挖掘機液壓系統的效率分析與試驗研究*

劉志東,李鶯鶯,王青云,魏志民,侯 超,李 穎,楊 健

(1.天津中德應用技術大學 汽車與軌道交通學院,天津 300350;2.天津工程機械研究院有限公司,天津 300409)

0 引 言

液壓挖掘機是目前應用最為廣泛的工程機械之一。但是在其使用過程中,存在工況復雜、負載變化大、能量利用率低等問題[1-3]。因此,如何提高挖掘機工作時的工作效率和燃油經濟性[4],尤其是如何提高其液壓系統的效率，一直是行業關注的熱點。

挖掘機液壓系統的效率對整機性能的影響很大,并且其成本所占的比重也較高。對其進行的系統測試項目一般也只有動作機能、保壓等,這些并不能反映整個液壓系統的效率、可靠性等重要指標[5]。而液壓挖掘機損失的能量只有少部分散失到空氣中,絕大部分的能量通過其他形式轉移到液壓系統中[6,7]。因此,通過深入研究液壓系統的能量損失和利用率,可以在提高整機效率的具體措施方面,為其提供技術上的依據[8]。

胡薜禮[9]以挖掘機動臂下落過程中的重力勢能回收再利用為研究方向,以提高其能量效率為出發點,通過在小型挖掘機液壓系統中添加儲能器、單向閥、換向閥和節流閥,及通過增加增壓缸、輔助液壓缸等多種組合調整方法,對其節能效率進行了仿真及試驗。劉凱磊等人[10]針對傳統挖掘機運動控制的過程中多余的節流損失,采用5個二位二通比例閥作為主控制閥,設計了工作裝置負載口獨立的控制系統,以此來提高挖掘機的節能效率。周志勇[11]針對液壓挖掘機動臂流量的再生問題,通過在其動臂大小腔間增加單向閥(流量再生閥),研究了流量再生閥開啟壓力、小腔回油孔過流面積對動臂油缸活塞位移、速度、壓力及再生流量等系統動態特性和能耗降低的影響。焦志愿[12]通過在某20 t液壓挖掘機原動臂液壓回路上添加多個單向閥組合,組成再生流量回路的形式,并配以相應的系統控制策略,基于AMESim仿真的方式,對一種基于流量再生與平衡單元挖掘機的動臂勢能回收與利用系統進行了驗證。劉晉霞等人[13]對國內外挖掘機液壓式流量再生、電力式流量再生、平衡單元、二次調節式動臂勢能和回轉能量回收系統的組成、工作原理和其性能特點進行了詳細的歸納與分析。李潔等人[14]通過設計并仿真超級電容、蓄能器組合式能量回收再利用系統,達到了對小型挖掘機的復合動作進行節能控制的目的。肖揚等人[15]通過對挖掘機液壓系統進行研究,提出了一種通過蓄能器回收油液,直接釋放至主泵出油口的液壓式動臂勢能回收與利用系統。程冬宏[16]通過將關鍵采集數據導入三維建模軟件中,建立了一種挖掘機動臂、斗桿和鏟斗模型,并在AMESim中建立了其工作裝置的多體動力學仿真模型,對比分析了改造前閥控系統和改造后泵控系統的能量利用率。

綜上所述,學者們有關挖掘機節能效率提升方面的研究,主要集中在動臂下降勢能的收回再利用、增加流量再生回路或電液一體控制等方面,而較少研究挖掘機動臂、斗桿、鏟斗3個工作裝置的液壓流量分配協調性對整個系統效率的影響。

筆者通過對液壓挖掘機進行挖掘裝車試驗數據采集,結合液壓系統效率分析方法,以某21 t級挖掘機為試驗載體,進行液壓系統功率消耗分析和利用率統計,提出改進方案,并進行試驗對比,為挖掘機液壓系統的效率提升設計提供理論依據。

1 液壓系統數據采集與功率計算

挖掘機作業循環中的不同階段對功率的需求各不相同[17]。

液壓系統動力由主泵輸出,在挖掘機挖掘裝車作業過程中,動臂液壓缸、斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸和回轉馬達均為功率消耗元件,其中,動臂和回轉動作的耗能較高[18]。

在挖掘機工作過程中,通過對液壓系統相應元件的動態試驗數據進行采集,結合各元件的功率輸出和消耗計算方法,可對液壓系統的功率利用率進行統計與分析。

1.1 數據采集

根據液壓挖掘機的結構組成,為了采集挖掘機的試驗數據,需要在其相應位置安裝傳感器。

傳感器布局如圖1所示。

圖1 傳感器布局圖

圖1中,在動臂、斗桿、鏟斗3個驅動液壓缸上安裝線性位移傳感器,以實時檢測液壓缸的伸縮位移;在主泵1、2出口,動臂、斗桿、鏟斗液壓缸大小腔進油口位置,分別安裝壓力傳感器,以采集各油路壓力實時值;在先導手柄多路閥組的各進油口安裝壓力傳感器,用于檢測操作過程;

液壓油箱和主泵1、2之間分別安裝齒輪流量計,以測量液壓泵供油流量;回轉平臺底座圓周布局柔性磁柵尺,回轉平臺固定連接非接觸式磁性傳感器,通過檢測旋轉位移,推算回轉平臺的工作位置。

此處采用CRONOS compact系列模塊集成式數據采集系統進行實時數據采集,所采數據均由各傳感器完成。

傳感器信號類型和布局如表1所示。

表1 傳感器信號類型和布局

1.2 系統功率計算

由于挖掘機液壓系統具有變功率特性,以及工作狀態的隨機特性,在液壓系統能量的傳遞過程中,難免存在能量損失。

液壓系統效率是評價挖掘機液壓系統控制元件、執行元件和液壓回路能量損失的一項重要指標。挖掘機在完整的挖掘裝車作業過程中,主要的執行元件包括動臂液壓缸、斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸和回轉馬達。

以各執行元件消耗的功率總和作為液壓系統所利用的功率,以液壓雙泵輸出的功率總和作為液壓系統的功率輸入,液壓系統的效率為:

(1)

式中:η—液壓系統效率;Ep1—主泵1的輸出功率,kJ;Ep2—主泵2的輸出功率,kJ;Eb—動臂液壓缸消耗功率,kJ;Ea—鏟斗液壓缸消耗功率,kJ;Ek—斗桿液壓缸消耗功率,kJ;Em—回轉馬達消耗功率,kJ。

主泵1、2的輸出功率,動臂、斗桿、鏟斗液壓缸的消耗功率,回轉馬達的消耗功率計算式均為:

E=P×Q

(2)

式中:E—液壓功率,kW;P—瞬時壓力,MPa;Q—瞬時流量,L/min。

動臂、斗桿和鏟斗液壓缸實時位移通過傳感器檢測得到,而其大腔瞬時流量為計算值,其計算式為:

v=dS/dt

(3)

(4)

式中:S—液壓缸的瞬時位移,m;v—實時運動速度,m/s;D—活塞的受力面積,m2;Q1—液壓缸大腔瞬時流量,L/min。

液壓馬達回轉瞬時流量計算式為:

(5)

Qm=q·n·i

(6)

式中:Sm—回轉支撐平臺外圓周瞬時線位移,m;L—回轉支撐平臺外圓周周長,m;q—回轉馬達排量,L/min;i—回轉支撐平臺與回轉液壓馬達減速比;Qm—回轉馬達瞬時流量,L/min。

2 液壓系統效率分析

液壓挖掘機在施工過程中,完成一個工作循環可分為6個過程:挖掘、提升、旋轉、放鏟、回轉、下放[19]。

筆者以某21 t級挖掘機為研究對象,對其進行液壓系統信號采集和效率分析。

其工作裝置參數如表2所示。

表2 工作裝置參數

2.1 功率利用率

由于液壓系統中的壓力、流量、位移信號均屬于低頻信號,選擇10 ms的采樣周期足以保證所采集到的信號不失真[20]。

筆者采用MATLAB軟件對數據進行的處理與分析,此處仍以21 t級挖掘機的挖掘裝車作業為例。

液壓系統主泵、工作裝置所消耗功率和功率利用率如圖2所示。

圖2 液壓系統效率分析

根據各工作裝置位移曲線可知:在挖掘機作業過程的一個工作循環中,轉臺分別各正、反轉一次,動臂各提升和下降一次[21]。

由圖2可知:在挖掘后半段、回轉段和下放段挖掘機液壓系統功率利用率偏低;而回轉段是由于工作裝置處于伸展姿態時,回轉平臺啟動后,較大的旋轉慣性導致液壓馬達對主泵的功率消耗較低。

2.2 效率統計

在挖掘機挖掘過程中,其液壓系統始終處于隨機變載荷狀態。將一個完整作業循環全過程采樣數據作為一個樣本,通過均值和標準差分析,當樣本容量為100及以上時,采樣才具有顯著性。

因此,此處液壓系統能量利用率的分析,以挖掘機連續挖掘的100個循環數據為基礎,以先導操作壓力變化作為有效試驗數據的統計起點和終點。

液壓系統主泵1、2的能量供應和各執行元件的能量消耗計算式(即瞬時功率對循環時間求積分)為:

(7)

式中:E—瞬時功率,kW;j1—循環起始時間;jn—循環結束時間。

挖掘機進行100次挖掘裝車作業,其液壓系統能量消耗及效率統計,如表3所示。

表3 液壓系統能量消耗及效率

3 液壓系統改進

在挖掘裝車循環作業過程中,根據各液壓缸伸縮位移變化的分析結果可知:在挖掘的前半段,雖然有雙泵流量同時供應動臂、斗桿和鏟斗,但對動臂流量的分配較小;而在后半段,雙泵流量又幾乎全部供應動臂,因而未實現對雙泵功率的有效利用。

在動臂下放過程中,可有效利用重力勢能和再生功能,以降低對主泵功率的消耗,提高功率利用率。

液壓挖掘機屬于典型多執行器系統,其典型特點是多執行器并行,動作及負載頻繁變化,這就要求其液壓系統必須具有較好的流量分配特性[22]。

為此,筆者對挖掘機的液壓系統進行了改進,其改進原理圖如圖3所示。

圖3 液壓系統改進原理圖

圖3中:

(1)增加了鏟斗大腔限流閥,限制了挖掘過程中主泵對鏟斗的流量供應,分流出部分流量給動臂提升,提高了動臂和鏟斗運動的協調性;

(2)增加了斗桿液壓缸伸出時的再生功能,減小了對主泵的能量消耗,同時斗桿的運動速度加快,提高了挖掘過程協調性;

(3)增加了動臂下降再生功能系統單元,合理利用自身重力勢能,減小了小動臂下降對主泵的能量消耗。

筆者通過對其控制系統進行調節,來實現挖掘機液壓系統的各項功能,具體的過程如下:

在挖掘過程中,控制多路閥1、2、3處于右位,控制系統對比例電磁閥2的開口大小進行比例控制,使斗桿小腔回路保持一定壓力,頂開斗桿再生閥,部分回油與斗桿大腔合流,實現流量再生功能;

控制比例電磁閥3完全打開,保證開口最大,同時控制動臂再生閥的背壓閥處于右位,靠進油壓力關閉再生功能。動臂下降時,動臂再生閥的背壓閥處于左位,控制比例電磁閥3開口大小,使動臂大腔回油背壓大于動臂再生閥的彈簧壓力,再生閥打開,部分流量與小腔進油合流,實現動臂下降勢能的轉換利用。

4 試驗及分析

4.1 對比試驗

試驗挖掘機液壓系統改進前后,筆者在同樣土壤條件的試驗場地,由同一名駕駛員,按照統一的操作標準,進行100斗挖掘裝載試驗對比。

挖掘裝載試驗現場如圖4所示。

圖4 挖掘裝載試驗現場

筆者提取其中任意連續的2個挖掘裝載試驗過程,來對比分析液壓系統改進前后的功率利用率。

改進前后的功率利用率對比結果如圖5所示。

圖5 改進前后的功率利用率對比

由圖5可知:

在挖掘后半段和動臂下放過程中,功率的利用率有明顯提高,尤其是動臂下降再生功能的增加,使得其功率的利用率瞬間可達到主泵功率的2倍,因而其提升效果十分明顯。

4.2 液壓系統效率統計

根據液壓系統效率統計方法,改進后的能量消耗及效率統計如表4所示。

表4 改進后的能量消耗及效率

對100次挖掘裝車作業循環數據進行統計分析可知:

(1)動臂、斗桿、回轉馬達的能量利用都有所增加;

(2)由于增加了鏟斗大腔限流閥,鏟斗運動能量消耗有所降低;

(3)液壓系統綜合效率達到了70.54%,比改進前提高了5.5%,提升效果明顯。

5 結束語

筆者以某21 t級挖掘機為研究對象,圍繞挖掘機挖掘裝車的作業過程,基于數據采集方式和功率利用率分析方法,對其工作裝置的液壓系統及其控制策略進行了改進,最后通過實際的對比試驗,對改進前后挖掘機液壓系統效率的提升進行了驗證。

研究結果表明:

(1)挖掘機液壓系統改進后,進行100次挖掘裝車試驗,結果表明,主泵輸出功率有所降低,但動臂和斗桿液壓缸利用功率卻有所提高,循環作業過程中液壓系統綜合利用率提高了5.5%;

(2)通過增加動臂下降再生功能和斗桿伸出再生功能,可有效降低對主泵的輸出功率消耗,節能效果明顯;

(3)通過增加鏟斗大腔限流功能,使挖掘過程中主泵的流量在動臂和鏟斗之間的分配更加合理,提高了工作裝置的協調性。

后續的研究工作中,筆者將針對回轉單元的功率利用率,進一步研究工作裝置與回轉單元液壓系統的綜合改進,對液壓系統效率的綜合提升效果。