当代液压挖掘机功率控制技术的分析

当代挖掘机功率控制技术的分析

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20世纪80年代中期，在恒功率变量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，当今在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。

1 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1所示。图中过b、c、d的双曲线（虚线）即为恒扭矩（当横坐标为Q时即为恒功率）曲线。过b、c、d的折线（实线）才是泵的实际特性曲线。

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，因其主泵工作总沿abcde性能曲线自动调节。其实是总在最大功率、最大流量、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。

2负流量控制系统

图2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，故称为负油量控制。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3为先导油压与主泵流量、工作油流量、回油流量的关系图。先导油压双正比地受控于先导阀开度。

负流量控制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4。图4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2、点b分别为新、旧系统主泵的工作点。面积oabc为旧系统能量消耗，面积0123为新系统能量消耗，有阴影部分即为节省下的能量。

日本川崎公司制造的K2V系列主泵及KMX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A8V系列主泵及M8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。

3 中央开式负荷传感系统（OLSS）

OLSS系统是日本小松公司制造的，用于PC200-5、PC300-5、PC400-5型挖掘机上的节能系统，图5为它的原理示意图。所谓“中央开式”是指主阀处于中位时阀芯是开放的，回油道由此通过。在主阀回油道上装有射流传感器，它与系统的负流量控制阀（NC阀）共同控制主泵变量机构（伺服缸）。回油量Qc越大，射流传器输出的传感压差pd-pb也越大，NC阀输出的控制压力pi就越小，主泵流量就越小。这与负流量控制系统总效果是一致的，所不同的是主泵控制压力pi与主泵流量Q成正比，而非负流量控制关系。该系统也有如图4的节能效果。

4 负荷传感系统

图6为德国林德（LINDE）公司的LSC负荷传感系统的原理图。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，通过阀芯的流量就只与阀芯开口面积有关。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。

刻系统的基本原理，基于柏努利方程：

Q＝aA

式中Q为主阀流量，a为阀流量系数，p为流体密度，A为阀芯流通面积，为阀的进、出口压力差。可见a p是常数，由压力补偿阀自动调整为不变值，流通面积A的大小就成正比地决定了流量Q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7（a）为发动机运转，挖掘机不工作时；图7（b）为挖掘机在部分负荷下工作时；图7（c）为挖掘机在强阻力微动作业时的节能情况。图中的阴影部分为新（负荷传感）系统比旧（恒功率）系统节省的能量，其中（a）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流量100%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充无流量损失，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LUDV系统，称之为与负荷无关的流量分配系统；日本小松的CLSS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LSC系统类同，也得到较好的应用。

5 电子控制技术的应用

5.1 液压泵的电子控制

图8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（CPU）可实时改变该阀的控制电流的大小，因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9。这意味

着主泵成了十分灵活的扭矩（功率）可控泵。

图10是另外一种泵的变量机构，用A、B两只高速电磁阀控制变量缸的动作。A、B 同时关闭时，主泵排量不变，A通、B断时泵排量减小，A断、B通时，泵排量增加。A、B的通断由CPU控制，主泵工作点变化规律由CPU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没某个特性曲线变化，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。

5.2极限负荷控制

图8也是柴油机与主泵的联合控制系统。主泵由比例减压阀控制，柴油机油门由步进电机（或共它电控装置）控制，它们都听令于CPU。柴油机的转速传感器、油门位置传感器随时将数据信息传输给CPU。这构成了在套具有自动控制功能的功率系统。

图11（a）描述了传统恒功率控制系统与柴油机匹配关系。这种匹配，功率利用率不很高，我们无法运行图中阴影部分的扭矩去克服强阻力，且当柴油机性能（虚线）下降时泵阻力即迫使柴油机转速下降，由ne下降至nj甚至导致熄火。

远用图8系统，我们可以将泵的最大扭矩调到柴油机最大扭矩点Mmax附近，如图11（b）。挖掘机工作时，给定一个油门旋钮位置，电脑即令步进电机驱使油门达到此目标转速。如转数传感器检测出的发动机实际转速低于此目标转速一定数值（例如200r/min），表明泵的扭矩过大，电脑即令油门加大些，同时令泵的扭矩减小，如实测转速低不多，加大一些油门即可解决问题。如转速偏高，则令泵的扭矩加大些，转速即会下降。这种瞬息向目标趋近的调整，其结果使泵的工作点经常处于目标转速下，柴油机的扭矩外特性（虚线）下降时，泵仍然能吸收该状况下的最大扭矩，且不至于超载而迫使柴油机转速下降，甚至熄火。这就是极限负荷控制。

5.3 功率模式的设定

有了图8系统，柴油机的油门（转速）、泵的扭矩可由电脑自动控制，可以人为设计泵的扭矩特性曲线形状，以其软件输入电脑，如图12。该特性曲线与柴油机的诸调速特性交织出无限多的工作点。选定某几个常用的工作点做为设定的挡位，即成为固定的功慈溪模式。如图12即为一种模式，其中H挡为100%功率点，挖掘机可在高速度强力作业时用此挡；S 挡为85%功率点，可在常规作业时用；F挡，泵的扭矩与S点相同，发动机转速低些，功率也低一些；L挡可吸收60%功率，在精细作业时常用。我们可以将此点设定在柴油机的最低油耗区，既可在低功率下完成精细作业，又可使得做同样的功，燃料最节省。操作人员只要按下某挡功率模式按钮，挖掘机就自动在该挡下工作。当放弃功率模式选择后，即恢复极限负荷控制或自由控制模式。目前由电脑控制的挖掘机，每当操作手柄放到中位后，3~5s内发动机就自动降为怠速以节省燃料。本文2~4节所介绍的液压系统都有配用电脑控制的实例。

6发展动向

作为挖掘机动力的柴油机，近年来一些制造厂家纷纷开发出电子喷射系统，在节能、降低排放等性能上有明显提高。同时由于直接采用了电脑控制，与挖掘机液压系统的联合控制更方便，总体效果更加完美。

液压系统也在不断扩展电脑及传感元件的应用，使得系统性能更佳，功能更为扩展，以