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二手挖掘機工程機械液壓節能技術的現狀及發展

作者:二手挖掘機 來源:juhua355556.cn 發布時間:2017-07-11

摘要:綜述國内外工程機械應用的液壓節能技術,介紹變量泵的排量控制、ls負載敏感控制和l.udv控制等幾種節能控制方式,以及它們在不iqj工況下的控制措施。

二手挖掘機綜述國内外工程機械應用的液壓節能技術,介紹變量泵的排量控制、ls負載敏感控制和l.udv控制等幾種節能控制方式,以及它們在不iqj工況下的控制措施。介紹混合動力控制在工程機械中的應用,對工程機械液壓節能的發展趨勢進行分析,提出基于全局功率匹配控制的節能構想。

随着工程機械品種和數量的不斷增加,大量工程機械所消耗的資源、排放的污染物以及施工中産生的噪聲、粉塵對環境産生了難以估計的影響,“環境”已成為阻礙工程機械發展的新因素。工程機械産品的設計與制造要考慮适應環境生态發展的要求,開發研制環保、節能型産品是今後工程機械發展的趨勢[fll,研究工程機械的節能技術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的幾種節能技術及其發展趨勢。

為了提高産品的節能效果和滿足日益嚴格的環保要求,國内外工程機械制造商主要從降低發動機排放,提高液壓系統效率和減振、降噪等方面入手。由于在工程機械中節能最能體現在液壓系統和控制系統上,所以對此方面的研究較多。

二手挖掘機

20世紀60年代,液壓挖掘機開始應用恒功率變量泵,目的是既能充分利用柴油機功率,又不會使柴油機過載。将恒功率控制原理應用于雙泵系統,從而出現了多種控制形式,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保持一緻,任何情況下雙泵流量都相同。但由于其本身的結構特點,全功率系統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基本上不采用。0世紀70一80年代,正流量控制系統出現,其目的是為了用容積調速代替定量系統中的節流調速。為提高系統效率,用先導壓力直接控制泵排量,在控制中,随着先導壓力的增加,泵排量也相應增加。操縱手柄可同時操縱兩個液壓缸,引出的先導液壓信号一方面控制兩個六通多路閥,另一方面通過梭閥組将最大先導壓力選擇出來,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。這種系統能減少旁路節流損失,但不能完全消除。采用這種液壓系統在國外比較典型的一種産品是日立建機(hitachv生産的ex400型液壓挖掘機,國内産品中比較典型的有四川長江挖掘機廠生産的wy403型全液壓挖掘機和廣西玉柴工程機械有限公司出産的wy20-yc型液壓挖掘機。

20世紀80年代初期,日本小松(i}omatsu)公司首先推出了負流量控制系統,這種系統有助于消除六通多路閥中産生的空流損失和節流損失。通過在六通閥的旁路回油路上設置流量檢測裝置,控制泵排量與旁路回油流量成負線性關系,從而減小旁路回油功率損失。該技術稱為olss( open centerload sensing systerr}系統,并應用于小松公司生産的pc系列挖掘機上。國内采用這種系統的挖掘機,比較典型的有貴州詹陽機械工業有限公司生産的jy320型履帶式液壓挖掘機。20世紀90年代後,負荷傳感控制技術[f21在挖掘機上的應用越來越多,同時在其系統的多路閥上采用流量分配型的壓力補償措施,壓力補償閥設在多路閥的下遊,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保持一緻。典型的産品有 linde 公司的 vw 系列同步閥和rexroth 公司的 ludv 閥。采用同樣技術的還有韓國大宇、小松公司等。國内目前隻有與國外合資的公司能夠生産具有這種液壓系統的挖掘機,如合肥日立公司生産的 ex 系列挖掘機[3]二手挖掘機價格

1 工程機械液壓節能技術的研究現狀

目前國内外工程機械的液壓系統節能技術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。在實際應用中,幾種節能途徑之間各自采用的技術并不是孤立的,它們往往是緊密地結合在一起,互相滲透,形成綜合的節能技術。二手挖掘機價格

1.1 采用變量泵的控制方式

變量泵可以通過調節排量來适應工程機械在作業時的複雜工況要求,采用壓力感應控制,有效地利用發動機功率,将節流調速改為容積調速,減少能量損失,由于其具有明顯的優點而被廣泛使用。變量泵隻有排量一個被控對象,在采用不同的制方式時,可以使變量泵具有不同的輸出特性。應根據具體的應用場合,選用相适應的變量控制形式,以便獲得合适的輸出特性[4-5]。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 排量控制

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速代替定量統中的節流調速,以提高系統效率,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,通常采用先導式三位六通多路閥,比較典型的一種産品是日立建機生産的 ex400 型液壓挖掘機,其泵排量與先導操縱壓力成正比,但是在其控制系統中由于梭閥組的存在一直是正流量控制系統中的不足,不但增加了系統的複雜性,而且影響了系統的響應速度。

負流量控制系統有助于消除六通多路閥中産生的空流損失和節流損失,是一種負荷傳感系統,由日本小松公司在 20 世紀 80 年代初期首先推出并用于其生産的 pc 系列挖掘機上。除小松公司外,世界上其他主要挖掘機生産商如日立建機、卡特彼勒(caterpillar)等都推出了類似的液壓系統。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,都是應用的負流量控制技術。

圖 1 為川崎(kawasaki)k3v 系列負流量控制[6,9-10](指流量變化與先導控制壓力成反比)的輸出特性和控制方式。當先導控制壓力 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 随着 pi的增大成比例地減小。

1.1.2 ls 負載敏感控制系統

負載敏感控制能使泵的輸出壓力和流量自動适應負載需求,大幅度提高液壓系統效率。将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年代後,日本也開始在這方面加以研究,并推出了一系列相應的挖掘機産品,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,使泵排量發生相應變化。

圖 3 所示是采用 ls 控制變量泵實現 ls 調速系統的基本原理。δp 為節流口前後壓力差,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負載大小和調速要求對泵進行控制,從而實現按需供流的同時,使調速節流損失 δp控制在很小的固定值,提高系統的效率[2-11]。但是 ls控制的缺點在于,當閥開度太大,系統要求的流量超過泵的供油能力時,高負載上的執行元件的速度就會降低直至停止,使整機的操作失去協調性。

1.1.3 ludv 控制系統

為了解決 ls 負載敏感系統中出現的問題,博世力士樂公司研發出了一套系統,其系統原理圖如圖 4 所示。

此系統與普通負載傳感不同的是:

1)壓力補償閥設在節流閥後面;

2)負載壓力信号取決于梭閥的最高壓力,而不是取決于本身。

由圖 4 并根據壓力補償閥的受力情況可知:

式(圖 4)中:pi———操縱閥閥後壓力;

pm———最大負載壓力;

ak———補償閥作用面積;

fk———補償閥彈簧壓力;

pp———泵的出口壓力;

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:

δp1≈δp2≈…≈pp-pi(2)

由式(2)可知,所有節流環節的壓差基本都相等[12]。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保持一緻。在這種情況下,雖然各執行機械的工作速度會降低,但由于所有閥口上的壓差一緻,因此各執行機構的工作速度之間的比例關系仍然保持不變,從而保證了挖掘機動作的準确性,這種系統在 20 世紀 90 年代得到廣泛應用。

通過對上述 3 種液壓系統的了解,可以得出它們的共同點和不同點,這對于我們在實際生産中究竟選用哪一套系統提供了一個參考,控制系統的比較如表 1 所示。

1.2 電液比例控制智能化

電液比例技術用于工程機械,可以省去複雜、龐大的液壓信号傳遞管路,用電信号傳遞液壓參數,不但能加快系統響應,而且使整個挖掘機動力系統控制更方便、靈活。

随着計算機技術的發展,電液比例控制将進一步“智能化”,這種智能化主要體現在計算機能夠自動監測液壓系統和柴油機的運行參數,如壓力、柴油機轉速等,并能根據這些參數自動控制整個挖掘機動力系統,使其運行在高效節能狀态,這将是節能技術發展的一個趨勢[13]。

1.3 柴油機電噴控制

現代柴油機一般采用電控噴射、共軌、渦輪增壓中冷等技術,電噴柴油機在汽車行業已開始應用,而在工程機械領域剛起步,不久将普遍推廣。柴油機的電控噴射系統是通過控制噴油時間來調節負荷的大小。柴油機電控噴射系統由傳感器、控制單元(ecu)和執行機構等三部分組成。其任務是對噴油系統進行電子控制,實現對噴油量以及噴油定時随運行工況的實時控制。采用轉速、溫度、壓力等傳感器,将實時檢測的參數同步輸入計算機,與控制單元(ecu)中儲存的參數值進行比較,經過處理計算,按照最佳值對執行機構進行控制,驅動噴油系統,使柴油機運行狀态達到最佳。

工程機械用柴油機采用電噴控制技術,可以使噴油泵的循環供油量和噴油提前角不再受轉速的影響,使機械一直工作在最佳狀态,并且動力響應速度快,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是節能的一個重要環節和發展趨勢。

1.4 多路閥多方式組合控制

工程機械廣泛采用四通道、六通道多路閥,在多路閥的系統中有直通供油路可組成優先回路;中位時直通回油和并聯供油路可組成并聯回路,并将壓力、流量和功率變化的信号組合進行反饋,實現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,就可實現流量負荷傳感控制(ls)系統。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、回轉優先、動臂和鬥杆自合流等功能。多路閥的組合方式越來越智能化,将更有利于液壓系統的節能[14]。

1.5 混合動力系統

目前在工程機械和汽車上已經開始使用了混合動力系統,如一些液壓挖掘機和城市公交車等。混合動力分為以電能為存儲方式的混合動力系統和以壓力作為儲能方式的混合動力系統。

1.5.1 以電能為存儲方式的混合動力系統

(1)串聯式混合動力系統 發動機不直接與動力傳動系統相連,可保持在高效率區穩定工作。電動機随負荷的變化調節轉矩和轉速輸出,電動機所需電能直接來源于發電機或蓄電池。由于發動機的工作區域穩定,所以排放性能好,能量效率較高。不足之處是系統的負載能力完全取決于電動機額定功率的大小,而且電動機的轉速不能太低或太高,否則效率很低。

(2)并聯式混合動力系統 其動力來源有兩個:一個是發動機,另一個是蓄電池和電動機,二者通過轉矩合成器與動力傳動系統相連。機械行駛時專可以由發動機單獨提供轉矩,也可以由二者協同驅動(一般電驅動起輔助作用)或者當低速低負荷時隻利用電驅動行駛。該系統的主要特點是發動機與電動機聯合驅動,動力強勁,對控制系統的要求較高,與串聯系統相比不需要發電機,當制動時電動機發揮發電機的作用可回收制動能量。

(3)混聯式混合動力系統 綜合了串聯式和并聯式混合動力的結構特點。混合式混合動力系統按照電機相對發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)和續駛裡程延長型。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和電量消耗型混合動力系統[15-16]。

1.5.2 以壓力作為儲能方式的混合動力系統

(1)cumulo 驅動系統 由瑞典 volvo 公司首先提出,對城市公交車傳統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動機和液壓泵/馬達相連。當公共汽車制動時,傳動軸就驅動液壓泵,将備罐中的油液泵入一個壓縮器,壓縮器随即将氮氣壓入兩個高壓容器中。當汽車重新發動時,壓縮氣體被釋放回原系統驅動汽車[17]。試驗結果表明,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%的裡程數。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。與傳統汽車相比,汽車的廢氣排放可減少約 30%,改善了汽車對環境的污染。

(2)二次調節靜液驅動系統 波蘭羅茨工業大學的帕沃斯基博士研究了一種采用二次調節靜液驅動的新型方案。利用該方案可以使老式市内公共汽車僅用很小的花費就可以實現現代化,哈爾濱工業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節閉環控制的驅動裝置,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後,所需的功率将減小,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。其優點是柴油機隻用來提供汽車恒轉速行駛的能量和補充系統中的液壓損失,這樣驅動裝置構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内,使其消耗最為合理[18-19]。

(3)cps 系統 20 世紀 90 年代,日本著名學者 hiroshi nakazawa、yasuo kita 等開始研究定壓源液壓驅動系統,并取得了較大進展。由于車輛全部采用了液壓傳動系統,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、燃油經濟性、舒适性及制動安全性等)也得到了明顯的改善。使用定壓源(constant pressure source,簡稱 cps)的飛輪系統由于結構簡單、效率高等優點,成為目前汽車能量回收系統的主要形式之一。通過發動機和飛輪的混合驅動為系統提供動力,采用定壓源液壓驅動系統代替傳統的能量傳遞,從而實現能量的傳遞及汽車牽引力(加速/減速)的控制[20-22]。

1.6 現場總線和嵌入式系統

對于挖掘機而言,随着液壓挖掘機“智能化”程度的提高,各種傳感器和控制器将遍布挖掘機的各處,這将導緻挖掘機内部充斥各種導線、線頭,使控制系統變得複雜,可靠性降低。解決這一問題的方法是采用現場總線和嵌入式系統,使控制系統在具有強大功能的同時,還具有體積小,結構簡單和可靠性高的優點。目前,在行走機械領域,已經有了這樣一種現場總線,稱為 can 總線。電子技術的發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内部[7]。

1.7 其他節能措施

研發新的實用化的節能液壓元件及系統,如自由活塞發動機及相關的液壓變壓器等。改變液壓油的物理性質,如采用黏性指數高的多級液壓油,也将是節能技術發展的另一個新趨勢[23]。

2 工程機械液壓節能技術的發展趨勢

就目前的發展趨勢而言,在工程機械中,功率匹配對于系統的節能有重大的影響。介紹一種全局功率匹配思想,較傳統的局部功率匹配而言,調節更簡單、靈活。

在挖掘機中,單純的局部功率匹配并不能很好地實現節能效果,這是因為在作出具體的調節時,圖 5 全局功率匹配流程圖發動機與泵的匹配需要調節泵的排量,而泵與負載的匹配也需要調節泵的排量,這就在調節時出現了幹涉現象,因此需要對這三者進行綜合考慮。

目前大多數挖掘機使用的是變量泵和負載敏感系統,利用負載敏感系統中泵對負載壓力和流量的自适應性實現泵與負載的匹配;然後按照泵與負載的匹配功率,确定發動機的最佳工作點,通過自動調節發動機油門的大小,使發動機在最佳工作點附近工作,這樣就實現了全局的功率匹配,流程圖如圖 5 所示。

以挖掘機為例,具體的推導過程如下。要實現發動機、泵和負載的整體功率匹配,必須滿足下式:

nte=npvg=plql(3)

式中:n———發動機轉速;

te———發動機最佳節能點的轉矩;

ps———泵的出口壓力;

vg———泵幾何排量;

pl———負載壓力;

ql———負載所需流量。

計算匹配功率的負載壓力 pl可通過壓力傳感器獲得,因此隻需計算負載所需的流量。介紹一種檢測先導壓力的方法間接獲得負載所需流量。

由 2 個壓力傳感器分别檢測左右 2 個控制手柄的先導壓力。假設左手柄控制鬥杆運動,右手柄控制動臂運動,壓力傳感器 1 檢測鬥杆換向閥的壓力 p1,壓力傳感器 2 檢測動臂換向閥的壓力 p2。假設:a1是鬥杆控制閥口開度,a2是動臂控制閥口開度,q1是鬥杆液壓缸所需流量,q2是動臂液壓缸所需流量。

由 p1,p2與 a1,a2的關系可知:

事實上,從先導裝置的數學特性可知,先導手柄位移、先導控制壓力與控制流量成線性關系,則式(4)可表示成:

則負載所需流量為:

ql=q1+q2=k1p1+k22(7)

然後通過發動機的轉速感應控制自動調節發動機的油門,使其與負載所需的流量達到一緻,從而達到功率的有效匹配[24-25]。

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