一种用于挖掘机的液压控制系统设计

秦 冲

(三门峡职业技术学院，河南 三门峡 472000)



一种用于挖掘机的液压控制系统设计

秦 冲

(三门峡职业技术学院，河南 三门峡 472000)

挖掘机在工作过程中制动频繁，能量损耗大，为了回收制动回转过程中的能量，设计了液压混合动力挖掘机的回转系统，利用蓄能器回收制动能量，同时阐述了液压混合动力的工作原理，并进行了试验研究和分析.结果表明：液压混合动力降低了液压泵的功率损耗和液压马达的压力波动.在节能方面蓄能器的能量回收效率达到74.75%，达到了节能的目的.

液压混合动力；挖掘机；能量回收；试验研究

0 引言

液压混合动力主要的元件为储能器，作为新兴的动力技术而适用于控制系统中，主要是靠液压泵及马达实现了能量的转化.与传统的混合动力相比，该技术能够提高功率、缩短能量转换时间且具有很强的能量储存功能.更重要的是若遇到多变载荷及复杂工况的时候能起到节能且减排的作用[1]51，所以，液压混合动力已作为国家所提倡的一门技术来使用，主要用于普通车辆及工程机械的控制系统上.经统计，使用该项技术后，车辆及工程机械在工作过程中能源可节省28%～60%[2]101,[3]112.文章首先设计了一种挖掘机的液压混合动力控制方案，在此基础上对其应用进行实验研究，为挖掘机行业的节能技术的进一步提高提供了一定的理论依据.

1 液压混合动力的原理

液压混合动力系统主要由能量转换元件(液压泵/马达)和储能元件(液压储能器)组成.在停车制动的过程中，泵起到动力源作用，把动能转化成液压能，实现液压油压入蓄能器；在系统启动或者速度增加时，在马达的作用下，蓄能器中的液压油将进行释放，驱动马达工作，又实现了液压能与机械动能的转变.通过分析，液压混合动力主要有串联、并联和混联的驱动方式.串联的工作状态主要表现在液压传动系统中有两种或两种以上的动力源可同时或单独提供动力，而只有一种执行元件驱动负载工作，这种连接方式由发动机、主减速、液压蓄能器和两个液压泵、马达组成.原理如图1所示.

图1 串联混合动力挖掘机结构

并联系统中可以有两种或两种以上的动力源可同时或单独提供动力，且在此系统中实现两个或两个以上相应的执行元件来同时驱动负载，此动力传动系统的组成部分为发动机、主减速、液压蓄能器和液压泵/马达.原理如图2所示.

图2 并联混合动力挖掘机结构

2 混合动力挖掘机液压控制方案的制定

在通过对以上串联和并联液压系统分析的结果表明，并联驱动方式存在技术难度低，结构简单，制造成本低廉等优势，所以本文采用的是并联的驱动方式.并联式液压混合动力一般可以认为是普通液压回转系统和液压能量再生系统的并联.液压能量再生系统由一双向且可逆的液压泵/马达和一个高压蓄能器组成，高压蓄能器存储和释放回转刹车动能[4]122.并联式液压混合动力由一智能型中央电子控制器，它将负责发动机和蓄能器之间的动力切换、信号输出以及回收刹车能量.液压混合动力回转系统原理图设计如图3所示.

图3 液压混合动力回转系统原理图1-变量液压泵；2-先导泵；3-电磁比例减压阀；4、8、9、13-压力传感器；6-操作手柄；7、17-溢流阀；10-控制器；11、15、23、24、28、29-单向阀；12、20、21-电磁比例调速阀；14-多路阀；16-负流量控制节流阀；18、19-液压锁；25-蓄能器；30-回转马达/泵

3 试验研究及结果分析

3.1 试验结果分析

本文所设计的挖掘机动力系统，主要是通过动力模式开关来选择动力模式，控制器在经过控制信号输入后有相应的控制电流输出，且根据所选择的动力模式不同，其输出的控制电流值也有所不同.因此，在经过电液比例压力阀转变后，其控制压力的值也会发生变化.本文所研究的挖掘机的工作模式有：H模式为重载模式，S模式为标准模式，FC模式为轻载模式，D为独立行走模式.本文的实验研究是让挖掘机处于重载模式下进行，也就是本文所说的H模式，其载重选择是2×104kg，根据其工况标准进行实验，挖掘机工作的参数主要表现为：让挖掘机在2×104kg的重载下连续挖掘5 min左右，且循环18次，可以根据其挖掘周期中的各参数量值来显示其对应的关系，从而反映出挖掘机动力系统的整体情况.所得到的曲线图如图4、5、6所示.

图4 连续挖掘液压泵功率曲线

图5 n1周期液压系统输出功率曲线

图6 n2周期液压系统输出功率曲线

图4为挖掘机连续挖掘时的液压泵工作过程中的功率曲线，从中可以得出挖掘机在挖掘的过程当中两泵输出功率基本保持一致.还能得出其中的主单泵的输出功率大致为42 KW，而从图4中还能看出双泵输出总功率大致为84 KW左右.在每个挖掘周期中的挖掘功率基本相同，且呈现周期性变化.通过分析单周期各阶段功率变化可判断各阶段功率损耗，双泵功率输出情况等.选取整个挖掘周期中第n1周期、第n2周期的功率曲线进行分析.从图5第n1周期与图6第n2周期单周期液压系统输出功率曲线来看，挖掘机在初始工作阶段，其泵的输出功率出现严重的抖动，但当满载的动臂提升回转90°时其双泵输出功率处于稳定状态，斗杆、铲斗卸载工况下系统输出功率变化剧烈，空斗回程液压系统输出功率急剧下降.

3.2 系统控制效果分析

通过以上分析结果，根据挖掘机的工作过程，则其在制动时，设蓄能器的工作压力从p1升到p2，体积从v1下降到v2，蓄能器进行制动能量的回收，其回收的能量E1为外界对蓄能器内气体所做的功，根据热力学第一定律有：

(1)

由测试结果可知，蓄能器在制动过程中的压力和体积的变化如下：

p1=24.53MP p2=27.58MP

V1=8.46L V2=7.62L

将p1p2V1V2代入式(1),得蓄能器回收的能量为E1=18.56KJ

挖掘机在制动过程中，由于回转装置惯性而损失的能量计算公式为：

(2)

4 结语

本文根据液压混合动力的链接方式及工作情况设计了挖掘机的工作系统方案，论述了该系统的工作原理及工作情况，且对系统进行了实验研究及分析，通过实验可以得到其在重载情况下泵的输出功率情况，通过试验研究结果并通过计算可以得出：该液压混合动力回转系统在一定程度上降低了液压泵的功率损耗和液压马达的压力波动；油液混合动力回转系统中，蓄能器的能量回收效率达74.75%，达到了节能的目的.

[1] 姜继海,赵春涛，孟兆生.二次调节静液压传动在城市公交车辆驱动中的节能技术研究[J].中国机械工程，2001,12(03).

[2] 姜继海.二次调节静液压传动闭环位置系统和PID控制[J].工程机械，2000(05).

[3] 张银彩，苑士华，胡纪滨.城市公交车辆液压节能装置的研究[J].农业机械学报，2007,38(06).

[4] 王冬云,潘双夏，林 潇，等.基于混合动力技术的液压挖掘机节能方案研究[J].计算机集成制造系统，2009(01).

[责任编辑 梧桐雨]

Design of Hydraulic Control System for Excavator

QIN Chong

(SanmenxiaPolytechnic,Sanmenxia472000,China)

In the work process, the excavator brakes frequently with a result of big loss energy.The rotating system of hydraulic hybrid excavator is designed in order to recover the energy during braking. It uses the accumulator to recover the braking energy. And the experiment research and the analysis are carried on. The results show that the hydraulic hybrid power reduces the power loss of the hydraulic pump and the pressure fluctuation of the hydraulic motor. In the aspect of energy saving, the energy recovery efficiency reaches 74.75%, which achieves the purpose of energy saving.

hydraulic hybrid power; excavator; energy recovery; experimental study

2016-03-28

秦 冲(1982- )，男, 河南三门峡人，三门峡职业技术学院讲师，硕士，主要从事机电控制工程研究。

1671-8127(2016)05-0063-04

TU621

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