基于液壓泵效率的挖掘機節能研究

吳文海，楊宇瀾，劉桓龍，王國志

(西南交通大學機械工程學院，四川成都610031)

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

上式中，把間隙內油液的流動看成為層流，忽略了運轉中間隙的變化以及油液壓縮性的影響。可以看出:影響液壓泵效率的參數主要為壓力、轉速和排量比。

在工程機械中，液壓挖掘機有著應用量大但能量利用率較低的特點，挖掘機的節能研究一直有著十分重要的意義。在國內，液壓挖掘機的傳統節能研究主要是在改進液壓系統(如正、負流量控制系統，負荷傳感控制系統)和實現發動機與負載的適時匹配等方面，而現階段主要集中在對油電或油液混合動力系統在挖掘機中的應用以及高能耗裝置(動臂、回轉系統等)能量回收的研究［1－4］。而作為液壓挖掘機驅動系統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，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，由摩擦所產生的機械損失會造成液壓泵轉矩的丟失，從而引起機械效率的降低;而由泄漏所產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。但根據眾多學者試驗研究，總結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;Δp 為進出口壓差;μ 為油液動力黏度;n 為泵轉速;β 為排量比;CV為層流阻力系數;Cf為機械阻力系數;Tc為與進出口壓差和轉速無關的一定的轉矩損失;Vmax為泵全排量。

上式中，把間隙內油液的流動看成為層流，忽略了運轉中間隙的變化以及油液壓縮性的影響。可以看出:影響液壓泵效率的參數主要為壓力、轉速和排量比。

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來對液壓泵的流量、壓力、功率進行調節的。根據控制形式的不同，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節，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果分析

依據上面介紹的變量柱塞泵的效率計算公式及泵的結構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。現通過建模仿真來分析壓力、轉速和排量比分別對泵效率的影響。如圖2所示，為當轉速與排量比一定時，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:當轉速一定、不同排量比下，變量泵效率與壓力的關系曲線;當轉速一定、不同壓力下，變量泵效率與排量的關系曲線;當壓力一定、不同排量比下，變量泵效率與轉速的關系曲線。

圖2 液壓泵的效率曲線

圖3 變量泵效率與壓力Δp 的關系

圖4 變量泵效率與排量的關系

圖5 變量泵效率與轉速的關系

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動機轉速的增加而增大，在中高速區趨向于最大值;

(3)當該挖掘機的發動機在中高轉速、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，當該泵的排量小于50 mL/r，即排量比小于0.43(精細作業)時，泵的效率會低于80%;

(5)對于液壓挖掘機來說，除怠速狀態外其發動機的轉速一般都工作在高速區，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控制的一個重要參數。

3 挖掘機的建模仿真與結果分析

3.1 液壓泵挖掘機的建模

由前面的分析可知，當液壓挖掘機精細作業時，變量泵的效率會大幅降低，而長期的精細作業必然會造成過多的能量損失。在挖掘機中適當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降低泵的轉速。但在一定負載條件下，要降低泵的轉速，就需要使發動機的轉速降低，從而使發動機的工作點偏離最佳經濟工作點，造成油耗的增加。因此，要在不影響發動機工作點的條件下減低泵的轉速，就需要在發動機與泵之間加裝一個減速機。行星齒輪減速機能夠調節到所需要的轉速，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 公司生產的KVMG 系列多路閥和日本川崎公司生產的K3V 系列雙聯泵，并采用負流量和全功率液壓控制系統。此次仿真除了用HCD 庫搭建多路閥和變量泵的模型外，還將其動力系統改為油電混合動力系統建模，搭建了計算燃油消耗簡化的發動機和減速機模型，加入動臂能量回收系統，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)將控制器設為重載、中載、輕載和精細作業4 個工況，發動機依據負載標準設定3 個不同功率下的最佳經濟工作點，操作員根據判斷選擇工況模式;

(2)精細作業工況時，減速機控制開啟，并根據泵的排量比(變量柱塞泵的斜盤傾角)進行比例調節，控制泵的轉速;

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

3.2 仿真結果分析

此次仿真是在精細作業工況下以液壓挖掘機標準作業循環為一個仿真周期，其作業周期為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:采用減速機調節的模型的發動機油耗量為66.0 g，電池的SOC 值為82.1%;未采用減速機調節的模型的發動機油耗量為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，即采用減速機調節模型在精細作業時提高了泵的效率，相比未采用減速機調節的模型油耗量下降了16.5%。

4 結論

液壓挖掘機在精細作業時，變量泵的效率會大幅降低，而長期的精細作業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控制的一個重要參數，采用減速機調節泵的轉速并增大轉矩，可以在盡量不影響執行機構速度要求和發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、實現了節能。

［1］吳文海，柯堅，李培，等.混合動力液壓挖掘機節能的研究［J］.建筑機械，2011(6):90－92.

［2］王冬云，管成，潘雙夏，等.液壓挖掘機功率匹配與動力源優化綜合控制策略［J］.農業機械學報，2009，40(4):91－95.

［3］姜繼海，于斌，于安才，等.基于能量回收再利用的液壓挖掘機回轉系統節能研究［J］.流體傳動與控制，2011(6):7－10.

［4］李培.混合動力挖掘機動臂能量回收系統研究［D］.成都:西南交通大學，2011.

［5］姚懷新.工程車輛液壓動力學與控制原理［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［6］呂愛玲，姜有山，鄒廣德，等.全液壓推土機液壓驅動系統變量泵效率研究［J］.農業裝備與車輛工程，2010(5):11－14.

［7］秦家升.挖掘機液壓系統研究［D］.長春:吉林大學，2005.

［8］王超.淺析液壓工程機械中泵與發動機的匹配問題［J］.水利水電施工，2009(5):82－85.

［9］陳桂芳.挖掘機負流量控制液壓系統建模仿真及能耗分析［D］.長沙:中南大學，2011.

［10］何清華，劉昌盛，龔俊，等.一種液壓挖掘機并聯式混合動力系統結構及控制策略［J］.中國工程機械學報，2011，9(1):48－53.