液壓挖掘機回轉系統能耗的實驗研究

劉鋒，長征

液壓挖掘機回轉系統能耗的實驗研究

劉鋒，黃長征

（韶關學院，物理與機電工程學院，廣東韶關512005）

對于中大型液壓挖掘機，由于回轉平臺轉動慣量大、回轉動作頻繁，回轉系統能量損失很大.以某23T液壓挖掘機為例，介紹了分析液壓系統能耗的一種實驗方法，對回轉系統的能耗進行實驗分析與研究.結果表明:發動機-液壓泵-外負載功率不匹配和換向閥口壓力損失嚴重是造成回轉系統能耗大的兩個主要原因.在此基礎上，以減小回轉系統能耗損失為目的，對回轉系統的設計提出優化方案.

液壓挖掘機；回轉系統；節能；實驗

液壓挖掘機作為一種廣泛應用于建筑施工行業的工程設備，燃油能量利用率僅為30%左右，能耗大、發熱大是制約其性能提高的關鍵因素；同時，當今社會的能源短缺也讓節能性成為衡量挖掘機性能的一個重要指標［1］.據統計，液壓挖掘機工作過程中，回轉系統能量消耗約占整個工作循環的25%～40%，發熱量占液壓系統總發熱量的30%～40%［2］.對回轉系統進行能耗分析，提高回轉系統能量的利用率至關重要.

目前，對回轉系統節能性的研究主要針對回轉制動能量的回收.如日本KOMATSU公司提出混合動力液壓挖掘機技術，以電機代替液壓馬達驅動回轉平臺，建立蓄電池儲存電壓控制技術，實現了制動能量的回收利用［3-4］.在國內，有學者提出次級調節回轉系統的節能原理及在開式回轉油路中加蓄能器的方案，但由于挖掘機工況復雜，負載不確定，回轉平臺正、反轉頻繁，這些技術的發展受到一定的限制［5-7］.以某23T中型液壓挖掘機為研究平臺，設計實驗方案進行能耗分析.并在此基礎上，提出優化方案，提高回轉系統的能量利用率.

1 實驗設備

1.1 實驗樣機

本實驗采用某23T中型液壓挖掘機作為實驗樣機，液壓挖掘機是典型的多執行元件工程設備，執行元件包括：動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸、回轉馬達、行走馬達.該液壓挖掘機采用開中心節流雙泵雙回路液壓系統，包括直通供油路、并聯供油路兩條供油回路，以節流調速的方式實現流量分配［8］.泵1直通供油順序為：左行走馬達、回轉馬達、動臂合流、斗桿油缸；泵2直通供油順序為：右行走馬達、鏟斗油缸、動臂油缸、斗桿合流.泵1供油給回轉馬達的同時，通過動臂合流閥并聯供油給動臂油缸，回轉（含動臂）液壓系統工作原理簡圖如圖1所示.

1.2 實驗儀器

本實驗采用的儀器包括：手持式液壓測試儀Multi-system5060一臺，該測試儀器配合壓力傳感器和流量傳感器可實時測量和顯示系統的壓力、壓差、流量和發動機轉速等參數；壓力傳感器共6只，四只量程為0～60 MPa的壓力傳感器用于測量主回路壓力，兩只量程為0～6 MPa的壓力傳感器用于測量換向閥先導口壓力；流量傳感器2只，量程為600 L/min，用于測量泵出口及馬達口的流量；轉速傳感器一只，用于測量發動機轉速；三通接頭若干，用于連接壓力傳感器與流量傳感器.

圖1 回轉液壓系統工作原理簡圖

2 實驗方案設計

液壓挖掘機是一種工況復雜的工程機械.由挖掘機典型工作循環可知，工作時回轉馬達一般與動臂油缸復合動作：回轉馬達轉動的同時動臂油缸提升，實現挖掘機裝載過程；回轉馬達轉動的同時動臂油缸下降，實現巖土卸載過程.因此，本實驗將針對回轉馬達單獨動作、回轉馬達與動臂油缸提升復合動作、回轉馬達與動臂油缸下降復合動作三種典型工況，對回轉液壓系統的能耗進行實驗分析.

如圖1所示，挖掘機操作手通過操縱回轉手柄，控制回轉換向閥先導液壓口的壓力，從而改變回轉換向閥的工作位置，使回轉平臺實現左轉、右轉、或停止.由于液壓挖掘機的駕駛室和工作裝置等結構均固定安裝在回轉平臺上，上述部件隨回轉平臺一起運動.操作手可通過操縱動臂手柄，控制動臂油缸換向閥先導液壓口的壓力，改變動臂油缸換向閥的工作位置，使動臂油缸實現舉升、下降、或停止.

根據實驗目的、液壓系統特點及挖掘機工作特性設計測點如圖2所示.單獨回轉試驗時，需測得發動機的轉速、泵1的壓力流量、馬達口的流量、馬達A口壓力、馬達B口壓力、回轉換向閥先導口壓力、動臂換向閥先導口壓力及回轉換向閥入口壓力，在上述位置安裝測點，并接入相應的傳感器；回轉與動臂復合動作試驗時，需測得發動機的轉速、泵1的壓力流量、泵2的壓力、馬達口的流量、回轉換向閥先導口壓力、動臂換向閥先導口壓力、馬達A口壓力、馬達B口壓力和動臂油缸大腔壓力，在上述位置安裝測點，并接入相應的傳感器.其中，回轉換向閥先導口和動臂換向閥先導口壓力是屬于控制壓力，此兩個測點分別接一個0～6 MPa的壓力傳感器，用以分析確定試驗過程的開始和結束.

圖2 實驗測點及傳感器安裝圖

3 實驗步驟

（1）單獨回轉試驗：按試驗方案接好傳感器和液壓測試儀，設定液壓測試儀測試采樣時間為1ms.調整好工作裝置的初始位置，操縱回轉控制手柄，使回轉換向閥處于全開狀態，連續回轉兩周，立即通過控制手柄使回轉換向閥處于關閉狀態.重復兩次，測得相關測點的壓力、流量和轉速信息.

（2）回轉與動臂油缸復合動作試驗：按試驗方案接好傳感器和液壓測試儀.調整好工作裝置的初始位置，使工作斗桿油缸處于最大行程處，鏟斗油缸與動臂油缸均處于最小行程處.試驗過程中，斗桿油缸和鏟斗油缸保持不動，同時使回轉換向閥和動臂換向閥處于全開狀態，實現回轉90度與動臂油缸提升復合動作，立即通過控制手柄關閉換向閥.重復兩次，測得相關測點的壓力、流量和轉速信息.

（3）為方便對數據進行分析處理，利用配套軟件HydroWin下載相關實驗數據，利用Hydro Com軟件進行分析處理.

4 實驗結果及分析

單獨回轉試驗相關測點的壓力、流量及轉速曲線如圖3所示.圖3（a）為泵出口、回轉換向閥入口、馬達A口、馬達B口的壓力曲線，由圖可知，整個回轉動作過程中，泵出口壓力與回轉換向閥的入口壓力相差很小，約為0.5 MPa，而回轉換向閥的入口壓力與馬達A口壓力相差較大，約為2 MPa.這說明回轉換向閥至馬達口產生了較大的功率損失，主要表現為閥口的節流壓差損失.

圖3 單獨回轉實驗主要參數性能曲線

由圖3（a）可知，換向閥在1.42 s開啟，經過0.35 s的時間，換向閥處于全開狀態.在1.77～2.85 s的過程，泵出口壓力持續在31 MPa，壓力峰值達到32 MPa，此階段安全溢流閥為常開狀態，系統產生較大的溢流損失.結合圖3（b）中馬達進油口流量曲線可知，若系統采用定量泵，溢流量高達2.33 L，溢流損失引起的能耗損失約占61.96%.這主要是由于在馬達啟動階段，處于勻加速過程，所需流量較小.而回轉平臺轉動慣量大，馬達轉動所需驅動力矩較大，由圖3（c）可知，此時發動機的轉速也有下降的趨勢.馬達輸出功率呈線性規律增大，如圖3（d）所示.

在2.86～5.20 s的過程中，此階段回轉馬達已有一定的轉速，處于變加速階段，所需流量不斷增加，系統壓力下降至安全溢流閥調定壓力時，安全溢流閥有一個關閉-開啟-關閉的過程.泵的輸出壓力經歷一個明顯的波谷之后逐漸減小，波谷處壓力值為18.4 MPa，發動機的轉速也整體趨于下降.結合圖3（b）中馬達進油口流量曲線和圖3（d）可知，此階段溢流損失明顯減小，溢流損失引起的能耗損失約占32.5%，馬達輸出功率緩慢增大.

在5.20～10.35 s的過程中，回轉馬達已經完成加速過程，開始勻速運動，回轉馬達所需流量保持不變，系統壓力基本不變，發動機轉速基本保持不變.泵的輸出壓力保持為8.2 MPa左右.由圖3（c）可知，發動機的轉速也整體趨于平穩.由圖3（d）可知，馬達的輸出功率基本保持為10 KW左右.此階段系統基本無溢流損失.

在10.36 s時，回轉換向閥關閉，泵的輸出壓力為0，發動機處于待機狀態，即此時液壓系統的輸入功率為0，輸出功率也為0.由圖3（a）可知，由于回轉換向閥突然關閉，回轉平臺由于慣性驅使馬達繼續轉動，在馬達的回油腔B口產生高壓，最高值達到28.7 MPa，形成較大的壓力沖擊，使安全閥頻繁地啟閉，馬達的動能最終轉換為熱能而消失.

同理，根據回轉與動臂復合動作時回轉系統的主要參數曲線進行能耗分析，與單獨回轉時的能耗特性基本類似，在此不再贅述.

5 回轉液壓系統的優化

由實驗結果分析可知，要提高回轉液壓系統的能量利用率、減小系統發熱量，可從以下三方面進行優化設計：

（1）改善回轉換向閥性能.優化回轉換向閥閥芯節流口形狀與尺寸，減小換向閥前后壓差損失；提高換向閥反應靈敏度，縮短回轉換向閥開啟時間.

（2）提高發動機與液壓泵功率的匹配度.發動機是挖掘機液壓系統的動力源.發動機工作在最大功率曲線上時效率最高，工作在最佳油耗比曲線上時最節能.所以，要保持發動機的實際工作點在最大功率曲線及最佳油耗比曲線附近，或某一最優點附近.由實驗分析可知，回轉工作過程中負載變化將引起發動機輸出扭矩的變化，發動機轉速隨之發生變化，繼而使發動機的工作點在外特性曲線上波動.為保證發動機工作在最佳工作點，可根據發動機特性曲線和負載的特性，對發動機采用轉速感應控制和扭矩感應控制相結合的方法，保證發動機輸出扭矩不變，實現泵和發動機的功率匹配，提高能量利用率.

（3）提高液壓泵與回轉馬達外負載功率的匹配度.由實驗結果分析可知，回轉過程中的溢流損失主要出現在定量加速階段，此過程回轉馬達所需的壓力大、流量小.當負載所需要的流量小于泵輸出流量時，系統就產生溢流損失.而當回轉加速過程結束時，負載所需的壓力小、流量大，則回轉系統應采用變量泵系統.對于變量泵，液壓泵出口壓力的大小由負載決定，泵的輸出流量由泵出口壓力和變量機構共同決定.采用負載敏感控制［9］與恒功率控制相結合的變量機構實現最優的P－Q曲線，調節泵的排量，提高液壓系統輸出對負載的適應性，降低溢流損失：當外負載所需壓力增大、流量減小時，通過變量泵的調節機構減小泵的排量；當外負載所需壓力減小、流量增大時，通過變量泵的調節機構增大泵的排量.

6 結論

此用于挖掘機回轉液壓系統能耗分析的實驗方法，可適用于泵車、起重機等其他大型液壓工程機械設備的能耗分析.在回轉系統能耗實驗分析的基礎上，提出通過改變回轉換向閥節流口尺寸和提高閥芯動作靈敏度，減小過流壓力損失；從發動機-液壓泵-回轉馬達外負載功率匹配的角度，提高回轉系統的能量利用率，降低系統發熱量.

復合動作實驗結果表明，挖掘機動臂液壓系統的能量損失主要表現為動臂下降過程的勢能損失和節流損失.學者可在此方面做進一步研究，提高挖掘機整機的能量利用率.

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Experimental Study on the Hydraulic Excavator′s Slewing System Energy Consumption

LIU Feng,HUANG Chang-zheng
（Institute of Physics and Mechanical&Electrical Engineering,Shaoguan University, Shaoguan 512005,Guangdong,China）

For medium and large hydraulic excavators,energy losses is serious in slewing system because of the large moment of inertia and frequent movement.In this paper,to introduce an experimental method of the energy consumption for hydraulic system,analysis and experimental study of slewing system's energy consumption are carried out on a twenty-three tons hydraulic excavator for example.Results show that two main reasons for serious energy consumption are:power mismatch between the engine,hydraulic pump and motor load;serious inlet pressure loss of reversing valve.On the basis of the presented experimental analysis, optimizations are proposed for reducing the energy loss of the slewing system.

hydraulic excavators;slewing system;energy reduce;experiment

TH248

：A

：1007-5348（2015）04-0027-05

（責任編輯：李婉）

2015-03-20

韶關學院2014年度科研項目（韶學院［2014］213號）.

劉鋒（1986-），女，湖南郴州人，韶關學院物理與機電工程學院教師，碩士；研究方向：工程機械機電液一體化技術.