小型液压挖掘机三泵系统的匹配

韦家义/WEI Jia-yi

（广西玉柴重工有限公司，广西 玉林 537005）

随着挖掘机市场与技术的发展，三泵系统得到了广泛应用，成为了1.5～6吨系列小型液压挖掘机（以下简称小挖）液压系统的主流。其中，日韩系以久保田、洋马、石川岛、斗山等为代表，欧美系以威克诺森、卡特彼勒等为代表，国内以玉柴、山河智能等为代表。不同主机厂的小挖性能表现良莠不齐。三泵系统对整机的性能表现起到决定性作用。三泵系统涉及较多的技术问题，主要涉及主泵的选择、功率匹配、液压多路阀逻辑策略等方面。本文从主泵的选择、功率匹配方面进行研究分析，为小挖的新产品研发与技术性能提升，提供一些决策参考。

1 三泵系统特点

三泵系统之所以成为小挖液压系统的主流，主要有如下几个特点。

1）节流恒功率控制三泵三回路系统。

2）主泵具有恒功率调节排量的功能。

3）液压多路阀可实现行走安全、直线行走、阀内合流、动臂优先、斗杆再生等功能。

4）可匹配出颇佳操纵性能。

5）可匹配出较低的油耗水平。

2 三泵系统解析

图1所示是一种典型的三泵系统。三泵系统是由主泵、液压多路阀及执行元件组成的液压系统。主泵设置的四个液压油泵中，P1泵提供给动臂和铲斗压力油源，P2泵提供给斗杆压力油源，P3泵提供给回转压力油源，Ps泵提供给先导控制油源。通常将主泵中的P1泵、P2泵、P3泵称为三泵系统中的“三泵”。“三泵”与液压多路阀组成的压力控制系统，通过不同的策略来实现对挖掘机大臂、小臂、回转的控制。

图1 一种典型三泵系统简图

目前，主要有KYB主泵和KYB多路阀组合、KYB主泵+Nabotesc多路阀组合、Nachi主泵和Nabotesc多路阀组合组成的三泵系统。不同的主机厂采用不同的主泵和液压多路阀，且由于参数设置不同，控制逻辑不同，挖掘机的性能各不相同。

有的主机厂完全模仿进口品牌的，有的主机厂自主匹配但效果却差强人意。正所谓“好机子是匹配出来的”，而匹配的第一步需先从主泵开始。

图2所示是三泵系统采用的一种主泵型式，图3所示是该主泵的P-Q曲线图。

P1泵和P2泵为变量轴向柱塞泵，P3泵为定量齿轮泵，P4泵为定量齿轮泵。P1泵与P2泵间设有联动机构，各自出口的压力变化都会作用于彼此；P3泵也作用于该联动机构，P3泵的压力变化对P1泵与P2泵产生影响；该联动机构同时受到弹簧的作用，弹簧的性能对P1泵、P2泵和P3泵产生影响。

图2 一种三泵系统的主泵原理图

图3 三泵系统主泵的P-Q曲线图

图4 双弹簧三泵系统功率曲线图

3 三泵系统的匹配

3.1 三泵系统功率曲线拟合匹配

目前，调整恒功率曲线的结构主要有双弹簧、单弹簧杠杆、契形单弹簧杠杆三种，拟合精度依次递增。由于可靠性及制造成本相对较低，80%以上都以应用双弹簧结构为主。

图4所示为双弹簧三泵系统功率曲线图。双曲线弹簧与二次曲线的拟合精度约为±3%，超过这个幅度容易出现功率低调或超调，调整幅度与设计的功率曲线越远值越大。

匹配功率线时，要按既定设计功率来调整功率曲线，或者重新调定两条弹簧的压缩量来拟合恒功率曲线。

在低调区，整机操作上容易出现失速现象，有动作无力的感觉；在超调区，机械泵由于功率超调，容易出现发动机转速下降冒黑烟现象。

三泵系统是一种全功率联动压力自身反馈恒功率控制，P3泵为定量泵，当P3的压力变化时，功率为线性上升，吸收了P1和P2柱塞泵的功率，因此，P1、P2两泵功率在最大值与最小差值间变化。由于调节功率的弹簧的构造问题，容易出现P3泵不吸收功率时，在高压阶段，实际发挥功率比理论曲线低的现象，出现能耗虚假现象。P3泵用于独立控制回转动作，P3泵功率越大，能耗就越高，P1和P2泵就越容易进入恒功率区的极限位置，也就是斜盘最小摆角，偏离正常恒功率控制模式。

三泵系统逻辑控制简单，各单动作未进入恒功率控制，在低速阶段，速度会感弱些。在挖掘循环中，除了挖掘阶段进入恒功率外，其余阶段很难进入到恒功率阶段，除非压力很高。提臂+回转阶段主要受动臂和回转流量配比的控制，压力会按提臂压力变化控制，功率发挥较低，油耗也就较低，但动臂提升和协调性就会差些，装车效率也就会差些。

从另一方面看，P3可以当成为介入功率，那么三泵系统就可以从交叉功率来解释，即通过P3泵的介入，改变了P1、P2泵的起调压力；P3泵压力越大，P1、P2泵起调点越低，功率也就越小，剩余的功率被P3泵吸收。

3.2 三泵系统的主泵与发动机匹配

挖掘机性能取决于系统的匹配，匹配旨在降油耗与提高操纵性能。

挖掘机液压功率匹配旨在充分发挥发动机的动力性和经济性，使发动机高效工作的同时能耗最低。

发动机功率匹配的关键是发动机工作点的确定。

发动机与泵的功率匹配存在两方面需协调控制：一是从负载出发，使发动机的输出转速及扭矩适应负载的需求；二是从发动机出发，尽量使发动机工作在高效区，充分利用发动机的功率，并兼顾良好的经济性。

发动机的输出功率为

泵的吸收功率为

发动机与泵同轴相连，转速相同

忽略轴系的机械传动功率损失，发动机与泵的功率匹配应满足

当转速波动较大时，通过调节泵的排量，使泵的稳态扭矩不变，使得

降低发动机的转速波动，使发动机能够稳定运行在目标工作点，从而实现发动机与泵的匹配控制。

油耗的理论计算，按

式中Ne—发动机输出功率，kW；

Me— 转矩，Nm；

ne—发动机转速，r/min；

Np—泵的输出功率，kW；

Pp—泵出口压力，MPa；

Qp—泵出口流量，L/min；

qp—泵的排量，ml/r；

np—泵的转速，r/min；

Mp—泵的吸收发动机的转矩，Nm；

ge—等比油耗；

h—发动机负荷率；

hp— 总效率（液压泵的容积效率hB、机械效率hJ、功率储备系数hC）。

r—燃油密度，g。

3.3 液压功率取值范围

经验算法一 液压功率=发动机功率-附件功率(15%)-储备功率(6%～15%)。

经验算法二 液压功率=发动机功率/功率系数，功率系数取1.1～1.3。

经验算法三 液压功率=液压功率系数×整机重量，液压功率系数取4.3～4.5。

从经验算法可知，初算得到的液压功率是一个范围值，不同的主机厂匹配出不同的液压功率。

从生产实践可知，液压功率取值大，则发动机负荷过大，油耗高；反之，油耗小；但如过小，又会影响动力性能，效率就会减弱。

3.4 挖掘效率与能耗、液压功率

从挖掘循环所产生的能量消耗和能量损失推导可知，三者之间存某种关系：

其中，挖掘效率h和能耗Et是二次曲线关系，而挖掘效率h和液压功率W是三次曲线关系，都是开口向上的抛物线，图5为挖掘效率与能耗、液压功率曲线图。

这种三者间的相互关系告诉我们：如果从提高挖掘效率考虑，就可能会导致能耗（h的2次方）、液压功率（h的3次方）迅速增加；反过来说，如果适当降低挖掘效率，就可以较大降低液压功率和能耗。当然，如设置过低的挖掘效率，操作者往往会采用高转速档来弥补，这反而造成整机油耗增加。所以，匹配过高或过低的挖掘效率都不符合经济性。

图5 挖掘效率与能耗、液压功率曲线图

3.5 泵的合流与能耗

图6是一种三泵P-Q特性曲线。采用三联泵P1+P2+P3形式，三泵系统在作业循环中，用到的全部功率的占比稍低，如提臂动作，基本采用P1或P1+P3合流或P2+P3合流，不管是哪种，都不是3个泵同时作用，而是1个或2个泵发挥部分功率而已。部分主机厂设置了P1和P2合流给动臂，其实是一种浪费，应该更关注P3泵的合流策略。

图6 一种三泵（P1+P2+P3）系统P-Q特性曲线图

4 三泵系统匹配的其它方面

三泵系统的匹配，除了需关注性能外，还需关注排放、成本及安装等方面。小挖一般采用小排量发动机+柱塞式马达的组合，微小挖一般采用小排量发动机+摆线马达的组合。小排量发动机不但更好地满足排放要求，而且成本更低，特别是对于无尾机型来说，发动机舱的空间非常紧张，小排量发动机更好布置。微小挖采用摆线马达，成本也更低。当然，也有部分主机厂，采用大排量发动机匹配三泵系统的，这样动力性更强。

5 结束语

小挖的整机性能表现取决于三泵系统的匹配及其关键元件的选型（主泵与液压多路阀）。如果对三泵系统研究分析更加深入透彻、要求更加明确细化，就会大大缩短样机调试时间，加快量产进程，从而节约人力、物力与财力；否则，后续再怎么整改也只是小改小革，难以达到预想效果。本文未对多路阀的逻辑控制策略进行研究分析，需要主机厂根据自身的需要进行研究与匹配。

[1]陈国俊.液压挖掘机[M].武汉：华中科技大学出版社，2011.

[2]胡 勇.一种挖掘机三泵开式节流液压系统的合流方式的分析[J].液压气动与密封，2005，(5)：43-44.