1、分類號密級編號十初大學碩士學位論文論文題目液壓挖掘機功率匹配節(jié)能控制立鎏區(qū)達墜盟塞學科、專業(yè)機械設計及理論研究生姓名常毅華導師姓名及專業(yè)技術職務何清華教授中南大學碩士學位論文摘要摘要液壓挖掘機廣泛應用于工業(yè)與民用建筑、交通運輸、水利電力工程等行業(yè)，在國民經(jīng)濟建設中占有重要地位。但是挖掘機能耗巨大，能量利用率僅有，因此對其進行節(jié)能性研究具有十分重要的意義。文章首先闡述了國內(nèi)外在挖掘機節(jié)能方面的研究現(xiàn)狀，并通過分析挖掘機的主要能量損失，把減小動力匹配不合理所造成的損失作為工作重點。接著分析了發(fā)動機的工作特性，對發(fā)動機采取了限制轉速波動范圍的轉速感應控制策略，并設計了發(fā)動機的自動怠速裝置。挖掘機在工

2、作過程中，發(fā)動機與泵的匹配不合理是造成能量損失的重要原因之一，采取把液壓泵的吸收功率設定在發(fā)動機的最大輸出功率之上，取消發(fā)動機的功率儲備，更大限度地發(fā)揮了發(fā)動機的潛能；同時把發(fā)動機一液壓泵一負載作為一個整體進行研究，提出了“變川曲線”協(xié)調(diào)控制的方法，通過轉速感應控制，使泵在工作過程中能夠根據(jù)負載的變化來調(diào)節(jié)排量以實現(xiàn)調(diào)節(jié)泵的吸收功率使之與發(fā)動機相匹配的目的。文中還確定了發(fā)動機的不同的動力輸出模式和挖掘機的不同工作工況，并針對不同工況下的不同要求，對發(fā)動機和泵分別進行不同的控制。在此基礎上，制定了整體控制策略，使發(fā)動機盡可能工作在最優(yōu)區(qū)域，達到節(jié)省燃油消耗的目的。最后通過大量的試驗研究完成了以下

3、三個方面內(nèi)容：一分別驗證了發(fā)動機空載和重載下轉速波動對油耗的影響，確定了發(fā)動機自動怠速轉速；二確定了發(fā)動機在不同轉速下發(fā)動機與泵匹配的最大功率點和與之對應的泵控電流值；三確定了咱曲線的調(diào)節(jié)范圍和對應的電流調(diào)節(jié)范圍。關鍵詞液壓挖掘機，曲線控制，動力匹配，節(jié)能，分工況中南大學碩士學位論文，曲，曲，“”，：，中南大學碩士學付論文，；，；，中南大學碩士學付論文第一章緒論課題來源及研究意義課題來源第一章緒論本課題隸屬于國家項目“液壓挖掘機機電一體化及制造信息化”，課題編號：。選題目的和意義挖掘機是一種利用鏟斗按照一定順序、間歇地或連續(xù)地進行挖掘、裝載、卸載土壤或石塊的機械，在工業(yè)和民用建筑，道路建設、水

4、力，礦山、市政工程等土石方施工中均占有重要位置。是交通運輸、能源開發(fā)、城鎮(zhèn)建設以及國防施工等各項工程建設的重要施工裝備，是國民經(jīng)濟建設迫切需要的設備。液壓挖掘機的使用反映了這些部門的施工機械化水平，對減輕繁重的體力勞動、實現(xiàn)土方工程機械化、提高勞動生產(chǎn)率起到了重大作用。液壓挖掘機作為種大功率工程機械，節(jié)能性一直是其追求的目標。傳統(tǒng)工程機械的能量利用率較低，液壓挖掘機的燃油能量利用率僅為左右，如此低的能量利用率迫使工程機械的發(fā)展必須著眼于節(jié)能。同時隨著世界能源危機的影響和在環(huán)境保護的推動下，液壓挖掘機功率控制節(jié)能技術的研究與開發(fā)也變得越來越迫切。“節(jié)能”是目前世界工業(yè)發(fā)展的一個重要方向。各大公司

5、均把“節(jié)能技術”作為科技重點發(fā)展目標，以提高其產(chǎn)品在世界市場上的競爭力。為了達到節(jié)能的目的，必須針對挖掘機能量損耗的主要方面對其進行分析和研究并提出改進措施。挖掘機屬于大功率高能耗機械，一方面要滿足挖掘工作時的高功率需求，另一方面要達到節(jié)約能源的目的，就必須從機械的使用要求、機械本身的性能和經(jīng)濟指標、動力裝置的配套等方面進行綜合的考慮【】。把電子功率控制技術引入工程機械領域，給工程機械節(jié)能技術的發(fā)展注入了新鮮血液。國外早在上個世紀八十年代就對電子功率控制的節(jié)能系統(tǒng)有了比較成熟的研究和發(fā)展，而國內(nèi)直到目前還處于比較落后的水平。隨著能源危機的日趨嚴重和環(huán)境污染所提出的對工程機械的低污染、低排放等方

6、面的要求，工程機械的節(jié)能性能將會逐漸成為衡量機器性能好壞的一個重要指標。雖然國內(nèi)外的研究都對工程機械的節(jié)能性有了或多或少的提高，但是目前世中南大學碩士學位論文第一蕈緒論界上還沒有一個國家或公司對節(jié)能的效果或標準給出一個具體的衡量方法。另外，以前所注意的只是在液壓系統(tǒng)上提高性能，達到節(jié)能的效果，國內(nèi)從動力匹配方面進行研究的不多，目前雖然很多單位也進行了此方面的研究，但是效果不是很理想。所以，對工程機械的節(jié)能系統(tǒng)進行研究，縮短與發(fā)達國家之日的差距，在今天，具有十分重要的意義。液壓挖掘機電子節(jié)能控制系統(tǒng)簡介機電一體化作為一項高新技術，將其引入到工程機械中，為工程機械帶來了新的技術變革，使其各種性能有

7、了質(zhì)的飛躍。國外從上世紀年代中期就開始將機電一體化技術應用于挖掘機上】。進入年代后，美、日、德等國在液壓系統(tǒng)節(jié)能的基礎上，紛紛開始研制電子節(jié)能的液壓挖掘機【”。如日本小松公司開發(fā)研制的新型節(jié)能控制器（系統(tǒng)），可使燃油節(jié)省：日立公司對型挖掘機的動力系統(tǒng)實施電子控制，生產(chǎn)效率提高，使其燃料消耗降低；美國卡特彼勒公司采用的卡特電子功率控制系統(tǒng)，在大幅度提高生產(chǎn)率的同時使其功率利用率可達。年代末期，三檔功率預選模式節(jié)能控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，使系統(tǒng)平均節(jié)能效果提高左右。采用發(fā)動機泵復合控制系統(tǒng)的新式挖掘機，其燃油效率提高左右；其后日立的電子負載傳感系統(tǒng)，以及德國利勃海爾公司在年推出的具有最新機電一體化技術的型

8、挖掘機，可獲得全部的液壓功率，起到較好的節(jié)能效果。目前，以微機或微處理器為核心的電子控制系統(tǒng)在國外液壓挖掘機中應用相當普及，并已成為現(xiàn)代高性能液壓挖掘機不可缺少的組成部分。電子技術在液壓挖掘機功率控制節(jié)能技術上的應用主要圍繞兩個層面進行展開：一方面的研究主要是圍繞挖掘機各重要部件，例如發(fā)動機、變量泵、馬達和各種控制閥。采用電子調(diào)速器替代機械調(diào)速器，解決發(fā)動機燃油噴射的合理性、經(jīng)濟性，液壓元件由液壓控制，機械控制改為電子控制，提高了可靠性和精度。另一方面主要是圍繞液壓挖掘機整機進行展開，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)與負載，發(fā)動機與變量泵系統(tǒng)的最佳綜合控制，使發(fā)動機的功率輸出更加合理，降低液壓挖掘機的燃油消耗和提

9、高勞動生產(chǎn)率。電子功率協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)具有實用性強、反應快、靈敏度高等各種優(yōu)點，各大公司均對此系統(tǒng)進行研究和開發(fā)。日本小松早在上個世紀八十年代就對功率控制和分工況技術有了比較成熟的研究。還有川崎和林德也都對此進行過深入的研究，但是各個公司采用的方法和手段不盡相同。歸根結底，在節(jié)能功率控制方面最后的控制環(huán)節(jié)都是針對液壓泵的排量進行相應地控制來減小或增加泵的吸收中南大學碩士學位論文第一章緒論功率或扭矩從而使動力系統(tǒng)的匹配性能進一步提高，達到節(jié)約能源的目的。由于現(xiàn)在的挖掘機中多采用恒功率變量泵，所以此種控制方法的最終控制對象也就是對泵的恒功率曲線即曲線進行相應的控制。由柴油機的外特性曲線可知，柴油機是近

10、似的恒扭矩調(diào)節(jié)，其輸出功率的變化表現(xiàn)為轉速的變化，但輸出扭矩基本不變化。油門開度增加（或減小），柴油機輸出功率就增加（或減小），由于輸出扭矩基本不變，所以柴油機轉速也增加（或減小），即不同的油門開度對應著不同的柴油機轉速。由此可見，對柴油機控制的目的是，通過對油門開度的控制來實現(xiàn)柴油機轉速的調(diào)節(jié)。對液壓泵的控制都是通過調(diào)節(jié)其變量機構擺角來實現(xiàn)的。根據(jù)控制形式的不同，可分為功率控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)和組合控制系統(tǒng)等三大類。其中的功率控制系統(tǒng)有恒功率控制、總功率控制、壓力切斷控制和變功率控制等；流量控制系統(tǒng)有手動流量控制、正流量控制、負流量控制、最大流量二段控制、負荷傳感控制和電氣流量控制等；組合

11、控制系統(tǒng)是功率控制和流量控制的組合控制，在液壓控制機上應用最多。目前應用在液壓挖掘機柴油機上的控制裝置有電子功率優(yōu)化系統(tǒng)、自動怠速裝置、電子調(diào)速器、電子油門控制系統(tǒng)等。國外液壓挖掘機主要電控系統(tǒng)分析國外利用電子控制的方法對液壓挖掘機進行節(jié)能控制的研究開始于早在上個世紀七十年代。世界知名的挖掘機制造企業(yè)都進行了此方面的研究并應用到了實際的產(chǎn)品當中。比較著名的企業(yè)有小松、大宇、林德和川崎，這些公司所做的研究，大多數(shù)都是基于調(diào)節(jié)泵來實現(xiàn)功率匹配的。有的控制是進行了動力模式劃分后，在重載模式下才對泵進行實時功率調(diào)節(jié)，并且對發(fā)動機不進行實時調(diào)節(jié)和控制，比如川崎的控制系統(tǒng)；而有的不但是實時調(diào)節(jié)泵的功率還對

12、發(fā)動機進行了實時調(diào)節(jié)，比如林德的控制系統(tǒng)。對于負載的檢測，有用壓力作為檢測信號的，也有用轉速作為檢測信號的，但是目前的系統(tǒng)多以轉速作為檢測目標。小松功率電控系統(tǒng)作為世界知名的挖掘機制造企業(yè)，小松的電控技術在世界工程機械行業(yè)處于領先地位。早在上個世紀的八十年代，小松的電子功率控制、故障診斷系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，作為推出新產(chǎn)品的技術儲備，以占領未來市場】【。圖為小松系列挖掘機的電控系統(tǒng)，其中有動力選擇和作業(yè)模式選擇。用發(fā)動機控制器和泵控制器分別對發(fā)動機和泵進行相應的調(diào)節(jié)，使其在工作中南大學碩七學位論文第一章緒論油門執(zhí)行囂油門角度傳感舞壓力傳感舞圖小松系列挖掘機電控系統(tǒng)過程中可以更大的發(fā)揮發(fā)動機的

13、效力，使系統(tǒng)配置達到良好狀態(tài)，從而達到節(jié)約辟害箍控制方擊壘覆壓控制電子蕞發(fā)動帆蔓臺控制電子系統(tǒng)化控制節(jié)能效果莛蕤熏可按咋業(yè)內(nèi)容周鬈鑫華箍整體效率的提高以及充薹豸簇鍪加動率損失岔考慮剽工侄方芪穢協(xié)功奉損失群作業(yè)時的工作條件優(yōu)化勰囂甏婁粼圖小松節(jié)能技術發(fā)展概況中南大學碩十學位論文第一章緒論能源的目的。圖為小松節(jié)能技術發(fā)展概況圖。早期的液壓系統(tǒng)均為電氣式液壓系統(tǒng)，用液壓泵動力控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓閥控制，以達到節(jié)能的目的。它根據(jù)作業(yè)內(nèi)容選擇一種合適的動力方式，并自動設立與這種動力方式最適合的動力和發(fā)動機參數(shù)（轉速等）。選擇一般在電氣基礎上增裝了由微型計算機組成的控制箱，直接控制液壓泵的輸出則稱為電子式液

14、壓系統(tǒng)。它能有效的利用發(fā)動機的功率和降低液壓系統(tǒng)損失。這種系統(tǒng)是用發(fā)動機的轉速傳感器和高壓噴油泵凋速器桿角度檢測傳感器，檢測隨主液壓泵負載發(fā)生的發(fā)動機轉速變化，裝有微機的控制箱接受該信號并加以計算。然后將結果作為信號又輸向閥，通過閥使發(fā)動機的輸出轉矩與主液壓泵接受的轉矩，經(jīng)常處于最佳配合狀態(tài)。（）系統(tǒng)是在系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的，其主要特點就是做成了閉合回路，操作閥在中位或調(diào)節(jié)操作時使無用流量達到最小限度，從而減小功率損失。從圖中，我們可以看到小松系列挖掘機在節(jié)能控制方面發(fā)展的歷程。從年，小松第一臺電子功率控制的挖掘機問世，就把電子控制的節(jié)能技術作為代表液壓挖掘機先進性的一項關鍵技術進行發(fā)展，并

15、且取得了非常顯著的效果。大宇電子功率優(yōu)化系統(tǒng)模式選擇開關。一；一苷電池。一一怠遺開關壓力開關萬圖組成簡圖中南大學碩士學位論文第一章緒論大字挖掘機采用電子功率優(yōu)化系統(tǒng)。是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)，工作中它能根據(jù)發(fā)動機負荷的變化，自動調(diào)節(jié)液壓泵所吸收的功率，使發(fā)動機轉速始終保持在額定轉速附近，即發(fā)動機始終以全功率投入工作。這樣既充分利用了發(fā)動機的功率，提高了挖掘機的作業(yè)效率，又防止了發(fā)動機過載熄火大字型挖掘機的電子功率優(yōu)化系統(tǒng)的組成簡圖如圖所示。該系統(tǒng)由柱塞泵斜盤角度調(diào)節(jié)裝置、電磁比例減壓閥、控制器、發(fā)動機轉速傳感器及發(fā)動機油門位置傳感器等組成。發(fā)動機轉速傳感器為電磁感應式，它固定在飛輪殼的上方，用以檢測

16、發(fā)動機的實際轉速。發(fā)動機油門位置傳感器由行程開關和微動開關組成，前者裝在駕駛室內(nèi)，與油門拉桿相連；后者裝在發(fā)動機高壓油泵調(diào)速器上。兩開關并聯(lián)以提高工作可靠性。發(fā)動機油門處于最大位置時兩開關均閉合，并將信號傳給控制器。整個控制過程如下：當工作模式選擇開關處于“方式”位置，裝有微電腦的控制器的端子上有電壓信號時，控制器便不斷地通過轉速傳感器檢測發(fā)動機的實際轉速，控制器便增大驅(qū)動增大驅(qū)動電磁比例減壓閥的電流，使其輸出壓力增大，繼而通過油泵斜盤角度調(diào)節(jié)裝置減小斜盤角度，降低泵的排量。上述過程重復進行直到實測發(fā)動機轉速與設定的額定轉速相符為止。如果實測的發(fā)動機轉速高于額定轉速，控制器便減小驅(qū)動電流，于是

17、泵的排量增大，最終使發(fā)動機也工作在額定轉速附近。該控制系統(tǒng)配備一輔助模式開關，當控制器失效時，可將此開關扳向另一位置，通過輔助模式電阻向電磁比例減壓閥提供恒定的電流，使挖掘機處于方式繼續(xù)工作，此時儀表盤上的輔助模式指示燈常亮。林德電控系統(tǒng)林德作為世界著名德挖機生產(chǎn)廠家，對電控節(jié)能系統(tǒng)系統(tǒng)的研究殲始的也比較早。林德的（負荷傳感同步控制系統(tǒng)）能有效地利用發(fā)動機功率，節(jié)約燃料，降低液壓系統(tǒng)損失【刪。林德的（極限負荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)）同樣可以通過控制器提高作業(yè)效率，節(jié)約燃料。圖卜為電控系統(tǒng)簡圖。系統(tǒng)由電控箱、主控制器、直線電機、油門角度傳感器、轉速傳感器和泵控調(diào)節(jié)器組成，同時機可以通過接口與控制器進行通。調(diào)節(jié)

18、原理及其方法：系統(tǒng)中發(fā)動機轉速同步控制時刻起作用，只要實際轉速與電位計設定電壓值對應的轉速不同，控制器發(fā)出信號調(diào)節(jié)，使直線電機轉過定角度，直到使發(fā)動機的實際轉速和電位計設定轉速相同，同時油門角度傳感器也轉過一定角度。起作用的方式為：當轉速下降到設定的轉速線以下時，功率調(diào)節(jié)開始起中南大學碩學付論文第一章緒論作用，增大輸出電流，調(diào)節(jié)電磁閥，便泵的流量變小，降低泵的吸收功：一袖門調(diào)節(jié)電位開一作業(yè)覆式調(diào)節(jié)電位計一自動毫遺開關行建壓力開關一暖機開關（臂閉量度開關，一標定按鈕一量度開關圖卜電控系統(tǒng)簡圖率，使發(fā)動機轉速上升；相反，當轉速上升到設定的轉速線以上時，功率調(diào)節(jié)也起作用，減小輸出電流，調(diào)節(jié)電磁閥，使

19、泵的流量變大，增大泵的吸收功率，使發(fā)動機的轉速下降。油門角度傳感器的作用，是為了調(diào)節(jié)發(fā)動機的增量或降低量的幅度。例如，要調(diào)節(jié)發(fā)動機的轉速上升，則需要把油門角度傳感器凋節(jié)到相應的位置。川崎電控系統(tǒng)川崎公司作為工程機械的知名企業(yè)，早期主要從液壓系統(tǒng)和閥組上作節(jié)能控制，后來開始做電子控制的功率系統(tǒng)【。然而早期的電控系統(tǒng)中只是在重載情況下才對泵的排量進行實時調(diào)節(jié)以適應負載和發(fā)動機的需求，從而達到節(jié)能的目的。圖為川崎電控功率系統(tǒng)的結構簡圖。在重載模式下，通過對負載壓力的檢測，調(diào)節(jié)泵的流量，從而充分利用發(fā)動機發(fā)出的功率。只有在模式下，發(fā)動機控制才起作用。模式設定：分為、模式。在每種模式下，轉速都可以從最小

20、怠速調(diào)節(jié)到最大怠速狀態(tài)。中南大學碩士學位論文第一章緒論自動怠速：當手柄處于中位一定時間時，控制器自動把發(fā)動機速度調(diào)節(jié)到自動怠速轉速，減少燃料消耗和發(fā)動機噪聲；手柄有動作后，發(fā)動機速度自動回復到設定轉速。速度傳感控制：（只有在模式下，控制器起作用，即速度傳感功能起作用）通過實時比較發(fā)動機實際轉速和設定轉速，當刪時，控制器控制輸出電流降低泵的曲線。圖川崎電控功率系統(tǒng)結構圖當泵處于或模式下，輸出電流值恒定，即泵的曲線恒定，不可調(diào)節(jié)【。表川崎電控系統(tǒng)在不同的轉速下的輸出電流模式發(fā)動機轉速藝（）輸出電流（）療在模式下通過調(diào)節(jié)比例電磁閥設定泵的曲線在不同位置，減小泵的流量，使發(fā)動機的功率充分被吸收。在不同

21、模式下調(diào)節(jié)發(fā)動機轉速到設定值，開機后，保持為自動怠速狀態(tài)。川崎的速度傳感控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)了自動怠速，不同工作模式轉速的設定和在模式下泵的卜曲線可調(diào)功能。其中只有在模式下曲線即功率可調(diào)，而在其它模式下不具有此種功能。同時發(fā)動機控制器在控制器起作用時，不進行相應的調(diào)節(jié)。中南大學碩士學付論文第一章緒論國內(nèi)挖掘機主要電控系統(tǒng)我國液壓挖掘機的開發(fā)開始于世紀年代。到了年代初，先后引進了德國各主要液壓挖掘機生產(chǎn)廠的制造技術，如利勃海爾公司（），德瑪克公司（）和奧加凱公司（）。年代改革開放以來，我國挖掘機行業(yè)雖然經(jīng)歷了一個重要的形成和發(fā)展的重要階段。但目前從國內(nèi)的產(chǎn)品來看，其性能指標大部分也只能達到國際世紀年

22、代水平瞄。更為遺憾的是國內(nèi)對柴油發(fā)動機、液壓泵、液壓馬達以及多路換向閥等挖掘機的主要配套件，無論是在技術難點上還是在生產(chǎn)工藝方面以及制造水平上都沒有實質(zhì)性的提高，致使這些關鍵配套件的品種和質(zhì)量（主要是工作可靠性）不能完全滿足主機的需要”。因此，一方面大多數(shù)廠家采取與國外合資的辦法，比較著名的有煙臺大字、常州現(xiàn)代、合肥日立、成都神鋼、徐州卡特等，這些企業(yè)都擁有先進的技術，但關鍵技術卻掌握在外商手里。另一方面則以引進國外先進的液壓元件、液壓系統(tǒng)以及電控節(jié)能控制系統(tǒng)的形式來提高國產(chǎn)挖掘機品質(zhì)。上世紀年代初，我國的一些高校和企業(yè)，開始了工程機械的智能控制和節(jié)能理論技術的研究，并取得了一定成果。在動力系

23、統(tǒng)節(jié)能控制方面，年浙江大學與廣西玉林柴油機廠合作開發(fā)的節(jié)能控制、參數(shù)顯示、故障報警液壓挖掘機是目前國內(nèi)機電一體化技術在挖掘機上實施的一個商品化產(chǎn)品，已通過實際挖掘試驗。而浙江大學與長江挖掘機廠合作開發(fā)的集遠程無線遙控、故障監(jiān)控、節(jié)能控制于一體的實用型液壓挖掘機，也已經(jīng)從原理上進行了試驗。目前，浙江大學機械設計研究所自行研制成功一臺試驗性挖掘機器人，在世界上首先柔性地實現(xiàn)了將負流量控制、正流量控制、交叉功率控制和壓力切斷控制組合起來的節(jié)能控制策略，并建立了控制模型。在此基礎上，對挖掘機動力系統(tǒng)的節(jié)能控制進行了廣泛的研究，利用挖掘機器人對其節(jié)能性和操縱性進行了實際挖掘試驗，取得了良好的控制效果。結

24、果表明，國內(nèi)現(xiàn)有的工程機械具有很大的節(jié)能潛力，這對提高我國工程機械的性能具有很高的參考價值】。年月。玉柴工程機械公司試制出兩臺一具有一定機電一體化水平的液壓挖掘機【。其柴油機和液壓系統(tǒng)等主要部件均采用進口件，增強了挖掘機的工作可靠性。其雙泵系統(tǒng)與機械電子控制系統(tǒng)相結合，使挖掘機具有交叉功率調(diào)節(jié)、正向控制、三擋功率預選、自動降速、自動降檔、故障監(jiān)測和系統(tǒng)狀態(tài)的液晶顯示及蜂鳴報警等功能，可以使發(fā)動機的功率被最大限度地利用，減少發(fā)熱，降低能耗，提高泵和液壓元件的使用壽命。但由于成本較高，推廣有一定難度。吉林大學在趙丁選教授的帶領下，首次將發(fā)動機、變量泵、閥和負載作為一個整體進行了研究，采用模糊控制技

25、術實現(xiàn)了發(fā)動機與變量泵的全功率匹配，克中南大學碩士學侍論文第一章緒論服了國內(nèi)外挖掘機節(jié)能控制中普遍應用的單純轉速控制或壓力控制的不足，并且成功的實現(xiàn)了二級溢流控制，通過臺架試驗取得了良好的節(jié)能效果。論文研究主要內(nèi)容本論文將發(fā)動機一液壓泵一負載作為一個整體進行研究，主要針對液壓挖掘機動力系統(tǒng)匹配不合理所造成的能量損失進行節(jié)能控制研究。通過參考國內(nèi)外知名企業(yè)在節(jié)能控制方面的控制方法和控制策略，制定切實可行的控制策略，并將通過大量試驗對對一些關鍵參數(shù)進行確定。因此本論文將從以下幾個方面展開研究：）分析對液壓挖掘機進行節(jié)能控制的目的和意義，對國外先進的節(jié)能控制系統(tǒng)進行分析研究。）分析液壓挖掘機的能量損

26、失，把側重點放在減小動力匹配不合理造成的損失方面，建立整體節(jié)能系統(tǒng)方案。）分析發(fā)動機的工作特性，根據(jù)工作需求制定合理利用發(fā)動機功率的控制策略，設計發(fā)動機自動怠速功能。）通過分析發(fā)動機一液壓泵一負載三者的匹配原理，提出優(yōu)化三者匹配的方法，制定控制策略。）通過實驗研究，主要解決三方面的問題：分別驗證發(fā)動機在空載和帶載兩種情況下轉速波動對油耗的影響，確定發(fā)動機自動怠速轉速；確定發(fā)動機在不同轉速下液壓泵與發(fā)動機相匹配的最大功率點以及對應的泵控電流值；確定曲線的調(diào)節(jié)范圍和對應的電流調(diào)節(jié)范圍。本章小結本章論述了進行液壓挖掘機節(jié)能控制研究的目的和意義，分析了目前國內(nèi)外液壓挖掘機節(jié)能控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨

27、勢，具體分析了國外知名挖掘機制造企業(yè)的節(jié)能控制策略，指出了國產(chǎn)挖掘機節(jié)能控制技術與國外同類相關技術之間的差距。最后闡明了本文研究的主要工作內(nèi)容。中南大學碩學位論文第二章液壓挖掘機主要能量損失和整機節(jié)能方案確定第二章液壓挖掘機主要能量損失分析和整機節(jié)能方案確定挖掘機是需要長時間工作的大馬力工程機械，能量消耗大，減少其能量消耗就顯得尤為重要。近年來國內(nèi)外各大挖掘機生產(chǎn)廠商都在挖掘機節(jié)能方面做了很多研究，并且取得了一定的成效。本章主要對液壓挖掘機的能量損耗進行分析研究，并針對具體的能量損耗，提出一些可行的解決辦法和措施，最后提出整體節(jié)能方案，建立起節(jié)能系統(tǒng)。不同液壓回路的能量利用現(xiàn)在的挖掘機主要指液

28、壓挖掘機，機械式挖掘機已經(jīng)很少見。世紀年代開始，液壓傳動技術得到了很快的發(fā)展，逐漸成熟的液壓傳動技術，應用到挖掘機上，為其發(fā)展建立了強有力的技術支撐。挖掘機和液壓傳動是緊密聯(lián)系在一起的。液壓技術是挖掘機的技術基礎，反過來由于挖掘機對液壓技術的高要求，從而大大地推動了液壓技術的發(fā)展。液壓挖掘機作業(yè)時動作復雜、功能齊全，要用多功能的多路閥和復雜控制的液壓泵。對于泵、閥和馬達采用電子控制，使最初對于挖掘機的各液壓元件進行個別控制發(fā)展到智能化的綜合控制。液壓技術以其獨有的優(yōu)點在現(xiàn)代傳動技術中占有重要的地位。但其能量損失和消耗不可避免【”。下面以幾種重要的液壓回路分析其損失。圖中最上面的液壓回路為定量液

29、壓回路，當回路中采用定量泵供油時，如果回路中的執(zhí)行元件所需的流量小于液壓泵提供的流量時，那么多余的流量就會從溢流閥溢流回油箱，那么在這個過程中就會造成能量的浪費。如圖（）中所示此種系統(tǒng)的能量利用率只有。此種系統(tǒng)在早期使用在挖掘機上，現(xiàn)在在小型的挖機上使用。圖（）中的是恒壓系統(tǒng)，通過裝置使泵出口的壓力保持恒定，由于預先設定的泵出口壓力始終大于負載壓力，所以在工作過程中會造成壓力的和流量的巨大浪費，這種系統(tǒng)的工作效率，但是比定量系統(tǒng)已經(jīng)有了大幅度地提高。圖（）中最下面的系統(tǒng)是系統(tǒng)（即負載敏感系統(tǒng)），這種系統(tǒng)可中南大學碩士學付論文第二章液壓挖掘機主要能量損失和整機節(jié)能方案確定以通過負載敏感裝置感知負

30、載壓力的變化情況，當負載壓力變大直到達到泵的變量調(diào)節(jié)區(qū)域時，通過調(diào)節(jié)泵的斜盤傾角減小泵的流量，從而適應發(fā)動機的扭矩要求，使執(zhí)行機構在小流量下繼續(xù)克服逐漸升高的負載；而當負載壓力減小是，調(diào)液壓回路原理簡圖能量利用特點恒流量系統(tǒng)見”獬”幫只：毪只眥，一。扛“瞄，。（）嵋恒壓系統(tǒng)，少“峨黼瓣囊葬瓣戮攀潮只啦酣曲。鼎”。一。氌己（，一。）留寺（）系統(tǒng)（，）只。，刪“崤只印岱卒駑（）二圖不同液壓系統(tǒng)的能量損失情況節(jié)機構作用使泵的斜盤傾角變大從而使流量增加，這樣又可以充分吸收和利用泵的功率。這種系統(tǒng)充分利用泵的工作特性，又把發(fā)動機工作特性考慮在內(nèi)，可以更大限度的利用能量，因此其能量利用率高于其它兩個系統(tǒng)，

31、其能量利用率大于。中南大學碩士學位論文第二章液壓挖掘機要能暈損失和罄機節(jié)能方案確定液壓挖掘機的功率損失液壓挖掘機的能量傳遞過程是通過發(fā)動機一液壓泵一液壓閥一執(zhí)行油缸（或馬達）一執(zhí)行機構來進行傳遞的，如圖所示。在能量傳遞過程中，能量的每一次傳遞都存在著能量損失。液壓挖掘機的發(fā)動機通過液壓泵把動力轉換成壓力油的液壓能經(jīng)過管路及換向閥驅(qū)動油缸或馬達，在轉遞和分配過程中能量損失很大，一般高達，甚至會更高，實際利用率很低，發(fā)動機工作時燃油能量約有消耗于熱量及噪聲。圖為功率流向及能量損失框圖。圖能量傳遞框圖。另外，挖掘機在作業(yè)過程中工況復雜，負荷變化頻繁、變化范圍大，沖擊大，也會引起不少環(huán)節(jié)的能量損失。這

32、些損失的能量大多轉化為熱量而損耗掉，會引起液壓系統(tǒng)發(fā)熱，油液黏度降低，泄漏量加大，造成進一步的能量損失。圖挖掘機功率流向及能量損失中南大學碩十學付論文第二章液壓挖掘機主要能量損失和罄機節(jié)能方案確定液壓系統(tǒng)功率損失液壓系統(tǒng)的功率損失主要有以下幾種形式：（）操作閥處于中位時的能量損失：液壓挖掘機采用六通多路閥作為液壓系統(tǒng)換向和流量控制元件。當工作裝置停止作業(yè)，閥芯處于中位時，液壓泵只需提圖液壓挖掘機液壓系統(tǒng)能量損失圖供壓力油克服管道阻力和防止氣蝕的背壓（約為），液壓油通過卸荷口流回油箱，但變量泵由于功率自調(diào)節(jié)作用，此時流量卻很大，因此就會造成旁路空流損失，如圖所示。對工作裝置進行操縱時，多路閥進出

33、油路逐漸打開，卸荷油口逐漸關閉，利用卸荷口的旁路節(jié)流作用使系統(tǒng)壓力升高，以克服負載壓力，從而造成功率損失當系統(tǒng)壓力超過負載壓力后，液壓油開始流入工作油缸，通過改變進出油口、卸荷口的通流面積比來實現(xiàn)液壓缸的速度調(diào)節(jié)。直到卸荷口全部關閉，旁路節(jié)流損失才會消失，在無溢流的情況下液壓系統(tǒng)保持較高的效率。液壓挖掘機在掘削和卸土等精細作業(yè)過程中，工作裝置既無太大的壓力，也無需太大的流量，因此往往需要對工作裝置進行微動操作控制。一般采用部分打開控制閥的方法來控制工作裝置的速度，導致液壓油通過控制閥時產(chǎn)生較大的節(jié)流損失，造成圖所示陰影部分的能量損失。（）溢流損失：當液壓挖掘機過載時，為防止過載損壞機械，安全閥

34、打開，壓力油通過安全閥溢流回油箱。當工作裝置因負載過大而停止動作時，如果不采取措施，液壓泵輸出的全部流量都將通過安全閥流回油箱，此時發(fā)動機的輸出功率都消耗在安全閥上變成熱能。此部分能量損失如圖所示。陰影面積相當于溢流功率損失，它等于發(fā)動機的額定功率。挖掘機在工作中，由于工況復雜，經(jīng)常處于過載狀態(tài)，系統(tǒng)過載溢流而產(chǎn)生的功率損失是相當可觀的。另外，回轉馬達在啟、停過程中也會產(chǎn)生一定的溢流損失。在液壓挖掘機的回轉系統(tǒng)中，通常都設置由兩個溢流閥組成的平衡閥如圖所示，此平衡閥可以在啟動時限制回轉壓力。由于挖掘機上車的轉動慣量大，回轉馬達不能完全吸收泵的輸出流量，多余的流量通過溢流閥回到油箱，造成功率損失

35、。回轉馬達制中南大學碩十學伊論文第二章液壓挖掘機主要能量損失和罄機節(jié)能方案確定動時，回轉多路閥關閉，在上車轉動慣量的作用下，回轉馬達會繼續(xù)轉動，排出的液壓油經(jīng)過平衡閥到回轉馬達的另一端，此時的平衡閥起到溢流閥的作用，將上車的動能轉換為液壓系統(tǒng)的熱能而消耗。（）微動操作時能量損失：液壓挖掘機在掘削和卸土時往往需要對工圖回轉馬達中的平衡閥作裝置進行微動操縱控制，一般采用通過控制操縱閥開度進行節(jié)流調(diào)速，將部分壓力油溢流回油箱來實現(xiàn)的，這部分的能量損失見圖。（）沿程壓力損失：液壓系統(tǒng)的沿程壓力損失所造成的功率損失也是很大的，因此應盡可能的采用大通徑液壓管路，同時合理布置液壓管，采用阻力小的管接頭以減小

36、沿程壓力損失。（）行走壓力損失：履帶式挖掘機行走時為了防止超速而安裝的背壓閥，會產(chǎn)生很大的壓力損失，同時回轉管接頭、控制滑閥、油路等都將產(chǎn)生壓力損失。壘動能、勢能損失；液壓挖掘機的動臂在提升過程中將液壓能量轉換為勢能。下降時為了防止動臂下降過快，在油路上安裝單向節(jié)流閥，使動臂在下降過程中產(chǎn)生阻尼作用，從而將勢能轉換為熱量，造成部分能量損失。同樣，斗桿在類似的操作過程中也會產(chǎn)生動能和勢能損失。功率匹配不合理時引起的損失在液壓挖掘機系統(tǒng)中，發(fā)動機和泵的匹配曲線如圖所示。當發(fā)動機和泵聯(lián)合工作時，存在一個聯(lián)合工作特性，其中的聯(lián)合工作效率與泵的轉速、壓力和流量有關。一般情況下，發(fā)動機一液壓泵系統(tǒng)不可能在

37、各種喜發(fā)動機功率工況下都處于最佳工作狀態(tài)，從而造成§、素孵功率設定一定的能量損失口【。液壓泵的吸收墨、功率隨著發(fā)動機轉速的變化而改變，其差一、芝案量一特性隨轉速療的變化如圖所示。、發(fā)動機在不同的環(huán)境下，特性是不一樣的，由于大氣狀態(tài)（氣壓、氣溫和壓力脅濕度）變化等原因，使得發(fā)動機功率有圖發(fā)動機和泵的匹配由線中南大學碩士學位論文第二章液壓挖掘機主要能茸損失和罄機節(jié)能方案確定所變化，其實際與發(fā)動機特性曲線的匹配情況如圖胡所示。從圖中可以看出，若在平原上，發(fā)動機和泵聯(lián)合工作點正好在額定功率處，當在高原工作時，由于發(fā)動機功率的降低，聯(lián)合工作點的轉速將大幅降低，使其不能充分利用發(fā)動機功率。圖不同

38、轉速下，一口特性圖泵與發(fā)動機的匹配因此在設定液壓泵總的輸入功率時要有一定的余量，一般按發(fā)動機額定功率的來設定（如圖所示）。在這種情況下，使發(fā)動機的功率得不到充分的利用，功率浪費嚴重。液壓挖掘機整體節(jié)能方案確定由于液壓系統(tǒng)的改造相對比較困難，并且當前的液壓系統(tǒng)已經(jīng)達到了一定的水平，若要達到更好的節(jié)能效果需要長時間的研究。本文所提出的節(jié)能方案主要是針針對功率匹配不合理所造成的能量損失來進行研究的。圖為整體節(jié)能系統(tǒng)方案框圖。系統(tǒng)主要由發(fā)動機，變量泵，節(jié)能控制器，轉速傳感器，油門角度傳感器構成。具有電子功率調(diào)節(jié)、自動怠速、動力模式選擇、工況模式選擇、等功能。主控制器通過檢測轉速信號對發(fā)動機和液壓泵同時

39、實施控制，以提高發(fā)動機的功率利用率和整機的工作效率。其中發(fā)動機的輸出動力模式分為六檔：另外還把挖掘機工作時的工況分為重掘削（）模式，經(jīng)濟（）模式和微操作（）模式。在不同的動力模式下，都可以在三種工況之間進行切換，也就是把泵的調(diào)節(jié)電流進行相應的調(diào)整。不同的動力模式都有一個轉速范圍，在固定的動力模式下，系統(tǒng)可以根據(jù)工作情況對轉速做出相應的微調(diào)。如果在模式下，檢測到發(fā)動機時常工作在轉速波動允許范圍內(nèi)，并且對泵控制器的調(diào)節(jié)電流沒有頻繁變化，就證明此時發(fā)動機的輸出功率略大于泵實際所需要的功率，控制器就會發(fā)出指令讓油門直線執(zhí)行電機工作，減小油門開度，從而降低發(fā)動機轉速，達到減小發(fā)動機輸出功率的目的。器中南

40、大學碩士學位論文第二章液壓挖掘機主要能茸損失和罄機節(jié)能方案確定圖總體節(jié)能系統(tǒng)方案另外在重載工況下把泵的吸收功率曲線設定在發(fā)動機能夠提供的最大功率曲線之上，充分利用發(fā)動機的功率。在模式或模式下，把泵的調(diào)節(jié)電流設置在相應的位置，使發(fā)動機工作在經(jīng)濟燃油區(qū)，以節(jié)省燃油消耗。此外，系統(tǒng)還具有調(diào)節(jié)功能。在重載工況下，如果需要大挖掘力慢速作業(yè)時，可以調(diào)節(jié)值減小，增大挖掘力，降低挖掘速度；在模式下需要小挖掘力快速作業(yè)時，也可以通過調(diào)節(jié)尸值變大，增大流量，使工作機構的速度加快，提高工作效率。液壓系統(tǒng)液壓挖掘機的工作裝置主要靠液壓系統(tǒng)驅(qū)動，它是連接發(fā)動機和工作裝置之間的中間環(huán)節(jié)。液壓系統(tǒng)性能的好壞直接影響到挖掘機

41、的整機性能。圖普通系統(tǒng)圖雖然系統(tǒng)已經(jīng)把液壓系統(tǒng)效率提高了很多，但挖掘機工作時，負荷變化中南大學碩士學位論文第二章液壓挖掘機主要能量損失和罄機節(jié)能方案確定大，沖擊嚴重，并且經(jīng)常要做復合動作，所以系統(tǒng)在工作執(zhí)行機構所需要的流量大于液壓泵所能提供的流量時就不能很好地滿足系統(tǒng)需求。根據(jù)以上情況我們選用了黜公司的單回路（與負載壓力無關的流量分配系統(tǒng)），液壓泵選用山公司的斜盤式柱塞恒功率變量泵。系統(tǒng)的主要作用是：當多個執(zhí)行元件同時工作、所需的流量大于液壓泵的流量時，產(chǎn)生供油不足的現(xiàn)象，這不能使正在工作臺的執(zhí)行元件與負載壓力無關的控制得到保證。系統(tǒng)能保證在供油不足時所有執(zhí)行元件的工作速度按正比例下降，以獲得

42、與負載壓力無關的控制彤。的基本原理普通的負荷傳感系統(tǒng)（圖）采用閥前補償?shù)霓k法，壓力補償器比較多路閥節(jié)流口前后的壓力并保持節(jié)流壓降恒定。系統(tǒng)最高執(zhí)行元件壓力通過梭閥轉遞到油泵的閥，調(diào)節(jié)油泵排量，使之與執(zhí)行元件的需求相適應。從圖中可以看出，負荷傳感系統(tǒng)具有良好的執(zhí)行啟動性能和操作性能，與負荷的大小無關。而節(jié)流控制系統(tǒng)（圖包括正、負流量控制）執(zhí)行起點與負載壓力有關，負載較大時，多路閥閥芯的調(diào)速區(qū)減小，挖掘機動作粗暴，幾個執(zhí)行元件同時工作時會互相干擾。【，釤圖負荷傳感系統(tǒng)特性曲線圖節(jié)流控制系統(tǒng)的特性曲線普通系統(tǒng)的缺點是，當系統(tǒng)發(fā)生飽和，即執(zhí)行元件的流量需求大于油泉供油（。）時，不再乒奢直流量分配功能，

43、這時油泵根據(jù)負載大小。流向壓力最低的執(zhí)行元件。具有高多§暾壓力的執(zhí)行元件將降低工作速度直至停止運動。這顯然不能滿足挖掘機的工作要求。在圖中，壓力補償閥安排在多路閥節(jié)流孔的后面，執(zhí)行元件的最高壓力轉遞到所有的壓力補償閥和油泵。通過圖和一系列的關系式可以看到，各個節(jié)流孔（閥開口）后的壓力相等（等于最高負載壓力），由于并聯(lián)回路，各中南大學碩士學位論文第二章液壓挖掘機主要能量損失和整機節(jié)能方案確定圖系統(tǒng)原理簡圖個節(jié)流孔前的壓力也相等（等于最高負載壓力）。所以各個節(jié)流孔的永遠相等。推導過程如下所示：圖中，紕只一（一）必只一只壓力為系統(tǒng)最大壓力，則有最匕。匕：邶必（）（）（）則廿常量（）正常工作

44、時（系統(tǒng)不飽和），為設定值（一般為）。由于為常量，根據(jù)關系式（，卸），各執(zhí)行元件的流量取決于閥開口面積的大小（與壓力無關的流量分配）。（，）（）則有。（）（）：，（如）（）中南大學碩士學岔論文第二章液壓挖掘機主要能暈損失和梁機節(jié)能方案確定盟；互（）函：以當系統(tǒng)發(fā)生飽和時，油泵的供油量見不能滿足多個執(zhí)行元件的需要，尸相應減小，但因前面所說的原因，各個節(jié)流孔的仍然相等，各執(zhí)行元件的流量仍取決于閥開：面積的大小（與壓力無關的流量分配）。的流量分配關系可以從圖中看出。僅有執(zhí)行元件以工作時，變量泵按流量需求輸出。執(zhí)行元件開始工作后，油泵增大流量，直至其最大。當個執(zhí)行元件的流量之和超過油泵的最大流量時系統(tǒng)

45、發(fā)生飽和。第個執(zhí)行元件的流量為。油泵最大流量按比例：（）分配給個執(zhí)行元件，即，。執(zhí)行元件需要流量。，實際流量。比值執(zhí)行元件需要流量。，實際流量比值油泵最大流量圖系統(tǒng)飽和時的流量分配船柏毫乏中南大學碩士學位論文第二章液壓挖掘機主要能量損失和整機節(jié)能方案確定泵的選擇斜盤式變量泵選用博世力士樂（）變量泵。它是一種結構緊湊、功率密度大，用于開式回路的斜盤式變量泵。它采用了變功率比例電磁閥和變補償壓力比例電磁閥口，配合系統(tǒng)的典型型號為。如圖一所示，其控制裝置由功率調(diào)節(jié)電磁閥和負荷傳感電磁閥兩部分組成。恒功率調(diào)節(jié)閾恒功率調(diào)節(jié)彈簧變功率比例電磁鐵調(diào)節(jié)響應時間單向截流聞變補償壓力控制閬設定調(diào)節(jié)彈簧調(diào)節(jié)比例電磁鐵圖變量泵系統(tǒng)原理圖）功率調(diào)節(jié)圖中的為恒功率調(diào)節(jié)閥。油泵功率由調(diào)節(jié)彈簧設定，在一般恒功率范圍雙曲線恒功率裝置起作用。恒功率閥上的電磁鐵作用在閥桿上，其功能實際是改變了彈簧的作用力。油泵功率與彈簧力。成正比，通過改變比例電磁鐵的輸入電流使電磁力發(fā)生變化，從而改變油泵的恒功率設定曲線。比例電磁鐵控制的恒功率曲線是一個區(qū)間。當電控失效后，泵的功率設定為功率彈簧設定曲線位置。變功率控制在在挖掘