当代液压挖掘机功率控制技术的分析

专题综述
件的生产和质量， 尤其是提高液压元件的质量， 以达 到在满足产品可靠性要求的前提下降低产品成本； 提 高产品售后服务质量。 性； 减少故障的发生；
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（ 关键零部件如发动机、 变矩器、 变速器、 后桥、 %） 液压泵、 多路阀等， 应实行全球采购， 以提高产品可靠 （ 采用专用整体式车架及蛙腿式支撑， 以提高 !） 产品行走及工作的稳定性； （ &） 采用无驱动的转向前桥及不带侧移架的结 构， 以提高机构利用率， 降低生产制造成本； （ 辅以多功能作业工具， 以提高产品的利用率。 ’） （ 市场售价控制在三十五万元人民币左右。 (） 根据某厂对国内建筑、 市政、 自来水、 电力、 公路、 油田、煤气等部门的 !($ 家用户走访的资料表明， 满 足以上配置及价位的机型， 当前国内用户是比较容易 接受的。 目前， 国内已有多家企业正在按以上思路试制质 量和可靠性较高， 既经济又适用的新一代挖掘装载机 产品。
排量不变， 泵 4 通、 5 断时泵排量减小， 4 断、 5 通时， 排量增加。4、 主泵工作点变化 5 的通断由 02- 控制， 规律由 02- 的软件决定， 摆脱了恒功率曲线的影子。 由电子控制的主泵， 其工作点不再单一地沿某个 特性曲线变化， 而是扩展为面， 而且瞬息可变， 这为功 率控制提供了强有力的技术支持。
. 负荷传感系统
图 2 为德国林德（ 公司的 %&( 负荷传感 %3/45） 系统的原理图。它通过主阀出口处的压力补偿阀及 梭阀控制主阀进、 出口的压差， 使之保持一个恒定值， 通过阀心的流量就只与阀心开口面积有关。各主阀均 保持同样压差， 不受外负荷影响。它们的流量分配按 各阀开度大小成比例分配， 而阀的开度受控于人为操 作。各阀分流出的控制压力由梭阀检测出最大的一个 传至主泵变量机构， 以控制其流量。主阀的进、 出口压
图 %’ 泵的另一种变量机构
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& 电子控制技术的应用
#$% 液压泵的电子控制 图 ) 是主泵的电子控制原理图， 是在传统恒功率
变量泵的变量机构之外装一个电液比例减压阀， 泵控 制器（ 可实时的改变该阀的控制电流的大小， 因 02-） 而可改变它的输出液压压力，进而控制泵的变量机 构， 使泵的排量发生变化， 形成不同的特性曲线， 如图 功率） 可控泵。 3。这意味着主泵成了十分灵活的扭矩（ 图 !* 是另外一种泵的变量机构，用 4、 5 两只高 速电磁阀控制变量缸的动作。4、 主泵 5 同时关闭时，
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（ "） 林德公司负荷传感系统的节能效果
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工程机械
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流量 !**+去工作， 而压力补偿阀稍有压力损失， 负流 量系统则有空流量损失， 各有所短。发动机空运转时 该系统无流量损失， 这在发动机启动时更有益， 这优 于负流量系统。 德国力士乐公司推出的 ,-./ 系统， 称之为与负 荷无关的流量分配系统；日本小松的 0,11 系统称为 中央闭式负荷传感系统； 日本日立建机公司的负荷传 感系统， 其基本结构原理与功能都与林德 ,10 系统类 同， 也得到了较好的应用。
# 负流量控制系统
图 # 为负流量控制系统简图。 主泵流量分为两部 分， 大部分通过主阀到执行元件做功， 另一小部分经 主阀中心回油道返回油箱。在主阀回油道上有一个节 流孔， 在节流孔前引出一油路至主泵变量机构， 即成 为控制油路， 其油压的变化即可控制主泵流量。当主 阀回油量大时， 控制油路的油压提高， 泵的流量即减 小， 反之， 油泵流量加大。控制油压与泵流量成反比， 故称为负流量控制。当挖掘机工作时， 泵的流量大部 分去了执行元件， 回油量很小， 于是泵的流量增大， 当
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主阀处于中位时， 全部流量回油箱， 泵的控制油压最 大， 泵的流量减到最小。挖掘机工作与否， 动作的快 慢， 由人操纵先导阀控制主阀开度来决定， 主阀开度 又决定回油量的大小， 进而控制了泵的流量大小。 图$ 为先导油压与主泵流量、 工作油流量、 回油流量的关 系图。先导油压又正比地受控于先导阀开度。 负流量控制系统与传统的恒功率变量系统相比 较， 克服了主泵总在最大流量、 最大功率、 最大压力下 工作的极端状况&其节能效果是明显的。 当装了压力切 断阀时， 其节能效果见图 %。 图 % 表示了挖掘机在三种 运行状态下新（ 负流量） 、 旧（ 恒功率） 系统的能量消耗 对比。 图中点 #、 点 " 分别为新、 旧系统主泵的工作点。 面积 ’!#$ 为新系统能 面积 ’%"# 为旧系统能量消耗， 量消耗， 有阴影部分即为节省下的能量。 日本川崎公司制造的 ($) 系列主泵及 (*+ 系 列主阀所组成的系统是典型的负流量控制系统， 已得 到广泛的应用。 德国力士乐公司制造的 ,-) 系列主泵及 *- 系 列主阀所组成的系统是正流量控制系统， 也有较强的 功能。该系统需配梭阀组， 较负流量控制系统复杂一 些。
图!
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林德公司的负荷传感系统
差要在系统中调整为某一定值， 装有电子控制装置的 机型， 电脑会使压差在此定值范围内实时变动， 以控 制泵排量， 即控制泵的吸收扭矩。本系统很好的实现 了流量按需分配， 不受外负荷影响， 无多余流量， 各执 行元件可同时工作， 具有互不干扰等功能。 该系统的基本原理， 基于柏努利方程：
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关键词： 液压挖掘机 柴油机 液压系统 功率控制 电液控制技术
功率控制的主要目的是节能、提高功率利用率、 增强作业效率。 早期的液压挖掘机采用定量泵供油系 统， 因其功率利用率低， 且无法施展较强的控制功能， 因而性能不佳， 在大、 中型挖掘机上早已被恒功率变 量泵系统所取代。定量泵系统因其制造成本低廉， 在 部分小型、 微型挖掘机上还有所应用。 进入 !" 世纪 #" 年代中期， 在恒功率变量泵系统基础上出现了负流量 控制、 负荷传感控制等新型液压系统， 其节能效果明 显提高， 进而引入电脑实现了电子控制功能， 使得在 节能、 功率利用率、 工作效率及便于监控、 操作、 维护 等方面有了很大提高。可以说， 当今的液压挖掘机有
无电脑控制功能， 已成为区分新旧机型的分界线。
$ 恒功率变量泵液压系统
液压挖掘机广泛采用双主泵恒功率变量调节系 统， 其单泵性能如图 $ 所示。图中过 ! 、 "、 # 的双曲线 Nhomakorabea图!
恒功率变量泵液压系统的单泵性能曲线
工程机械
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（ 虚线） 即为恒扭矩（ 当横坐标为 ! 时即为恒功率） 曲 线。 过 "、 实线） 才是泵的实际特性曲线， 是 #、 $ 的折线（ 近似于恒功率的特性曲线。 变量双泵可组合为总功率控制、 分功率控制和交 叉功率控制系统， 其功能各有差异。上述恒功率变量 泵系统，其性能还不够理想，因其主泵工作点总沿 其实是总在最大功率、 最大 %"#$& 性能曲线自动调节。 流量、 最大压力三种极端工况下工作。挖掘机工作时 并非时刻都需要最大功率、 最大流量和最大压力。如 发动机空运转时， 轻负荷作业时， 强阻力微动时， 若按 上述特性运行必然造成能量的浪费， 而又无法通过人 为控制改变泵的运行状况。
通信地址" 广西柳州市柳太路 ! 号 术中心#$%$&&’( 柳工机械股份有限公司技
!" 我国挖掘装载机的研制思路
把我国挖掘装载机的生产能力、 市场拥有量同国 外相比较， 就不难看出： 在我国， 挖掘装载机是一个非 常有前途的产品。只是目前国内市场尚处于起步阶 段， 用户对它的用途、 性能还有一个认识过程， 产品市 场也要有一个培育过程。在当前整个国民经济不是十 分发达的情况下， 进口机价格偏高， 国产机性能差、 可 靠性低、 宣传力度不够， 因此， 市场销售一直处于低迷 状态。要打开市场局面， 开发性价比高、 质量可靠的产 品最为关键。 针对我国挖掘装载机的技术水平及目前的市场 状况， 开发挖掘装载机应以以下几个方面作为开发新 产品的研制思路。 （ 尽快消化吸收或引进国外的先进技术， 以提 #） 高我们的产品档次； （ 采用定量系统， 以降低对油质清洁度的要求， $）
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式中 ! 为主阀流量， !为阀流量系数， "为流体密
图" 小松中央开式负荷 !# 传感系统
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度， 出口压力差。可 $ 为阀心流通面积， #" 为阀的进、 见!、 流 "是常数， #" 由压力补偿阀自动调整为不变值， 通面积 $ 的大小就成正比地决定了流量 ! 的大小。 该系统与传统的恒功率变量系统比较， 其节能效 果也体现在三类工况。图 6（ 为发动机运转， 挖掘机 !） 不工作时； 图 6（ 为挖掘机在部分负荷下工作时； 图 "） 为挖掘机在强阻力微动作业时的节能情况。图中 6（ #） 的 阴 影 部 分 为 新 （负 荷 传 感 ） 系 统 比 旧 （ 恒功率） 系统节省的能量， 其中（ 种工况下， 新系统 !） 的泵基本不消耗功率。 该系统与负流量系统相比， 在部分功率工作时其
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当代液压挖掘机功率控制技术的分析
天津工程机械研究院
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摘
伏志和
要： 文中所述功率控制泛指液压挖掘机的柴油机、 液压系统的功率控制， 其内容包括柴油机转速 、 扭
矩控制及液压系统功率、 流量、 压力控制以及如何通过电液控制技术将它们组合为功能很强的控制系统。 以当 今常见的液压系统、 电子控制装置为例， 阐述了它们的基本原理， 并对其特点做了分析。