当代液压挖掘机功率控制技术

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 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
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。
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， 是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
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（或其它电控装置）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。这构成了一套具有自动控制功能的功率控制系统。
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 无法运用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。
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）可实时的改变该阀的控制 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。
该系统的基本原理，基于柏努利 方程：
Ｑ＝αＡ
式中Ｑ为主阀流量，α 为阀流量 系数，ρ 为流体密度，Ａ为阀心流通面
积，∆ｐ为阀的进、出口压力差。可见 α、ρ 是常数，∆ｐ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。
当代液压挖掘机功率控制技术
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２０世纪８０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。
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，即成为固定的功率模式。 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。
４ 负荷传感系统
图６为德国林德（ＬＩＮＤＥ）公司的Ｌ ＳＣ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，也得到了较好的应用。
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心 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，它与系统中的负流量控制阀（Ｎ Ｃ阀）共同控制主泵变量机构（伺服缸）。回油 量Ｑｃ越大，射流传感器输出的传感压差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。
运用图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１ １（ｂ）。挖掘机出厂前已将油门旋钮位置与柴油机转速关系标定好，并存储于ＣＰＵ中。挖 掘机工作时，给定了一个油门旋钮位置，电脑即令步进电机驱使油门达到此目标转速。如转 速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２００ ｒ/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附近，从而利用 了该转速的最大扭矩（功率）。当柴油机在高原工作，或因其它原因其性能（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。
电子控制的先导操作系统已有所应用，使操作更为轻便，且利于精确作业。
勿容置疑，挖掘机始终向着高效、节能、提高人员舒适性和环保适应性的方向发展。智 能化、自动化控制系统的发展为其提供了技术保障。
ห้องสมุดไป่ตู้６ 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 至涵盖了液压部件的某些功能。例如，电脑软件可以控制泵排量，有时压力切断阀等元件可 以免去。又如，负荷传感系统的出现，过去的多泵系统实质上已变为单泵系统。电子控制系 统的发展更有益于传统液压系统的简化。
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Ｋ３Ｖ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。