基于挖掘机匹配关键技术的履带式液压挖掘机实现高效率、低能耗研究与应用.pdf

液压气动与密封/2 0 2 4年第1期doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.01.016基于挖掘机匹配关键技术的履带式液压挖掘机实现高效率、低能耗研究与应用周良峰,刘晓强，陈振雄，罗成发,孙天帅,王鹏达（广西柳工机械股份有限公司挖掘机研究院，广西柳州5450 0 7）摘要：对履带式液压挖掘机的动力系统与液压系统的现状分析和整机匹配关键技术的研究，给出提升整机生产作业效率和降低能耗的解决方案,并对履带式液压挖掘机进行常用工况下的整机性能测试,用测试数据验证匹配方案研究及改善的有效性，此研究方案为实际应用提供了理论上的依据。关键词：挖掘机匹配关键技术；履带式液压挖掘机；高效率；低能耗中图分类号：TH137Research and Application of Crawler Hydraulic Excavator with High Efficiencyand Low Energy Consumption Based on Excavator Matching Key TechnologyZHOU Liang-feng,LIU Xiao-qiang,CHEN Zhen-xiong,LUO Cheng-fa,SUN Tian-shuai,WANG Peng-da(Guangxi Liugong Machinery Co.,Ltd.,Excavator R&D,Liuzhou 545007,China)Abstract:This paper analyzes the status quo of the power system and hydraulic system of the crawler hydraulic excavator and studies the keytechnologies of the whole machine matching,proposes solutions to improve the production efficiency and reduce energy consumption of thewhole machine,and conducts the whole machine performance test under common working conditions of the crawler hydraulic excavator,andverifies the effectiveness of the matching scheme research and improvement with the test data.This research scheme provides a theoretical basisfor practical application.Key words:excavator matching key technology;crawler hydraulic excavator;high efficiency;low energy consumption0引言挖掘机号称工程机械之王，以广泛的工况适应性，应用于工业与民用建筑、矿山采掘以及现代化军事工程等行业的机械化施工中。履带式液压挖掘机正常作业是由执行元件完成，所有的执行元件动作都依赖液压系统,故液压系统是履带式挖掘机最关键的部分 。整机的生产作业效率与能耗是挖掘机重要技术经济指标,是客户购机的主要关注点之一,是各大主机厂家的核心竞争力之一，结合操作性是最能体现各大主机厂家对挖掘机的设计思想。因此，对于液压挖掘机的生产作业高效率和低能耗的研究与应用是各大主机收稿日期：2 0 2 3-0 7-2 5基金项目：广西科技重大专项（桂科AA22388）；柳州市重大专项(2 0 2 1AAB0104)作者简介：周良峰（1991-）,男，广西北海人，工程师，学士，主要从事液压挖掘机的总体设计与开发、液压与电控系统等方面研究。88文献标志码：A文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 1-0 0 8 8-0 5厂永恒的旋律，有助于提升其产品竞争力。1现有整机能效表现1.1现有整机配置现有某型号履带式液压挖掘机，该机型配置康明斯生产的QSB7型发动机（140 kW），配置负流量液压系统，主泵最大排量12 6.5CC,配置反铲铲斗。1.2开中心负流量液压系统开中心负流量液压系统本质是利用阻尼孔前后压差的特性,通过引人主控阀中位回油通道上的阻尼孔前的压力到主泵负反馈口用来控制斜盘变量机构，从而控制主泵流量的输出。简单的说，是体现了执行元件对流量的需求、主控阀和主泵的交互方式，负流量控制是控制压力与泵排量成反比关系的控制。典型的开中心负流量控制系统,其应用在开中心的主控阀。下面以图1为例,对开中心负流量液压系统进行功能模块划分为先导控制系统1、主控阀2、控制器3、先导泵供油系统4、主泵系统5、液压附件6 等，Hydraulics Pneumatics&Seals/No.1.2024手先导阀行走先导阀左行起右行起2KAaMRCMRICMR239.20.5MPaAbRM直线行走39240.5MPAaRLCAT2CPG.30区REGULATOR(FRONTBkR.CAP2中M.0+22.00+4-42.1.5530-0.5MP1.553.2MPa39.240X.2)MPaEGTPUMP先导系XLATOR(REAR调节器（后）M3执行元件（回转马达、行走马达、油缸）不详细介绍。负流量控制系统工作原理：先导泵供油系统4、主泵系统5从液压附件6 吸油,分别向先导控制系统1、主控阀2 供油，主控阀2 设计有中间油道使得当操作者没有任何操作时,阀芯处于中位，液压油流经阻尼孔的压力较高；当操作者有操作时，先导控制系统1输出先导压力驱动阀芯换向，液压油流经阻尼孔的压力减小,随着阀芯换向的行程增加，负流量的控制作用将越来越弱，主泵的排量越来越大，最终负反馈的控制作用消失，主泵斜盘摆角最大，提供最大的流量。需要说明的是：“只有流动的液体经过阻尼孔才会产生压力差”，也就是说负流量液压控制系统的主泵到油箱的油液通道需要保持流动才能产生“联系”主泵的压力，这就产生了流量损失。因为这条油道的油液是没有对执行元件做功的，只要是负流量液压控制系统都会存在这个压力损失，能耗会有不必要的浪费，会影响液压挖掘机的经济指标。2基于挖掘机匹配关键技术的改进方案对履带式液压挖掘机的液压系统与发动机功率段控制器图1现有整机开中心负流量液压系统原理图的现状分析及匹配关键技术方案的优选，给出提升整机生产作业效率和降低能耗的解决方案。2.1电控正流量液压系统正流量控制是控制压力与主泵排量成正比例关系的控制方式,进一步的,电控正流量液压系统是在正流量的基础上，优化了正流量控制中主泵的控制性能,增加了电控比例阀来精准控制主泵排量,改进主泵的电控功能。根据正流量的控制原理（图2）：其主控阀是没有负反馈口的，减少了流量损失，具有良好的节能效果,并易于实现对主泵的控制。当执行元件（油缸、马达)不做功的情况，主泵是没有负反馈先导压力的,其斜盘摆角最小，只需要输出备用流量（很少的量），用来维持响应,大幅度的消除了流量压力的损失。功能模块划分与前文负流量控制系统一致,在此不赘述。以图3为例进行分析：这是整机改进方案的电控正流量液压系统原理图，电控正流量控制系统工作原理：当操作者没有操作先导阀时，先导控制系统1增加了压力传感器，其检测到压力为零时会转换成相应的电信号并传递到控制器3中，阀芯处于中位，主泵5输出最小排量；当操作者操作先导阀一定角度，输出对应89液压气动与密封/2 0 2 4年第1期666远程控制阀压力传感器油缸控制器主阀泵排量控制控制程序图2 电控正流量液压系统的简化原理图手先导阀支MR行走先导阀左行右行走中控制器REGULATOR(FRONT)商节器（）239.20.5MPsAbR直线行美CMR2C3R39.240.5MPaLCAT2CPGLCAP2-01.0+2-42.042.0+4-42.0XBa3.9(+0.2)MPREGULATOR(REAR)调节器（后）图3电控正流量液压系统原理图的先导压力驱动阀芯换向一定的行程，同时通过压力传感器将压力值转换为一定的电信号到控制器3，按照电控逻辑判断,并通过电控比例阀来控制主泵5的排量（即整机流量），当复合动作（多个执行元件同时动作)时，主泵5的排量调节至满足整机所需流量的需求，大幅度的减少旁路节流的流量损失。正流量控制系统相对于负流量控制系统：响应时间会更短，流量波动会更小，操作性会更好，从而在降低整机能耗的同时又能提升整机生产作业效率。2.2发动机不同功率段的开发及应用康明斯的QSB7发动机（功率段覆盖12 0 90170kW），电喷技术的应用使得发动机在挖掘机处理不同工作时更智能地输出动力，因此挖掘机在保证动力充足的情况下节油性更佳 2 。发动机比油耗是指发动机发出1/kWh的功需要消耗的燃油量，用g/kWh表示，它能直接反映内燃机的性能状况和油耗水平 3。满足不同的排放标准的发动机，其燃油经济区有很大的差别，整机转速区域应位于发动机燃油消耗率较低的经济区，需要根据发动机的油耗特性曲线图设定。不同功率段覆盖的比油耗不同,挖掘机的工作区域位于发动机比油耗较低的经济区是各大主机厂技术人员所追求的。发动机厂家根据发动机的喷油量和进气量Hydraulics Pneumatics&Seals/No.1.2024等不同的设定，可以调教出多条功率曲线供主机厂选键斗型参数对铲斗填充量和挖掘过程能量消耗的用。不同功率段有不同的扭矩输出，需要在不同功率影响 4。段校核主泵允许的最大输人扭矩。3试验验证2.3大排量主泵开发及应用在液压挖掘机中，发动机和主泵上的摩擦功率损失是整机摩擦引起的功率损失的主要部分，其在较高的转速工作时，发动机和主泵上的摩擦功率损失较大，且随转速的增加而迅速增加。降低发动机转速可以有效降低发动机的摩擦功率消耗，但发动机转速的降低会带来主泵流量的减少，可以提升主泵排量来补偿整机需求的流量。在挖掘机作业过程中采集发动机负载率数据点绘图，得知应用了大排量主泵的挖掘机的工作区域向左移动。因此，当应用大排量主泵时，可以降低发动机转速，意味着可以有效降低发动机的摩擦功率消耗，以降低整机能耗。挖掘机主泵最大排量提升，并通过发动机和液压系统合理功率匹配,理论上可以降低整机能耗。2.4控制系统匹配及调速率优化合理匹配液压系统的先导控制是挖掘机功率匹配优化的方向之一，主泵对先导系统的阶跃式响应会使得发动机瞬间加载过大，造成发动机掉速过大，发动机转速不平稳,增加喷油量。同时,挖掘机在工作过程中也要允许有合理的最大掉速，合理的掉速通过“调速率”这一参数来调整，单一追求不掉速会增加喷油量，浪费了燃油。在高效模式档位中，以提升整机生产作业效率为主，选择较小的调速率，把最大掉速控制得更小，但能耗会有一定的上升;在经济模式档位中，以降低整机能耗为主,选择较大的调速率，把允许的最大掉速放大一些,但生产作业效率会有一定的下降。液压挖掘机通过采用“定油门”的控制策略，就是某一档位给定发动机油门指令,挖掘机工作过程中油门指令是不变的,依靠的是发动机本身的调速特性来调节掉速，发动机厂家提供不同的可选调速率（调速率越大，同样负载情况下发动机掉速越大），比如5%2 0%调速率。一般情况下，瞬间掉速到2 0 0 r/min是允许的，并不会影响挖掘机的正常工作,且采用“定油门”+“调速率”的控制策略,最主要目的之一是降低整机能耗。2.5基于工况适应性的高能效铲斗应用挖掘机上匹配的铲斗工况适应性低也是影响挖掘机的生产作业效率和能耗的因子，主要体现在作业阻力大、填充能力低、能耗高等。为了提升挖掘机铲斗正向设计能力，借助离散元理论和试验验证，研究铲斗关基于以上挖掘机匹配关键技术的改进方案，新生产一台同型号履带式液压挖掘机（配置康明斯QSB7型发动机，电控正流量液压系统，配置反铲铲斗）,与现有挖掘机在保持同一工况、同一仪器设备、同一操作者和同一种操作方式(相关试验标准)进行整机的性能对比测试。3.1整机生产作业效率和能耗测试将现有某型号履带式液压挖掘机进行生产作业效率和油耗测试，以经济模式的4个档位和效率模式的4个档位的实测数据作为基准。对搭载改进方案的新生产的履带式液压挖掘机，分别用不同功率段的不同扭矩曲线进行发动机和主泵功率匹配调试，程序定型后，与现有挖掘机在保持同一工况、同一仪器设备、同一操作者和同一种操作方式（相关试验标准）进行试验测试，整机生产作业效率和能耗测试数据对比结果,如图4所示。5现有负流量整机基准-10电控正流量整机+功率段1图4整机生产作业效率和能耗测试从图4中可以看出基于挖掘机匹配关键技术的改进方案，在保持现有整机发动机相同功率曲线（功率段1)的情况下，整机实测生产作业效率平均提升10%以上；采用功率段2 曲线，整机实测生产作业效率平均提升13%以上；采用功率段3曲线，整机实测生产作业效率平均提升17%以上。挖掘机实测生产作业效率随着发动机功率的增大而提升的趋势。在挖掘机作业过程中发动机转速区域较现有整机的转速区域会有更大的工作区域位于发动机燃油消耗率较低的油耗经济区，与前文的理论分析相符。4结论本研究对某型号履带式液压挖掘机的整机匹配关91电控正流量整机+功率段2电控正流量整机+功率段3液压气动与密封/2 0 2 4年第1期键技术的研究，给出提升整机生产作业效率和降低能耗的解决方案，并对履带式液压挖掘机进行常用工况下的整机性能测试，用实测数据验证匹配方案研究及改善的有效性，此研究方案为实际应用提供了理论上的依据，同时提供参考解决方案。参考文献1周良峰,陈振雄,王广龙，等.一种履带式液压挖掘机回转马达异响的故障分析 J.液压气动与密封，2 0 2 0,40（9)：69-71.2叶涛.康明斯工程机械专属动力新品闪亮baumaChina2014J.工程机械,2 0 15(1):42-43.3苗学刚,张锐，邓家轩，等.发动机台架试验比油耗测量不确定度评定与表示 J.现代车用动力，2 0 15（1）：2 3-26,34.引用本文：周良峰，刘晓强，陈振雄，等.基于挖掘机匹配关键技术的履带式液压挖掘机实现高效率、低能耗研究与应用 J.液压气动与密封，2024,44(1):88-92.ZHOU Liangfeng,LIU Xiaoqiang,CHEN Zhenxiong,et al.Research and Application of Crawler Hydraulic Excavator with High Efficiencyand Low Energy Consumption Based on Excavator Matching Key Technology J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2024,44(1):88-92.4王蕊，姜旭东，刘家文.基于离散元的高能效挖掘机铲斗斗型参数研究 J.失效分析与预防,2 0 2 1,16（2)：10 2-106.5刘剑.挖掘机正流量控制系统的研究 D.杭州：浙江大学,2 0 11.6李艳杰，于安才，姜继海.挖掘机节能液压控制系统分析与应用 J.液压与气动,2 0 10(8）：6 97 4.7陈桂芳.挖掘机负流量控制液压系统建模仿真及能耗分析研究 D.长沙：中南大学,2 0 11.8赵立柱,苏东海,左伟，等.基于粒子群模糊PID控制的风机盘车液压缸同步控制系统 J.机电工程，2 0 2 2,39（7)：961-966.9袁聪,朱丽莎,杜尊令，等.水压锥阀空化射流流场结构与流量特性的相关性研究 J.流体机械，2 0 2 2,50（1）：92-99.气动阀系列行业标准修订预研工作会议在百灵气动顺利召开2023年12 月6 日8 日，气动方向控制阀、气动流量阀两个行业标准修订预研工作会议在百灵气动顺利召开，全国液压气动标准化技术委员会秘书长罗经、气动分标委主任委员星宇电子公司总经理曹建波、气动分标委副主任委员佳尔灵气动公司单军波、国家气动产品质量监督检验中心主任刘丽娇、江苏大学钱鹏飞教授、公司总经理王胜平、公司技术总监蒋建胜、公司技术部经理焦中良、宁波索诺天工汪济舟、浙江亿太诺气动刘勇、宁波利达气动尹宏柏、浙江亚得气动周碎道、山耐斯气动唐圣钦、史塔克工业自动化马迪炜、浙江星辰气动钱墅等十多家企业、学校和检测机构的专家老师参加了本次会议。摘自液压液力气动密封行业信息2 0 2 3年第12 期航天伺服3个QC小组获得国际金奖2023年10 月30 日至11月1日，第48 届国际质量管理小组会议（ICQCC）在北京成功举行，航天伺服重点实验室“冲天”QC小组、伺服阀事业部“领航”QC小组、伺服动力事业部“固航”QC小组3个项目经过全国质量小组会议的层层选拔获得参会资格，6 名发表人经过紧张的准备、发布表演和答疑交流，获得了发表赛最高奖项“Gold Award”（金奖），受到评委的充分肯定。国际质量管理小组会议是由中国质量协会、新加坡生产力协会、日本科学技术联盟、韩国标准化协会等14个国家和地区质量组织联合发起的国际质量管理小组活动交流平台，自197 6 年首次召开至今已成功举办47 届，是质量管理领域参与人数多、涉及行业广、并具有极强凝聚力的质量领域国际会议，被誉为“质量奥林匹克”，本次大会以“创新、活力与质量之美”为主题，来自近15个国家和地区的30 0 0 余名代表现场参会，8 39个QC小组同步进行了质量改进和创新成果分享。摘自液压液力气动密封行业信息2 0 2 3年第12 期92