工程機械液壓節(jié)能技術(shù)綜述

工程機械液壓節(jié)能技術(shù)綜述

隨著工程技術(shù)品種和數(shù)量的增加，大量工作效率場所所消耗的資源、污染物的排放以及施工中產(chǎn)生的噪聲和灰塵對環(huán)境有了很難估計的影響?！碍h(huán)境”已成為阻礙工程機械發(fā)展的新因素。工程機械產(chǎn)品的設(shè)計與制造要考慮適應(yīng)環(huán)境生態(tài)發(fā)展的要求,開發(fā)研制環(huán)保、節(jié)能型產(chǎn)品是今后工程機械發(fā)展的趨勢,研究工程機械的節(jié)能技術(shù)具有重要的實際意義。本文主要介紹了目前工程機械液壓系統(tǒng)的幾種節(jié)能技術(shù)及其發(fā)展趨勢。為了提高產(chǎn)品的節(jié)能效果和滿足日益嚴格的環(huán)保要求,國內(nèi)外工程機械制造商主要從降低發(fā)動機排放,提高液壓系統(tǒng)效率和減振、降噪等方面入手。由于在工程機械中節(jié)能最能體現(xiàn)在液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)上,所以對此方面的研究較多。20世紀60年代,液壓挖掘機開始應(yīng)用恒功率變量泵,目的是既能充分利用柴油機功率,又不會使柴油機過載。將恒功率控制原理應(yīng)用于雙泵系統(tǒng),從而出現(xiàn)了多種控制形式,如全功率和分功率控制。全功率液壓泵中,雙泵排量靠機械或液壓機構(gòu)保持一致,任何情況下雙泵流量都相同。但由于其本身的結(jié)構(gòu)特點,全功率系統(tǒng)不可避免地存在功率損失,因此,目前國外的大中型挖掘機已經(jīng)基本上不采用。20世紀70—80年代,正流量控制系統(tǒng)出現(xiàn),其目的是為了用容積調(diào)速代替定量系統(tǒng)中的節(jié)流調(diào)速。為提高系統(tǒng)效率,用先導(dǎo)壓力直接控制泵排量,在控制中,隨著先導(dǎo)壓力的增加,泵排量也相應(yīng)增加。操縱手柄可同時操縱兩個液壓缸,引出的先導(dǎo)液壓信號一方面控制兩個六通多路閥,另一方面通過梭閥組將最大先導(dǎo)壓力選擇出來,用來控制泵排量,使液壓泵輸出流量與多路閥工作口的開度成正比。這種系統(tǒng)能減少旁路節(jié)流損失,但不能完全消除。采用這種液壓系統(tǒng)在國外比較典型的一種產(chǎn)品是日立建機(HITACHI)生產(chǎn)的EX400型液壓挖掘機,國內(nèi)產(chǎn)品中比較典型的有四川長江挖掘機廠生產(chǎn)的WY403型全液壓挖掘機和廣西玉柴工程機械有限公司出產(chǎn)的WY20-YC型液壓挖掘機。20世紀80年代初期,日本小松(KOMATSU)公司首先推出了負流量控制系統(tǒng),這種系統(tǒng)有助于消除六通多路閥中產(chǎn)生的空流損失和節(jié)流損失。通過在六通閥的旁路回油路上設(shè)置流量檢測裝置,控制泵排量與旁路回油流量成負線性關(guān)系,從而減小旁路回油功率損失。該技術(shù)稱為OLSS(OpenCenterLoadSensingSystem)系統(tǒng),并應(yīng)用于小松公司生產(chǎn)的PC系列挖掘機上。國內(nèi)采用這種系統(tǒng)的挖掘機,比較典型的有貴州詹陽機械工業(yè)有限公司生產(chǎn)的JY320型履帶式液壓挖掘機。20世紀90年代后,負荷傳感控制技術(shù)在挖掘機上的應(yīng)用越來越多,同時在其系統(tǒng)的多路閥上采用流量分配型的壓力補償措施,壓力補償閥設(shè)在多路閥的下游,這樣,所有的多路閥閥口上的壓差就可以控制在同一個值。即使泵輸出流量不足,無法維持多路閥閥口上正常的負荷傳感壓差,在溢流型壓力補償閥的作用下,仍然可以使所有多路閥閥口上的壓差繼續(xù)保持一致。較典型的產(chǎn)品有Linde公司的VW系列同步閥和Rexroth公司的LUDV閥。采用同樣技術(shù)的還有韓國大宇、小松公司等。國內(nèi)目前只有與國外合資的公司能夠生產(chǎn)具有這種液壓系統(tǒng)的挖掘機,如合肥日立公司生產(chǎn)的EX系列挖掘機。1控制方式分類目前國內(nèi)外工程機械的液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)可以歸納為采用變量泵控制、電液比例控制及混合動力等幾種方式。在實際應(yīng)用中,幾種節(jié)能途徑之間各自采用的技術(shù)并不是孤立的,它們往往是緊密地結(jié)合在一起,互相滲透,形成綜合的節(jié)能技術(shù)。1.1流風速控制方式選擇變量泵可以通過調(diào)節(jié)排量來適應(yīng)工程機械在作業(yè)時的復(fù)雜工況要求,采用壓力感應(yīng)控制,有效地利用發(fā)動機功率,將節(jié)流調(diào)速改為容積調(diào)速,減少能量損失,由于其具有明顯的優(yōu)點而被廣泛使用。變量泵只有排量一個被控對象,在采用不同的控制方式時,可以使變量泵具有不同的輸出特性。應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用場合,選用相適應(yīng)的變量控制形式,以便獲得合適的輸出特性。變量泵的控制方式多種多樣,歸類起來主要有排量控制、LS負載敏感控制和LUDV控制三種基本控制方式。1.1.1先導(dǎo)式三通多路閥排量控制是指對變量泵的排量進行直接控制的控制方式,施加一個控制壓力就可以得到一個相應(yīng)的排量值。排量控制分為正流量控制和負流量控制。正流量控制的目的是為了用容積調(diào)速代替定量系統(tǒng)中的節(jié)流調(diào)速,以提高系統(tǒng)效率,并在20世紀70—80年代開始用于液壓挖掘機。在正流量控制挖掘機上,通常采用先導(dǎo)式三位六通多路閥,比較典型的一種產(chǎn)品是日立建機生產(chǎn)的EX400型液壓挖掘機,其泵排量與先導(dǎo)操縱壓力成正比,但是在其控制系統(tǒng)中由于梭閥組的存在一直是正流量控制系統(tǒng)中的不足,不但增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性,而且影響了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。負流量控制系統(tǒng)有助于消除六通多路閥中產(chǎn)生的空流損失和節(jié)流損失,是一種負荷傳感系統(tǒng),由日本小松公司在20世紀80年代初期首先推出并應(yīng)用于其生產(chǎn)的PC系列挖掘機上。除小松公司外,世界上其他主要挖掘機生產(chǎn)商如日立建機、卡特彼勒(CATERPILLAR)等都推出了類似的液壓系統(tǒng)。其中包括日立建機在1986年推出的EX系列挖掘機如EX200、卡特彼勒CAT300系列挖掘機等,都是應(yīng)用的負流量控制技術(shù)。圖1為川崎(KAWASAKI)K3V系列負流量控制(指流量變化與先導(dǎo)控制壓力成反比)的輸出特性和控制方式。當先導(dǎo)控制壓力pi增大時,變量控制閥閥芯右移,使泵的排量減小,從而使泵的流量Q隨著pi的增大成比例地減小。1.1.2ls控制變量泵負載敏感控制能使泵的輸出壓力和流量自動適應(yīng)負載需求,大幅度提高液壓系統(tǒng)效率。將負載敏感控制用于類似挖掘機這樣的行走式工程機械,早在20世紀60—70年代就被提出,但直到1988年才在歐洲真正用于液壓挖掘機。進入20世紀90年代后,日本也開始在這方面加以研究,并推出了一系列相應(yīng)的挖掘機產(chǎn)品,如小松公司的PC200-6、日立建機的EX200-2等。圖2所示是LS控制的典型實現(xiàn)形式,它通過壓力差對泵的排量進行控制,當Δp與彈簧壓力不平衡時,變量控制閥閥芯偏移,使泵排量發(fā)生相應(yīng)變化。圖3所示是采用LS控制變量泵實現(xiàn)LS調(diào)速系統(tǒng)的基本原理。Δp為節(jié)流口前后壓力差,Δp=pA-pL,其中pA為泵口壓力,pL為負載壓力。其最大的特點就是可以根據(jù)負載大小和調(diào)速要求對泵進行控制,從而實現(xiàn)按需供流的同時,使調(diào)速節(jié)流損失Δp控制在很小的固定值,提高系統(tǒng)的效率[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]。但是LS控制的缺點在于,當閥開度太大,系統(tǒng)要求的流量超過泵的供油能力時,高負載上的執(zhí)行元件的速度就會降低直至停止,使整機的操作失去協(xié)調(diào)性。1.1.3壓力補償閥的工作壓力計算為了解決LS負載敏感系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題,博世力士樂公司研發(fā)出了一套系統(tǒng),其系統(tǒng)原理圖如圖4所示。此系統(tǒng)與普通負載傳感不同的是:1)壓力補償閥設(shè)在節(jié)流閥后面;2)負載壓力信號取決于梭閥的最高壓力,而不是取決于本身。由圖4并根據(jù)壓力補償閥的受力情況可知:式(圖4)中:pi———操縱閥閥后壓力;Δpi———操縱閥壓力損失,i=1,2。因為彈簧剛度很小,所以Fk很小,因而pi(i=1,2)基本相等:由式(2)可知,所有節(jié)流環(huán)節(jié)的壓差基本都相等。這樣,所有的多路閥閥口上的壓差就可以控制在同一個值。即使泵輸出流量不足,無法維持多路閥閥口上正常的負荷傳感壓差,但在溢流型壓力補償閥的作用下,仍然可以使所有多路閥閥口上的壓差繼續(xù)保持一致。在這種情況下,雖然各執(zhí)行機械的工作速度會降低,但由于所有閥口上的壓差一致,因此各執(zhí)行機構(gòu)的工作速度之間的比例關(guān)系仍然保持不變,從而保證了挖掘機動作的準確性,這種系統(tǒng)在20世紀90年代得到廣泛應(yīng)用。通過對上述3種液壓系統(tǒng)的了解,可以得出它們的共同點和不同點,這對于我們在實際生產(chǎn)中究竟選用哪一套系統(tǒng)提供了一個參考,控制系統(tǒng)的比較如表1所示。1.2動力系統(tǒng)的動力更方便、靈活電液比例技術(shù)用于工程機械,可以省去復(fù)雜、龐大的液壓信號傳遞管路,用電信號傳遞液壓參數(shù),不但能加快系統(tǒng)響應(yīng),而且使整個挖掘機動力系統(tǒng)控制更方便、靈活。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,電液比例控制將進一步“智能化”,這種智能化主要體現(xiàn)在計算機能夠自動監(jiān)測液壓系統(tǒng)和柴油機的運行參數(shù),如壓力、柴油機轉(zhuǎn)速等,并能根據(jù)這些參數(shù)自動控制整個挖掘機動力系統(tǒng),使其運行在高效節(jié)能狀態(tài),這將是節(jié)能技術(shù)發(fā)展的一個趨勢。1.3電控噴射系統(tǒng)現(xiàn)代柴油機一般采用電控噴射、共軌、渦輪增壓中冷等技術(shù),電噴柴油機在汽車行業(yè)已開始應(yīng)用,而在工程機械領(lǐng)域剛起步,不久將普遍推廣。柴油機的電控噴射系統(tǒng)是通過控制噴油時間來調(diào)節(jié)負荷的大小。柴油機電控噴射系統(tǒng)由傳感器、控制單元(ECU)和執(zhí)行機構(gòu)等三部分組成。其任務(wù)是對噴油系統(tǒng)進行電子控制,實現(xiàn)對噴油量以及噴油定時隨運行工況的實時控制。采用轉(zhuǎn)速、溫度、壓力等傳感器,將實時檢測的參數(shù)同步輸入計算機,與控制單元(ECU)中儲存的參數(shù)值進行比較,經(jīng)過處理計算,按照最佳值對執(zhí)行機構(gòu)進行控制,驅(qū)動噴油系統(tǒng),使柴油機運行狀態(tài)達到最佳。工程機械用柴油機采用電噴控制技術(shù),可以使噴油泵的循環(huán)供油量和噴油提前角不再受轉(zhuǎn)速的影響,使機械一直工作在最佳狀態(tài),并且動力響應(yīng)速度快,油耗小,功率利用率高。工程機械用柴油機采用電噴控制技術(shù)是節(jié)能的一個重要環(huán)節(jié)和發(fā)展趨勢。1.4流量控制的應(yīng)用工程機械廣泛采用四通道、六通道多路閥,在多路閥的系統(tǒng)中有直通供油路可組成優(yōu)先回路;中位時直通回油和并聯(lián)供油路可組成并聯(lián)回路,并將壓力、流量和功率變化的信號組合進行反饋,實現(xiàn)控制功能較全面的負荷傳感閥。如Nordhydraulic公司在通用閥上組合一片進油聯(lián),就可實現(xiàn)流量負荷傳感控制(LS)系統(tǒng)。日本小松、神鋼挖掘機用川崎KMX15多路閥,佳友挖掘機用東芝U28多路閥,韓國大宇挖掘機用DX28多路閥,均組合了壓力反饋液壓泵排量控制、直線行駛、回轉(zhuǎn)優(yōu)先、動臂和斗桿自合流等功能。多路閥的組合方式越來越智能化,將更有利于液壓系統(tǒng)的節(jié)能。1.5動力系統(tǒng)目前在工程機械和汽車上已經(jīng)開始使用了混合動力系統(tǒng),如一些液壓挖掘機和城市公交車等?；旌蟿恿Ψ譃橐噪娔転榇鎯Ψ绞降幕旌蟿恿ο到y(tǒng)和以壓力作為儲能方式的混合動力系統(tǒng)。1.5.1混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的特點(1)串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)發(fā)動機不直接與動力傳動系統(tǒng)相連,可保持在高效率區(qū)穩(wěn)定工作。電動機隨負荷的變化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速輸出,電動機所需電能直接來源于發(fā)電機或蓄電池。由于發(fā)動機的工作區(qū)域穩(wěn)定,所以排放性能好,能量效率較高。不足之處是系統(tǒng)的負載能力完全取決于電動機額定功率的大小,而且電動機的轉(zhuǎn)速不能太低或太高,否則效率很低。(2)并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)其動力來源有兩個:一個是發(fā)動機,另一個是蓄電池和電動機,二者通過轉(zhuǎn)矩合成器與動力傳動系統(tǒng)相連。機械行駛時可以由發(fā)動機單獨提供轉(zhuǎn)矩,也可以由二者協(xié)同驅(qū)動(一般電驅(qū)動起輔助作用)或者當?shù)退俚拓摵蓵r只利用電驅(qū)動行駛。該系統(tǒng)的主要特點是發(fā)動機與電動機聯(lián)合驅(qū)動,動力強勁,對控制系統(tǒng)的要求較高,與串聯(lián)系統(tǒng)相比不需要發(fā)電機,當制動時電動機發(fā)揮發(fā)電機的作用可回收制動能量。(3)混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)綜合了串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動力的結(jié)構(gòu)特點?；旌鲜交旌蟿恿ο到y(tǒng)按照電機相對發(fā)動機的功率比大小可以分為助力型(輕度混合)、雙模式型(中度混合)和續(xù)駛里程延長型。按行駛過程中電池電量的控制方式,則可分為電量維持型混合動力系統(tǒng)和電量消耗型混合動力系統(tǒng)。1.5.2汽車能量回收系統(tǒng)(1)Cumulo驅(qū)動系統(tǒng)由瑞典VOLVO公司首先提出,對城市公交車傳統(tǒng)的機械傳動系汽車進行制動能量回收的研究,并取得了成功。這種公共汽車的傳動軸同時與發(fā)動機和液壓泵/馬達相連。當公共汽車制動時,傳動軸就驅(qū)動液壓泵,將備罐中的油液泵入一個壓縮器,壓縮器隨即將氮氣壓入兩個高壓容器中。當汽車重新發(fā)動時,壓縮氣體被釋放回原系統(tǒng)驅(qū)動汽車。試驗結(jié)果表明,在城市使用的車輛,燃料消耗量大約可降低30%,或者在相同的燃料消耗條件下,車輛可以多行駛45%的里程數(shù)。同時,汽車易損件制動器及同步器的使用壽命提高了3倍以上。與傳統(tǒng)汽車相比,汽車的廢氣排放可減少約30%,改善了汽車對環(huán)境的污染。(2)二次調(diào)節(jié)靜液驅(qū)動系統(tǒng)波蘭羅茨工業(yè)大學的帕沃斯基博士研究了一種采用二次調(diào)節(jié)靜液驅(qū)動的新型方案。利用該方案可以使老式市內(nèi)公共汽車僅用很小的花費就可以實現(xiàn)現(xiàn)代化,哈爾濱工業(yè)大學液壓與氣動教研室正在進行這方面的研究。這是一個帶有二次調(diào)節(jié)閉環(huán)控制的驅(qū)動裝置,公共汽車在加速過程中,所需功率通過一次元件從柴油機和直接從液壓蓄能器中吸取。當達到行駛的正常速度后,所需的功率將減小,這時僅由一次元件的輸出功率即可滿足;在制動時,二次元件工作在泵工況,并且為液壓蓄能器重新充壓。這樣,液壓蓄能器一方面滿足功率峰值(在加速時)的要求,另一方面可回收汽車的制動能量。其優(yōu)點是柴油機只用來提供汽車恒轉(zhuǎn)速行駛的能量和補充系統(tǒng)中的液壓損失,這樣驅(qū)動裝置構(gòu)成了一個無級變速傳動,使得柴油機能夠工作在一個合理的工作區(qū)內(nèi),使其消耗最為合理。(3)CPS系統(tǒng)20世紀90年代,日本著名學者HiroshiNAKAZAWA、YasuoKITA等開始研究定壓源液壓驅(qū)動系統(tǒng),并取得了較大進展。由于車輛全部采用了液壓傳動系統(tǒng),因而使汽車底盤的布置更為方便。試驗證明,汽車的部分性能(如動力性、燃油經(jīng)濟性、舒適性及制動安全性等)也得到了明顯的改善。使用定壓源(ConstantPressureSource,簡稱CPS)的飛輪系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡單、效率高等優(yōu)點,成為目前汽車能量回收系統(tǒng)的主要形式之一。通過發(fā)動機和飛輪的混合驅(qū)動為系統(tǒng)提供動力,采用定壓源液壓驅(qū)動系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的能量傳遞,從而實現(xiàn)能量的傳遞及汽車牽引力(加速/減速)的控制。1.6維協(xié)同對于挖掘機而言,隨著液壓挖掘機“智能化”程度的提高,各種傳感器和控制器將遍布挖掘機的各處,這將導(dǎo)致挖掘機內(nèi)部充斥各種導(dǎo)線、線頭,使控制系統(tǒng)變得復(fù)雜,可靠性降低。解決這一問題的方法是采用現(xiàn)場總線和嵌入式系統(tǒng),使控制系統(tǒng)在具有強大功能的同時,還具有體積小,結(jié)構(gòu)簡單和可靠性高的優(yōu)點。目前,在行走機械領(lǐng)域,已經(jīng)有了這樣一種現(xiàn)場總線,稱為CAN總線。電子技術(shù)的發(fā)展也使控制芯片的體積更小,功能更強,能很容易地嵌入到行走機械各種部件的內(nèi)部。1.7發(fā)動機及相關(guān)液壓變壓器研發(fā)新的實用化的節(jié)能液壓元件及系統(tǒng),如自由活塞發(fā)動機及相關(guān)的液壓變壓器等。改變液壓油的物理性質(zhì),如采用黏性指數(shù)高的多級液壓油,也將是節(jié)能技術(shù)發(fā)展的另一個新趨勢。2負載敏感系統(tǒng)的流程就目前的發(fā)展趨勢而言,在工程機械中,功率匹配對于系統(tǒng)的節(jié)能有重大的影響。介紹一種全局功率匹配思想,較傳統(tǒng)的局部功率匹配而言,調(diào)節(jié)更簡單、靈活。在挖掘機中,單純的局部功率匹配并不能很好地實現(xiàn)節(jié)能效果,這是因為在作出具體的調(diào)節(jié)時,發(fā)動機與泵的匹配需要調(diào)節(jié)泵的排量,而泵與負