基于負流量的挖掘機極限負荷控制系統研究

車濤，陳建河，李霞，鐘玉那，薛春標，張本成

(1.湖南江麓重工科技有限公司，湖南湘潭 411100；2.江麓機電集團有限公司，湖南湘潭 411100)

液壓挖掘機是重要的建筑施工機械設備之一，研究其節能技術有著重要意義。國機重工黃鳴輝等［1］進行了負控策略的研究，中南大學何清華等［2］探討了負控節能方案，廣西柳工機械蔡登勝等［3］研究了功率控制的電控系統，得出了很多有益的結論。但傳統負流量控制技術因功率可調范圍窄，因此造成發動機輸出功率過剩而產生功率浪費，也會造成因發動機負荷率過大而產生功率不足，使發動機在工作過程中熄火，這一問題一直沒得到很好解決。針對這一情況，文中提出基于負流量的極限負荷控制系統，減少系統由于轉速過高而產生過大的功率余量，提高發動機全轉速范圍內的功率利用率，通過試驗驗證，節能效果明顯。

1 負流量控制系統

負流量控制簡圖如圖1所示，液壓泵工作時輸出的油液通過操縱閥 (換向閥)閥桿時將控制油分成兩部分:一部分進入液壓缸或液壓馬達做功，為有效流量，另一部分通過閥中位回油道回油箱，為浪費流量。為減少浪費的流量，通過在操縱閥中位回油道增設一個節流孔，將節流口前壓力pi引至液壓泵排量調節機構來控制液壓泵的排量。通過節流孔的流量越大，則它的先導壓力pi越大，調節液壓泵的排量越小。因泵變量機構的控制壓力 (先導壓力)pi與泵排量呈反比關系，所以稱為負流量控制。

圖1 負流量控制簡圖

圖2所示是一個發動機的萬有特性圖，等油耗曲線為一系同心圓，越接近內圈，耗油量越小，最內圈是油耗最小的區域，圖中陰影區域為負流量控制系統中液壓泵的工作區域。一般情況下，為了保證低速不熄火，液壓泵的最小吸收扭矩Mmin限制在發動機外特性最低點之下，使發動機在轉矩輸出最小時仍可滿足泵所需的功率，保證挖掘機穩定運行。液壓泵在負流量模式控制下，功率調節范圍為15%左右，而發動機最大扭矩與高低怠速最大扭矩差達到40%左右［4］，至使泵的最大吸收扭矩Mmax一般在處于發動機最小輸出扭轉之下或略有提升，遠小于發動機最大扭矩。

圖2 發動機萬有特性曲線和泵的工作區域

觀察圖2可知，由于挖掘機受到液壓泵最大吸收轉矩的限制，當到達液壓泵功率的設定上限時，駕駛員無論如何操縱，挖掘機的工作速度都不會更快。也造成發動機在最大扭矩點對應轉速工作時，液壓泵不能有效地吸收輸出功率，嚴重浪費發動機功率。同時使液壓泵工作區間偏離最小油耗區域過大，耗油量大。

2 負流量極限負荷控制系統

針對負流量控制系統中出現的問題，如果液壓泵的功率能隨工況的變化而完全調節或擴大調節范圍，則液壓泵將會隨著負載的變化盡可能多地吸收發動機的功率，基于此開發了應用于挖掘機的負流量液壓系統極限負荷控制系統。具體措施如圖3所示，將液壓系統的負流量反饋回路取消，在多路閥負流量反饋口增加壓力傳感器，并在主泵的兩個負控制壓力口各增加一個電比例減壓閥。同時通過合理調節排量調節機構內彈簧預緊力，使主泵扭矩略大于發動機最大扭矩，可避免系統進入恒功率調節區。

圖3 負流量極限負荷控制系統原理簡圖

在正常工作時，控制器通過采集主泵輸出口壓力、主閥負流量反饋口壓力、發動機轉速、油水溫度、模式擋位等信息，綜合判斷后輸出比例減壓閥電流，從而改變比例減壓閥輸出壓力pf，即pf=f(Is)。在輸出壓力pf的作用下，決定了液壓泵的起調壓力點，也決定了液壓泵的輸出功率大小。進而控制液壓泵的變量機構，使液壓泵的排量發生變化，形成連續的功率特性曲線。也可知，此時液壓泵的斜盤擺角僅受到電比例減壓閥的控制，因此解決了圖1中傳統負流量控制系統中扭矩比例閥對兩泵扭矩調節范圍過小的問題。其發動機萬有特性曲線和液壓泵的工作區域如圖4所示。

圖4 發動機萬有特性曲線和液壓泵的工作區域

如圖4所示，通過控制器的調節作用，可使泵的功率變化范圍大于發動機的功率變化范圍。當泵吸收功率大于發動機輸出功率時，可等比例降低兩泵的排量;當泵吸收功率小于發動機輸出功率時，可等比例提高兩泵的排量或自動降低發動機轉速，控制發動機和主泵按負載的需求輸出。因而可使液壓泵和發動機工作在預定的最佳狀態下，可完全吸收發動機的功率，達到充分利用發動機功率的目的，提高作業效率(高效模式)。同樣，可根據萬有特性經濟油耗點匹配，達到高效節能的目的 (經濟模式)。

與挖掘機傳統的負流量控制系統相比，挖掘機極限負荷控制系統的主要優勢在于:(1)主泵功率調節范圍較寬，可以在發動機全轉速范圍內實現100%的功率利用，取消了功率儲備;(2)實現了雙泵排量的獨立調節，以泵輸出需求流量為目的，轉速調節靈活;(3)可以實現智能可變的壓力切斷，使系統壓力控制在設定的切斷壓力值之下，減小溢流閥的泄油損失;(4)泵經常工作在大排量，效率高;(5)可實現發動機轉速根據流量和功率需求自動調節;(6)對于突變載荷，液壓泵有更好的適應性，操作性更好。

3 應用實例

為驗證負流量極限負荷控制系統的效果，在某公司的CN330履帶式液壓挖掘機上進行了對比試驗。試驗條件:針對兩種控制方法的特點分別進行了實地挖掘，將油門旋鈕依次從6擋旋轉到10擋，每擋操作30 min，挖掘機回轉90°，挖深3 m，卸載高度4 m。為提高試驗精確性，重復進行試驗，測試3組數據，整理后取平均值，其挖掘效率和油耗曲線分別如圖5、6所示。

圖5 兩種系統挖掘次數的對比圖

圖6 兩種系統單斗油耗的對比圖

通過觀察圖5、圖6可得出:在單位時間內，極限負荷控制系統比負流量系統挖掘在相同擋位下，作業效率高，單斗油耗小，特別是在大功率極限作業環境 (10擋)時，表現更為突出，最大可提升7%的作業效率，減小10%的油耗，符合極限負荷控制系統的特點。

4 結束語

負流量控制克服了主泵總在最大流量、最大功率和最大壓力的極端狀況下工作，減少了系統的空流損失［5］，取得明顯的節能效果。然而，傳統的負控系統在液壓泵與發動機匹配時，存在發動機功率不能充分利用的問題，為此作者開發了一種新的極限負荷控制系統。通過理論分析和試驗驗證等手段，證明了極限負荷控制系統在作業效率、油耗、操作性等方面有很大優勢，為節能技術研究提供了一種新方法。

［1］黃鳴輝，殷鵬龍，王劍波，等.液壓挖掘機功率極限控制研究［J］.建筑機械化，2012(12):39-42.

［2］何清華，郝鵬，常毅華.基于液壓挖掘機節能系統研究［J］.機械科學與技術，2007，26(2):188-191.

［3］蔡登勝，初長祥，孫金泉，等.液壓挖掘機功率控制系統開發［J］.工程機械，2012，10(43):37-65.

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

［5］郭雄華，曹顯利.挖掘機負流量液壓系統的控制特性分析［J］.液壓與氣動，2011(5):55-57.