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液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的研究
2019/8/5
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即當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵聯(lián)合工作時(shí)，存在一個(gè)聯(lián)合工作特性，其中的聯(lián)合工作效率與泵的轉(zhuǎn)速、壓力和流量(單位:立方米每秒)相關(guān)。挖掘機(jī)維修維修人員將以最優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，嫻熟的維修技術(shù)為用戶進(jìn)行全方位維修服務(wù)。同時(shí)我公司擁有目前國(guó)內(nèi)比較先進(jìn)的進(jìn)口工程機(jī)械液壓系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，能準(zhǔn)確地對(duì)不同國(guó)家的進(jìn)口工程機(jī)械的液壓系統(tǒng)疑難雜癥進(jìn)行準(zhǔn)確判斷及維修調(diào)校，以恢復(fù)該機(jī)械設(shè)備的使用效果。一般情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)一液壓泵系統(tǒng)不大可能在各種工況下都處于最佳經(jīng)濟(jì)工作狀態(tài)，從而造成一定的能量損失。發(fā)動(dòng)機(jī)——液壓泵的總功率損失為：
Nz=P0Qmax/ηmηy
式中：ηm——發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械效率，即ηm=Ne/Nt；
ηy——液壓泵總效率。應(yīng)當(dāng)注意，發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵在低負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速下的效率ηm、ηy是很低的。
功率損失面ΔN＝PΔQ下列幾部分組成：
如果不降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，則液壓功率的損失為：
Ny1=P0Qmax
式中：P0——液壓系統(tǒng)的背壓；Qmax——液壓泵(Hydraulic pumps)的最大流量。
為：
Ny2=PmaxΔQ
式中：Pmax——溢流閥開啟壓力BR>
由溢流引起的發(fā)動(dòng)機(jī)一液壓泵系統(tǒng)的總功率損失為：
Nz=Ny2ηm/ηy=PmaxΔQ/ηmηy
這種工況下的ηm\、ηy都比較高。
第一部分是當(dāng)液壓油通過管道和接頭等的沿程損失，這種損失是不可避兔的；另一部分是當(dāng)挖掘機(jī)進(jìn)行精細(xì)作業(yè)時(shí)，液壓油經(jīng)過控制閥節(jié)流時(shí)產(chǎn)生的損失。維修挖掘機(jī)公司始終堅(jiān)持以一流質(zhì)量、一流技術(shù)、一流信譽(yù)為用戶提供一流的服務(wù)，國(guó)內(nèi)專注挖掘機(jī)疑難技術(shù)多年，挖掘機(jī)維修售經(jīng)驗(yàn)豐富，擁有世界尖端的挖掘機(jī)液壓泵調(diào)試臺(tái)、液壓閥綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)、電腦板調(diào)試臺(tái)"等一系列高精尖挖掘機(jī)維修檢測(cè)設(shè)備，為用戶提供一流服務(wù)。竭誠(chéng)為廣大進(jìn)口工程機(jī)械新老客戶提供最優(yōu)質(zhì)的服務(wù)！
2控制系統(tǒng)的方案與功能
本控制系統(tǒng)是以節(jié)能為主要目的，然而，在不改變液壓系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的前提下，要全面徹底（thorough)地消除上述能量損失是不可能的。本著積極穩(wěn)妥和實(shí)用的原則，確定所開發(fā)的控制系統(tǒng)以液壓系統(tǒng)壓力為判斷信號(hào)，判斷挖掘（excavate)機(jī)的工作狀態(tài)。由微機(jī)根據(jù)挖掘機(jī)所處的不同狀態(tài)，通過步進(jìn)電機(jī)控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門，使發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在要求的轉(zhuǎn)速附近，其原理如圖1。
本控制系統(tǒng)具有以下幾個(gè)功能：
2．1自動(dòng)怠速
當(dāng)挖掘機(jī)處于不工作狀態(tài)時(shí)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)減小發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度，使發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速狀態(tài)，其判斷依據(jù)是液壓（hydraulic)系統(tǒng)(Hydraulic systems)壓力。據(jù)實(shí)測(cè)，當(dāng)各操縱閥均處于中位時(shí)，系統(tǒng)壓力在5MPa左右，而當(dāng)挖掘機(jī)工作時(shí)，系統(tǒng)壓力在1MPa以上，所以，將判斷壓力設(shè)定在2MPa。為確信挖掘機(jī)確實(shí)處于不工作狀態(tài)，要求系統(tǒng)在小于2MPa的壓力下，保持4s后開始操縱油門。當(dāng)系統(tǒng)壓力高于2MPa時(shí)，即認(rèn)為挖掘機(jī)處于工作狀態(tài)，計(jì)算機(jī)立即控制發(fā)動(dòng)機(jī)，使它迅速恢復(fù)到設(shè)定的工作轉(zhuǎn)速。
2．2動(dòng)力模式控制
系統(tǒng)設(shè)有高、中、低三個(gè)擋位，相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2000r/min85％）和1300r/min定某一檔位時(shí)，計(jì)算機(jī)即可控制發(fā)動(dòng)機(jī)，使其穩(wěn)定在相應(yīng)的轉(zhuǎn)速附近工作。由于全功率變量泵的吸收扭矩在恒功率調(diào)節(jié)區(qū)段內(nèi)是不變的，所以高、中、低三個(gè)檔位的發(fā)動(dòng)機(jī)功率也相應(yīng)地為全功率的11％、85％和65％。
2．3超載時(shí)超載功能
挖掘（excavate)機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)定的最高壓力有一定的余量，當(dāng)系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)超載工作時(shí)，一般不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生太大影響，但不能長(zhǎng)時(shí)間超載工作，否則有可能影響系統(tǒng)和其它元器元件的壽命以及產(chǎn)生其它不良后果。為此，控制系統(tǒng)設(shè)有短時(shí)超載功能。當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力超過原設(shè)計(jì)的最高壓力能正常工作8s，以便工作裝置能克服臨時(shí)的較大阻力，以提高工作效率(efficiency)。同時(shí)，為保護(hù)系統(tǒng)安全，不致使液壓系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間超載工作，當(dāng)超載8s后，控制系統(tǒng)自動(dòng)將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低（reduce)到1100r/min左右并報(bào)警，讓司機(jī)改變操作方式。當(dāng)系統(tǒng)壓力降到最高設(shè)計(jì)壓力以下時(shí)，控制系統(tǒng)使發(fā)動(dòng)機(jī)迅速恢復(fù)到原來的轉(zhuǎn)速。
2．4溢流控制
當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力接近或達(dá)到溢流閥開啟壓力發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速至1100r/min，以減小溢流量；當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力小于設(shè)定的最高壓力速恢復(fù)到原來的轉(zhuǎn)速。
2．5具有手動(dòng)控制和微機(jī)自動(dòng)控制并行、手動(dòng)控制優(yōu)先的功能
3控制系統(tǒng)的節(jié)能效果
3．1降低液壓系統(tǒng)中位損失
當(dāng)單斗液壓（hydraulic)挖掘機(jī)暫時(shí)處于不工作狀態(tài)，各操縱閥均處于中位時(shí)，液壓系統(tǒng)的壓力一般較低，而由變量泵特性知，此時(shí)流量達(dá)到最大，即為圖2所示的Qmax，系統(tǒng)總的功率損失（loss)為：
N1=BR>
式中：P0——液壓（hydraulic)系統(tǒng)的背壓；ηe——發(fā)動(dòng)機(jī)的有效效率；ηB——液壓泵效率；Nf——附加功率。
QmaxP0的值為圖2中P0－C－Qmax－0所圍成的面積。
自動(dòng)控制系統(tǒng)的自動(dòng)怠速功能可實(shí)現(xiàn)當(dāng)各控制閥處于中位時(shí)自動(dòng)迅速減小發(fā)動(dòng)機(jī)油門，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在規(guī)定的最低轉(zhuǎn)速。在該轉(zhuǎn)速下，液壓泵的工作特性曲線為圖2中的Pmax－a－b－c－Q0曲線。圖中，Q0的值基本上與液壓泵的轉(zhuǎn)速成正比，而附加功率Nf的大小也近似地與轉(zhuǎn)速成正比。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從ne降到ne’時(shí)，其能耗下降率約為：
un=—WY32單斗液壓挖掘機(jī)而言，ne＝2000r／min，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速特性，確定ne＝800r／min，則能耗下降約為60％左右。轉(zhuǎn)速下降后，變量泵部分的能耗下降量為圖2中陰影面積。
3．2發(fā)動(dòng)機(jī)和變目泵的經(jīng)濟(jì)性匹配運(yùn)轉(zhuǎn)
發(fā)動(dòng)機(jī)和變量泵的聯(lián)合工作效率為：
η=ηeηB=MeneP0Q0/GehnMInI=f
系統(tǒng)的聯(lián)合工作效率η僅僅是壓力P0和轉(zhuǎn)速nI此僅有轉(zhuǎn)速ne是可選擇的。對(duì)于某一確定的發(fā)動(dòng)機(jī)一變量泵系統(tǒng)，對(duì)每一個(gè)壓力P0都存在一個(gè)使聯(lián)合工作效率η最大的最優(yōu)轉(zhuǎn)速ne1。對(duì)DF－WY32型單斗液壓挖掘（excavate)機(jī)而言，在不同工作壓力時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速均在1700r/min左右。為此，自動(dòng)控制系統(tǒng)中設(shè)有最經(jīng)濟(jì)工作檔位，比在額定轉(zhuǎn)速％左右。
3．3降低節(jié)流損失
節(jié)流損失（loss)主要發(fā)生在輕載低速作業(yè)。設(shè)工作裝置所需工作壓力為Pl，所需工作流量(單位:立方米每秒)為Q2但在變量(Variable)泵外特性曲線AB上Pl和Q2分別對(duì)應(yīng)于d、c兩個(gè)工作點(diǎn)。為滿足工作的需要，司機(jī)必須利用控制閥的部分節(jié)流作用，將變量泵工作壓力提高到P2，使之工作在c點(diǎn)，由此產(chǎn)生的節(jié)流損失為：δ=Nj面積。如果能改變變量泵的轉(zhuǎn)速，使工作特性曲線通過e點(diǎn)，便可消除這一損失。本控制系統(tǒng)的工作模式控制主要是為此而設(shè)置。適當(dāng)選擇其中的某一工作檔，雖不能使工作曲線恰好通過e點(diǎn)，但能接近于e點(diǎn)，從而減少了節(jié)流損失。
3．4降低溢流損失
溢流損失主要發(fā)生在低速和超載。如圖4所示，當(dāng)工作裝置所需流量(單位:立方米每秒)為Q1，小于Q0，或工作壓力超過溢流閥調(diào)定壓力時(shí)，溢流問將被打開，產(chǎn)生溢流損失。所損失能量為現(xiàn)一圖4陰影面積。為消除或減少溢流損失，自動(dòng)控制裝置在溢流鬧開啟之前能自動(dòng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使原工作特性曲線AB變?yōu)閍h，直至發(fā)動(dòng)機(jī)降到設(shè)定的最低轉(zhuǎn)速為止。即使還不能完全消除溢流，但溢流量已減少了很多。
4作用
本系統(tǒng)以節(jié)能為主要目的，同時(shí)兼有改善操作性能、減輕司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度和提高作業(yè)效率的作用。
4．1節(jié)能效果
該系統(tǒng)能較好地減少挖掘機(jī)的中位損失、溢流損失和節(jié)流損失。該系統(tǒng)裝在DF－WY32上，經(jīng)驗(yàn)證明節(jié)約能源10％一15％左右。對(duì)于具有單泵和定量泵系統(tǒng)的單斗液壓挖掘機(jī)，則效果更好。
4．2改善操作性能
采用本控制系統(tǒng)后，司機(jī)一旦根據(jù)作業(yè)對(duì)象等確定了系統(tǒng)的動(dòng)力模式后，不管挖掘機(jī)處于什么工作狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)均可由計(jì)算機(jī)控制，并使之處于較為理想的工作狀態(tài)，從而改善了操作性能。挖掘機(jī)維修維修人員將以最優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，嫻熟的維修技術(shù)為用戶進(jìn)行全方位維修服務(wù)。同時(shí)我公司擁有目前國(guó)內(nèi)比較先進(jìn)的進(jìn)口工程機(jī)械液壓系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，能準(zhǔn)確地對(duì)不同國(guó)家的進(jìn)口工程機(jī)械的液壓系統(tǒng)疑難雜癥進(jìn)行準(zhǔn)確判斷及維修調(diào)校，以恢復(fù)該機(jī)械設(shè)備的使用效果。
4．3提高作業(yè)效率
本控制系統(tǒng)的短期超載功能，既有效地保護(hù)了系統(tǒng)的安全，又提高了挖掘機(jī)克服短時(shí)間超載的能力，從而節(jié)省時(shí)間、提高效率。另外，液壓系統(tǒng)的壓力油能量損失降低（reduce)后，減少了液壓系統(tǒng)的發(fā)熱，從而提高和穩(wěn)定了系統(tǒng)的工作性能。
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