒng)動力由主泵輸出,在挖掘機挖掘裝車作業(yè)過程中,動臂液壓缸、斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸和回轉(zhuǎn)馬達均為功率消耗元件,其中,動臂和回轉(zhuǎn)動作的耗能較高[18]。

在挖掘機工作過程中,通過對液壓系統(tǒng)相應元件的動態(tài)試驗數(shù)據(jù)進行采集,結(jié)合各元件的功率輸出和消耗計算方法,可對液壓系統(tǒng)的功率利用率進行統(tǒng)計與分析。

1.1 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)液壓挖掘機的結(jié)構(gòu)組成,為了采集挖掘機的試驗數(shù)據(jù),需要在其相應位置安裝傳感器。

傳感器布局如圖1所示。

圖1 傳感器布局圖

圖1中,在動臂、斗桿、鏟斗3個驅(qū)動液壓缸上安裝線性位移傳感器,以實時檢測液壓缸的伸縮位移;在主泵1、2出口,動臂、斗桿、鏟斗液壓缸大小腔進油口位置,分別安裝壓力傳感器,以采集各油路壓力實時值;在先導手柄多路閥組的各進油口安裝壓力傳感器,用于檢測操作過程;

液壓油箱和主泵1、2之間分別安裝齒輪流量計,以測量液壓泵供油流量;回轉(zhuǎn)平臺底座圓周布局柔性磁柵尺,回轉(zhuǎn)平臺固定連接非接觸式磁性傳感器,通過檢測旋轉(zhuǎn)位移,推算回轉(zhuǎn)平臺的工作位置。

此處采用CRONOS compact系列模塊集成式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)采集,所采數(shù)據(jù)均由各傳感器完成。

傳感器信號類型和布局如表1所示。

表1 傳感器信號類型和布局

1.2 系統(tǒng)功率計算

由于挖掘機液壓系統(tǒng)具有變功率特性,以及工作狀態(tài)的隨機特性,在液壓系統(tǒng)能量的傳遞過程中,難免存在能量損失。

液壓系統(tǒng)效率是評價挖掘機液壓系統(tǒng)控制元件、執(zhí)行元件和液壓回路能量損失的一項重要指標。挖掘機在完整的挖掘裝車作業(yè)過程中,主要的執(zhí)行元件包括動臂液壓缸、斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸和回轉(zhuǎn)馬達。

以各執(zhí)行元件消耗的功率總和作為液壓系統(tǒng)所利用的功率,以液壓雙泵輸出的功率總和作為液壓系統(tǒng)的功率輸入,液壓系統(tǒng)的效率為:

(1)

式中:η—液壓系統(tǒng)效率;Ep1—主泵1的輸出功率,kJ;Ep2—主泵2的輸出功率,kJ;Eb—動臂液壓缸消耗功率,kJ;Ea—鏟斗液壓缸消耗功率,kJ;Ek—斗桿液壓缸消耗功率,kJ;Em—回轉(zhuǎn)馬達消耗功率,kJ。

主泵1、2的輸出功率,動臂、斗桿、鏟斗液壓缸的消耗功率,回轉(zhuǎn)馬達的消耗功率計算式均為:

E=P×Q

(2)

式中:E—液壓功率,kW;P—瞬時壓力,MPa;Q—瞬時流量,L/min。

動臂、斗桿和鏟斗液壓缸實時位移通過傳感器檢測得到,而其大腔瞬時流量為計算值,其計算式為:

v=dS/dt

(3)

(4)

式中:S—液壓缸的瞬時位移,m;v—實時運動速度,m/s;D—活塞的受力面積,m2;Q1—液壓缸大腔瞬時流量,L/min。

液壓馬達回轉(zhuǎn)瞬時流量計算式為:

(5)

Qm=q·n·i

(6)

式中:Sm—回轉(zhuǎn)支撐平臺外圓周瞬時線位移,m;L—回轉(zhuǎn)支撐平臺外圓周周長,m;q—回轉(zhuǎn)馬達排量,L/min;i—回轉(zhuǎn)支撐平臺與回轉(zhuǎn)液壓馬達減速比;Qm—回轉(zhuǎn)馬達瞬時流量,L/min。

2 液壓系統(tǒng)效率分析

液壓挖掘機在施工過程中,完成一個工作循環(huán)可分為6個過程:挖掘、提升、旋轉(zhuǎn)、放鏟、回轉(zhuǎn)、下放[19]。

筆者以某21 t級挖掘機為研究對象,對其進行液壓系統(tǒng)信號采集和效率分析。

其工作裝置參數(shù)如表2所示。

表2 工作裝置參數(shù)

2.1 功率利用率

由于液壓系統(tǒng)中的壓力、流量、位移信號均屬于低頻信號,選擇10 ms的采樣周期足以保證所采集到的信號不失真[20]。

筆者采用MATLAB軟件對數(shù)據(jù)進行的處理與分析,此處仍以21 t級挖掘機的挖掘裝車作業(yè)為例。

液壓系統(tǒng)主泵、工作裝置所消耗功率和功率利用率如圖2所示。

圖2 液壓系統(tǒng)效率分析

根據(jù)各工作裝置位移曲線可知:在挖掘機作業(yè)過程的一個工作循環(huán)中,轉(zhuǎn)臺分別各正、反轉(zhuǎn)一次,動臂各提升和下降一次[21]。

由圖2可知:在挖掘后半段、回轉(zhuǎn)段和下放段挖掘機液壓系統(tǒng)功率利用率偏低;而回轉(zhuǎn)段是由于工作裝置處于伸展姿態(tài)時,回轉(zhuǎn)平臺啟動后,較大的旋轉(zhuǎn)慣性導致液壓馬達對主泵的功率消耗較低。

2.2 效率統(tǒng)計

在挖掘機挖掘過程中,其液壓系統(tǒng)始終處于隨機變載荷狀態(tài)。將一個完整作業(yè)循環(huán)全過程采樣數(shù)據(jù)作為一個樣本,通過均值和標準差分析,當樣本容量為100及以上時,采樣才具有顯著性。

因此,此處液壓系統(tǒng)能量利用率的分析,以挖掘機連續(xù)挖掘的100個循環(huán)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),以先導操作壓力變化作為有效試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計起點和終點。

液壓系統(tǒng)主泵1、2的能量供應和各執(zhí)行元件的能量消耗計算式(即瞬時功率對循環(huán)時間求積分)為:

(7)

式中:E—瞬時功率,kW;j1—循環(huán)起始時間;jn—循環(huán)結(jié)束時間。

挖掘機進行100次挖掘裝車作業(yè),其液壓系統(tǒng)能量消耗及效率統(tǒng)計,如表3所示。

表3 液壓系統(tǒng)能量消耗及效率

3 液壓系統(tǒng)改進

在挖掘裝車循環(huán)作業(yè)過程中,根據(jù)各液壓缸伸縮位移變化的分析結(jié)果可知:在挖掘的前半段,雖然有雙泵流量同時供應動臂、斗桿和鏟斗,但對動臂流量的分配較小;而在后半段,雙泵流量又幾乎全部供應動臂,因而未實現(xiàn)對雙泵功率的有效利用。

在動臂下放過程中,可有效利用重力勢能和再生功能,以降低對主泵功率的消耗,提高功率利用率。

液壓挖掘機屬于典型多執(zhí)行器系統(tǒng),其典型特點是多執(zhí)行器并行,動作及負載頻繁變化,這就要求其液壓系統(tǒng)必須具有較好的流量分配特性[22]。

為此,筆者對挖掘機的液壓系統(tǒng)進行了改進,其改進原理圖如圖3所示。

圖3 液壓系統(tǒng)改進原理圖

圖3中:

(1)增加了鏟斗大腔限流閥,限制了挖掘過程中主泵對鏟斗的流量供應,分流出部分流量給動臂提升,提高了動臂和鏟斗運動的協(xié)調(diào)性;

(2)增加了斗桿液壓缸伸出時的再生功能,減小了對主泵的能量消耗,同時斗桿的運動速度加快,提高了挖掘過程協(xié)調(diào)性;

(3)增加了動臂下降再生功能系統(tǒng)單元,合理利用自身重力勢能,減小了小動臂下降對主泵的能量消耗。

筆者通過對其控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié),來實現(xiàn)挖掘機液壓系統(tǒng)的各項功能,具體的過程如下:

在挖掘過程中,控制多路閥1、2、3處于右位,控制系統(tǒng)對比例電磁閥2的開口大小進行比例控制,使斗桿小腔回路保持一定壓力,頂開斗桿再生閥,部分回油與斗桿大腔合流,實現(xiàn)流量再生功能;

控制比例電磁閥3完全打開,保證開口最大,同時控制動臂再生閥的背壓閥處于右位,靠進油壓力關(guān)閉再生功能。動臂下降時,動臂再生閥的背壓閥處于左位,控制比例電磁閥3開口大小,使動臂大腔回油背壓大于動臂再生閥的彈簧壓力,再生閥打開,部分流量與小腔進油合流,實現(xiàn)動臂下降勢能的轉(zhuǎn)換利用。

4 試驗及分析

4.1 對比試驗

試驗挖掘機液壓系統(tǒng)改進前后,筆者在同樣土壤條件的試驗場地,由同一名駕駛員,按照統(tǒng)一的操作標準,進行100斗挖掘裝載試驗對比。

挖掘裝載試驗現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 挖掘裝載試驗現(xiàn)場

筆者提取其中任意連續(xù)的2個挖掘裝載試驗過程,來對比分析液壓系統(tǒng)改進前后的功率利用率。

改進前后的功率利用率對比結(jié)果如圖5所示。

圖5 改進前后的功率利用率對比

由圖5可知:

在挖掘后半段和動臂下放過程中,功率的利用率有明顯提高,尤其是動臂下降再生功能的增加,使得其功率的利用率瞬間可達到主泵功率的2倍,因而其提升效果十分明顯。

4.2 液壓系統(tǒng)效率統(tǒng)計

根據(jù)液壓系統(tǒng)效率統(tǒng)計方法,改進后的能量消耗及效率統(tǒng)計如表4所示。

表4 改進后的能量消耗及效率

對100次挖掘裝車作業(yè)循環(huán)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析可知:

(1)動臂、斗桿、回轉(zhuǎn)馬達的能量利用都有所增加;

(2)由于增加了鏟斗大腔限流閥,鏟斗運動能量消耗有所降低;

(3)液壓系統(tǒng)綜合效率達到了70.54%,比改進前提高了5.5%,提升效果明顯。

5 結(jié)束語

筆者以某21 t級挖掘機為研究對象,圍繞挖掘機挖掘裝車的作業(yè)過程,基于數(shù)據(jù)采集方式和功率利用率分析方法,對其工作裝置的液壓系統(tǒng)及其控制策略進行了改進,最后通過實際的對比試驗,對改進前后挖掘機液壓系統(tǒng)效率的提升進行了驗證。

研究結(jié)果表明:

(1)挖掘機液壓系統(tǒng)改進后,進行100次挖掘裝車試驗,結(jié)果表明,主泵輸出功率有所降低,但動臂和斗桿液壓缸利用功率卻有所提高,循環(huán)作業(yè)過程中液壓系統(tǒng)綜合利用率提高了5.5%;

(2)通過增加動臂下降再生功能和斗桿伸出再生功能,可有效降低對主泵的輸出功率消耗,節(jié)能效果明顯;

(3)通過增加鏟斗大腔限流功能,使挖掘過程中主泵的流量在動臂和鏟斗之間的分配更加合理,提高了工作裝置的協(xié)調(diào)性。

后續(xù)的研究工作中,筆者將針對回轉(zhuǎn)單元的功率利用率,進一步研究工作裝置與回轉(zhuǎn)單元液壓系統(tǒng)的綜合改進,對液壓系統(tǒng)效率的綜合提升效果。