礦用自卸車轉向系統節能技術研究

(齊魯工業大學 (山東省科學院)機械與汽車工程學院， 山東 濟南 250300)

引言

礦用自卸車是一種在露天礦山為完成礦石運輸和土方剝離運輸任務而使用的重型自卸車，其主要特點為運程短、承載重，作業效率高，在露天礦山開采中起著至關重要的作用。由于礦用自卸車承載重，經常超載運行，前橋負荷可達20 t以上 ，轉向系統所需功率很大[1]，因此電動助力轉向很少運用在礦用自卸車上[2]。目前礦用自卸車轉向系統依據噸位的輕重主要采用的是全液壓轉向系統(如圖1所示)和液壓助力轉向系統[3]。車輛運行時轉向油泵始終處在工作狀態，液壓泵的流量與發動機轉速成正比，多余的流量回油箱，由于車輛80%運行時間處于非轉向狀態[4]，因此造成很大的無效的能量消耗，系統能量利用率低不僅會導致整機油耗高、污染大，而且產生的熱量還會影響零部件的可靠性，縮短液壓油使用壽命。為了降低礦用自卸車轉向系統的無效能耗，近年來國內也進行了較多的探索和研究:戴正陽[5]研究了采用流量放大器和恒壓變量泵帶蓄能器組合的全液壓轉向系統的特性，轉向時蓄能器可按需供油，節能效果較顯著。恒壓系統總是維持高壓狀態，會存在一定的小流量高壓卸荷損失[6-7]；張應和等[8]研究了負載敏感式變量泵和優先閥組合應用到全液壓轉向系統中，系統能根據轉向油缸的壓力變化，改變泵的輸出流量，從而取得了節能的作用；王淑芬等[9]設計了基于負載敏感技術的液壓助力轉向系統，達到了車輛運行時轉向系統節能的目的，但液壓助力轉向系統在載重較大的礦用車(前橋載荷18 t以上)運用較少。此外基于負載敏感技術的液壓系統已廣泛運用于裝載機等工程機械領域[10-13]，技術已相對成熟并達到了較好的性能和節能效果。

圖1 全液壓轉向系統示意圖(帶優先閥)

1 礦用自卸車轉向液壓系統能量損失分析

轉向液壓系統的液壓油是有黏性的，在管路流動時黏性阻力必然損耗一定能量，損耗的能量會轉變為熱量，導致系統溫度升高，性能變差。礦用自卸車轉向液壓系統能量損失主要有沿程和局部壓力損失、溢流損失、節流損失。

(1) 沿程和局部壓力損失：礦用自卸車液壓系統的沿程和局部壓力損失主要是由于轉向器、轉向油泵、油罐、轉向助力缸位置相對較遠，需要較長的管路和較多的接頭進行連接，并存在管徑突變，管路彎曲現象，因此必然存在沿程能耗損失。

液壓油通過管路產生的能量損失功率：

Ei=Δpi×qi

(1)

式中， Δpi—— 管路壓力損失，MPa

qi—— 管路的流量，L/min

管路總的壓力損失等于全部直管中的沿程壓力損失Δpλ以及所以管接頭的局部壓力損失Δpζ的總和，即管路壓力損失計算公式如下：

(2)

式中,ρ—— 液壓油的密度，kg/m3

d—— 管路通流直徑，m

L—— 管路長度，m

v—— 管內介質流速 ，m/s

ζ—— 局部阻力系數，ζ的具體數值可從有關手冊查到

其中雷諾數：

(3)

式中，μ為油液運動黏度，m2/s。

因此通過式(1)和式(2)分析可得出減少管路能量損失途徑： 管徑、接頭、閥塊增大通流截面積以降低流動速度增大通流量，(但增加的結構尺寸會影響到成本)； 降低非工作狀態下的流量；減少管路長度，內壁要盡量圓滑以盡量減少摩擦損失；液壓油黏度選取適當。

(2) 溢流損失：首先當轉向助力油缸遇到負載過大或運動卡滯時，轉向液壓系統工作在最高壓力，溢流閥會打開泄壓，這時轉向油泵的輸出流量全部或部分通過溢流閥。其次轉向助力油缸運動到行程終點時，由于壓力沖擊打開系統溢流閥時，在設定的最高壓力下卸荷會產生很大的溢流損失。

液壓油通過溢流閥損失的功率計算公式：

Ej=pj×qj

(4)

式中,pj—— 溢流閥壓力設定值，MPa

qj—— 溢流量，L/min

由于礦區運距較短，路況轉彎空間狹小，車輛需要經常倒車或掉頭，相對應轉向輪要頻繁打到極限轉角位置，經常產生高壓溢流狀態，這部分能量損失也是最大的，對泵的使用壽命影響也較大。

(3) 節流損失：礦用自卸車轉向液壓系統由于轉向泵隨發動機所有流量都是通過轉向器中位閥或者優先閥回油箱，所有油液低壓卸荷，會產生一定節流損失，并且定量泵轉速越高，流量越大，損失的能量越多。液壓油通過閥口產生的節流損失計算公式：

Ek=Δpk×qk

(5)

式中, Δpk—— 閥口壓力差，MPa

qk—— 流經閥口流量，L/min

轉向液壓系統效率計算公式：

(6)

式中，Eh—— 用于轉向助力油缸的有效功率

E—— 動力源向泵提供的功率

2 礦用自卸車轉向系統改進方案及原理分析

2.1 改進方案

通過上述能量損失分析可知，礦用自卸車轉向液壓系統的3種主要能量損失項都和流量緊密關聯，流量越大損失越大，除了優化系統管路和接頭閥口通徑外，降低系統非工作狀態的流量是節能的主要改進方法。因此，改進方案是利用負載敏感變量泵的特性，采用負載敏感變量轉向系統取代傳統的轉向液壓系統，優勢在于轉向泵的壓力和流量會根據需求而動態調整，在車輛怠速或者直線行駛工況下，變量泵輸出較低的壓力和很小的流量來保持系統很低的能量損耗;在車輛轉向時，根據系統需要提供相應的壓力和流量，并達到要求的轉向助力功能，并在車輪轉角極限位置時保持低壓小流量卸荷狀態，因此能夠減少不必要的流量損失。

2.2 負載敏感全液壓轉向系統原理分析

負載敏感變量轉向系統如圖2所示，主要由負載敏感變量泵、全液壓轉向器、轉向助力油缸、閥塊、油管、油箱等部件組成， 負載敏感變量泵結構原理如圖3所示，控制閥芯左端引入的是泵出口壓力p,右端引入的是預設的彈簧力和負載壓力pF,控制閥芯受力平衡關系公式：

1.轉向助力缸 2.全液壓轉向器 3.負載敏感變量泵4.回油濾 5.油箱圖2 負載敏感全液壓轉向系統原理圖

p×A=pF×A+Ft

(7)

即：

(8)

式中,p—— 泵出口壓力,MPa

pF—— 負載壓力，MPa

Kt—— 彈簧剛度，N/mm

A—— 截面積, mm2

x—— 彈簧初始壓縮量，mm

Δx—— 控制閥芯位移，mm

當泵啟動時，轉向系統處于非工作狀態，此時節流閥1(開口大小由轉向器控制)不通，無流量經過，負載壓力pF為0；當泵在p處壓力上升到能夠克服控制閥芯右側彈簧力Ft時(預設約為1 MPa)，推動控制閥芯向右移動，此時p接通油口A，壓力油進入變量油缸右側的無桿腔端，由于無桿腔受力面積大于左側的有桿腔，推動活塞向左移動，斜盤角度推到接近為0狀態，此時泵流量維持在最小，壓力僅大于克服控制閥預設彈簧力,壓力約為1.1 MPa,此時泵的消耗功率最小,達到非工作狀態消耗最小的節能目的；當系統轉向瞬間有負載時，pF和彈簧作用力共同作用下推動控制閥芯左移，此時，油口A 經控制閥與泄油口T相通，向T口泄油，變量活塞的無桿腔端壓力減小，變量活塞在斜盤偏置彈簧和有桿腔內環形面積所受壓力的共同作用下，將斜盤向大擺角位置推動，此時變量泵排量增大；當系統轉向速度增大時，此時系統需要更大的流量，節流閥口增大，由于泵的滯后性，此時泵出口流量小于負載所需流量，節流閥兩側壓差 Δp1減小，控制閥芯受力平衡被打破，在pF和彈簧作用力共同作用下，推動控制閥芯左移，使油口A 與油口T連通，變量活塞的無桿腔端壓力減小，斜盤角增大，泵出口流量增大滿足系統流量需求，泵流量增大時，節流閥兩側壓差 Δp1隨之增大，直到控制閥芯兩側受力平衡，泵流量重新趨于穩定狀態。反之，當轉向盤速度減小時，此時系統需要的流量減小，節流閥口減小，由于泵的滯后性，此時泵出口流量大于所需流量，節流閥兩端壓差 Δp1隨之增大，控制閥芯受力平衡又被打破，在壓力p作用下，推動控制閥芯右移，壓力油逐步進入變量油缸右側的無桿腔端推動斜盤角減小，泵流量減小，節流閥兩側壓差 Δp1又隨之減小，減小到控制閥芯兩側受力平衡，泵流量再次維持穩定狀態。因此泵的變量特性符合系統需要。

3 轉向液壓系統AMESim模型搭建

依據轉向系統液壓原理圖，利用AMESim軟件除了對改進后的轉向系統進行了模型搭建和仿真之外(如圖4和圖8所示)，也對傳統常見的3種轉向液壓系統進行了模型搭建和仿真(如圖5～圖7所示)，4種轉向系統模型中區別主要是泵和閥組的不同，都采用相同的全液壓轉向器和助力油缸，最終得到仿真數據進行對比。

圖5 普通泵帶優先閥仿真模型

圖6 普通泵不帶優先閥仿真模型

圖7 恒壓變量泵帶蓄能器仿真模型

圖8 負載敏感變量轉向系統AMSim仿真模型

4 仿真結果與分析

仿真參數設置以某型號總重90 t非公路礦用自卸車轉向系統為研究對象，對模型中每個模塊進行了參數設置，輸入信號為模擬駕駛員以勻速轉動方向盤分別到左右極限位置時停頓2 s后再往回轉向，最終保持回正狀態，仿真時間15 s,間隔0.01 s,仿真參數如表1所示。分別對原地轉向工況和怠速或直線行駛工況進行了仿真和能耗對比。

表1 仿真系統主要參數設置

4.1 原地轉向工況仿真分析

圖9～圖14表明：4種轉向系統都可根據負載需要提供相應的壓力和流量，提供轉向助力所需的有效功率，約為10～11 kW。通過圖12～圖14曲線可以看出：

(1) 普通泵不帶優先閥轉向系統在轉角到極限位置時，泵處于高壓卸荷狀態，流量處于最大流量狀態，因此存在很大的能量損失，損失約為11 kW；

(2) 全液壓轉向系統帶優先閥在轉角到極限位置時處于低壓卸荷狀態，流量處于最大狀態，能量損失較小，約為1 kW；

圖9 方向盤輸入轉角曲線

圖10 轉向助力油缸施加力

圖11 轉向油缸活塞位移

圖12 轉向泵壓力曲線對比

圖13 轉向泵流量曲線對比

圖14 轉向泵功率曲線對比

(3) 恒壓變量轉向系統由于帶蓄能器可根據系統需要提供相應流量，在轉角極限位置時泵處于高壓小流量卸荷狀態，能量損失約為1 kW;

(4) 負載敏感變量轉向系統可根據系統情況提供所需流量，在轉角極限位置時泵處于低壓小流量卸荷狀態，能量損失約為50 W,有效降低了轉角極限位置時的能量損失。

圖15 直線行駛或怠速工況轉向泵壓力曲線對比

圖16 直線行駛或怠速工況轉向泵流量曲線對比

圖17 直線行駛或怠速工況轉向泵功率曲線對比

4.2 直線行駛或怠速工況仿真分析

礦用自卸車屬于短途運輸車輛，單程運距大部分在2～4 km之間，因此車輛大部分時間處于怠速裝卸料或者直線行駛工況，所以避免怠速或直線行駛工況的能耗損失很有意義。通過圖15～圖17曲線和表2數據可以看出負載敏感變量轉向系統在直線行駛或怠速工況下變量泵維持在很低的壓力和流量狀態，僅處于泵內泄漏需要，功率消耗僅為45 W,避免了全液壓轉向系統大流量所造成的功率消耗以及恒壓變量系統高壓卸荷造成的功率損失，可有效節能約90%以上。

經濟可行性評估：負載敏感變量泵相對普通泵價格較高，同樣約為40 mL/r排量的泵，成本增加約5000～8000元。以市場主流某型號總重90 t礦用自卸車為研究對象，相關參數如表3所示。

表2 車輛怠速或直線行駛時仿真結果數據表

表3 經濟性評估參數表

(9)

M=QL×m=2225 kg

(10)

式中,QL—— 整機壽命周期節油總量，L

M—— 減少碳排放量，kg

此礦用自卸車采用負載敏感變量轉向系統在整機壽命周期可實現節油約3104 L ,約節省油費1.86萬元，減少碳排放約2225 kg，減去負載敏感泵增加的成本，約節省1萬元，具有較好的經濟效益和環保效益。

5 結論

介紹了能量損失的來源以及負載敏感變量泵的原理，并對常用的四種礦用自卸車轉向液壓系統做了模型的搭建和仿真分析，分兩種工況分別對四種轉向系統仿真結果數據對比得出：

(1) 采用負載敏感變量轉向系統在轉向工況不僅可根據系統需要提供相應的流量和壓力，還能有效降低極限轉角位置時溢流損失；

(2) 采用負載敏感變量轉向系統在車輛直線行駛或怠速工況時可維持低壓小流量狀態，有效節能約90%以上。