[发明专利]挖掘机液压系统节能效果的在线测试和评价方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种挖掘机液压系统节能效果的在线测试和评价方法及系统。

背景技术

挖掘机是用量最大、用途最广、也是最具有代表性的工程机械。挖掘机作 为经济、高效的土石方施工机械，已广泛应用于工业与民用建筑、交通运输、 水力电力工程、农田改造、矿山采掘以及现代军事工程等机械化施工中。

挖掘机虽然能进行大功率、高灵敏度的各种作业，但其能量的总利用率仅 为20％左右。液压系统可以说是挖掘机的“心脏”，是挖掘机的最核心部分，也 是能量供给和消耗的主要部分。挖掘机的核心液压元部件，连同液压技术及其 控制技术，被广泛应用于工程机械的各个领域。因此挖掘机液压系统的节能技 术一直成为人们追求的目标，也成为了工程机械节能减排的最重要研究部分之 一。

挖掘机在工作时，若多路阀开口较大，系统没有过载，在不计沿程阻力的 条件下，液压系统的最高效率可达95％。但实际挖掘机在工作过程中，由于负 载变化较大，操作状况也千差万别，因此液压系统的效率也变化较大。在挖掘 机的液压系统中，主要存在以下能量损失：

1)节流损失

大多数挖掘机仍采用六通径多路阀作为换向和控制元件，在对流量调节的 过程中，大量的液压油以旁路节流的形式回油箱，造成功率损失。当挖掘机进 行精细作业和卸土时，需要对工作装置进行微动操作控制，一般通过控制操纵 阀开度进行节流调速，液压油经过控制阀节流时产生的节流损失也很大。

2)溢流损失

挖掘机超载时，安全阀或过载阀打开，压力油通过安全阀回油箱，发动机 全部功率都会消耗在溢流阀上。挖掘机在回转启动时，由于挖掘机上车巨大的 转动惯量，回转马达不能完全吸收泵输出的流量，多余流量只能通过平衡阀溢 流回油箱，造成功率损失。

挖掘机在制动时，回转多路阀关闭，但因上车巨大的转动惯量，使回转马 达继续转动(相当于液压泵)，排出的液压油经平衡阀到回转马达的另一边，因 此平衡阀起到溢流阀的作用，将上车的动能转化为液压系统的热量而耗散。

3)操纵阀中位时能量损失

挖掘机工作装置停止作业时，各操纵阀处于中位，此时液压泵只克服管道 阻力和为防止气蚀而设的背压，系统压力不高，但变量泵因功率自动调节流量 却很大，因此也有不小的能量损失。

4)功率匹配不合理而引起的能量损失

发动机和液压泵联合工作时，从万有特性曲线上看，柴油机理想工作点应 位于低耗油区。由于挖掘机工作负载的多变性，发动机一液压泵系统不大可能 在各种工况下都处于最经济工作状态，发动机工作点经常处在耗油率较高的区 域以上，从而造成一定的能量损失。

5)沿程功率损失

液压油通过管道和接头等的沿程损失，这种损失是不可避免的。液压系统 的沿程压力损失所造成的功率损失也是不可小视的。在泵出口处测得的空流压 力(大约有2—3MPa)中有很大一部分是沿程压力损失。

6)动臂斗杆下降过程能量损失

动臂在举升过程中将液压能转换为势能。为防止动臂下降过快，通常在动 臂油路上装单向节流阀，在动臂下降时起阻尼作用，从而将势能转化为热能。 同样，斗杆在做类似的操作时，也有势能损失的问题。

针对上述问题，挖掘机液压系统的节能技术经过几十年来的发展，取得了 如下的一些研究成果：

1)恒功率技术

20世纪60年代，挖掘机液压系统由定量泵改为变量泵，将节流调速改为容 积调速，开始采用压力感应恒功率控制，目的是充分利用发动机功率，又不使 发动机过载。目前在国外挖掘机液压系统中，多采用多级恒功率控制。

2)正流量控制

正流量控制在70年代开始用于挖掘机，其原理是用先导压力直接控制泵的 排量。在控制中，随先导压力的增加，泵的排量也增加。正流量控制减少了旁 路节流损失，有欺地消除了空流损失，因而得到广泛应用。

3)负流量控制

负流量控制是液压泵中的流量随控制压力信号的增大而减小，即控制油压 与流量成反比。液压泵带有负流量控制，可实现当系统换向阀处于中位时，通 过负流量控制阀产生反馈信号，传送到主泵控制阀，主泵的流量随压力信号增 大而减小，避免了传统的挖掘机靠溢流阀的溢流控制方式，最大限度地减少功 率的损失和系统发热。

4)负荷传感控制