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三种工况节能控制方法和能量损失

作者: 陈师傅

发布时间: 2019-12-19 11:51:39

挖掘机是大功率长时间工作的机械,能量消耗很大,燃料消耗量涉及使用成本和经济性, 同时与环境负荷密切有关,排放已成为世界性的重大问题不容忽略。
㈠ 挖掘机存在以下三种工况能量损失
1. 操纵阀中位时能量损失 
工作装置停止作业各操纵阀处于中位,此时液压泵只需供应很少量液压油冲洗润滑系统
使液压泵处于待命状态,一旦系统要求工作即可快速响应。中位时液压泵供应压力只需克服 管道阻力和为防止气蚀而设的背压,系统压力不高,但变量泵由于采用恒功率控制流量却很 大,因此有不小的能量损失,如图 1(a)所示。
2. 微动操作时能量损失 
液压挖掘机需要精细作业微动操纵控制,一般采用通过控制操纵阀开度进行节流调速,
将部分油溢流回油,这部分的能量损失如图 1(b)所示。 3. 过载溢流能量损失(高压切断)
掘削时遇硬石块掘不动,为了防止过载损坏机械,液压安全阀打开,压力油通过安全阀 溢流回油箱,其能量损失如图 1(c)所示。实际作业时,溢流状态操作很少,节能效果不大有 些液压系统没有此节能措施。

以上这些在使用中产生的能量损失主要是流量损失,而油压力是完成工作所必须的,因 此为减少上述能量损失的节能控制,实际上是按需流量控制,使泵流量按实际需要输出,避 免不必要的流量损失。
㈡ 三种工况节能控制方法
目前挖掘机采用液压方法解决三种工况能量损失有以下三种方法:
1. 负流量控制(中位开式系统采用) 
泵输出油通过操纵阀阀杆控制将油分成两部分:一部分去液压缸或液压马达,是有效流
量,另一部分通过阀中位回油道回油箱,是浪费流量。要控制这部分浪费油,使它保持在尽 可能小的范围内,为此,在操纵阀中位回油道上加一个节流孔,通过节流孔产生压差。将节 流口前压力引至泵排量调节机构来控制泵的排量,如图 2 所示。通过节流孔流量越大,则节 流口前先导压力越大,泵排量越小,先导压力与泵排量呈反比关系,故称为负流量控制。
负流量控制调节特性如图 3 所示。图中第一象限表示操纵阀杆开度 S 与去回油道流量 q 之间关系,当阀开度 S 达一定值 Si(<100%)时,流量 q 为零,q 随着 S 增加而减小,其斜率 与液压缸压力 pa 有关。图中第二象限表示去回油道流量 q 与液压泵变排量机构先导控制压 力 pi 之间关系。图中第三象限表示先导控制压力 pi 与油泵流量 Qp 之间关系,Qp 随着 pi 增加而减小为负流量控制。图中第四象限为操纵阀杆开度 S 与液压缸流量 Qa 和泵流量 Qp 之间关系,当阀开度达到一定值时,q 为零、液压泵油全部供给液压缸(Qp =Qa )。图中给 出阀开度为 S0 时相应的 q(q0 )、pi(



p0 )、Qp (Qp 0 )和 Qa (Qa 0 )值。

2. 正流量控制 
正流量控制液压泵的倾斜角(排量)随液压泵变量机构先导控制压力上升而增加,故称为
正流量控制。正流量控制系统原理如图 4 所示,泵变排量的先导控制压力采用操纵阀的先导 控制阀油压。从图中可见,通过梭形阀检出 a1、b1、a2、b2 各先导控制油压中的最高油压 pi,输给液压泵变量机构来控制液压泵排量。
液压泵和操纵阀的控制特性如图 5(a)所示,操纵阀开度和液压泵的流量 Qp 都随着 P i 的增加成比例地增加。图 5(b)表示泵流量 Qp 、去油缸流量 Qa 和先导控制压力 P i 与操纵阀 行程 S 的关系。
正流量控制用最高先导控制压力作为检出信号来控制油泵流量,不能全面反映液压作用 元件流量需要,不如负流量控制。
正流量控制需要一系列梭形阀组成梭阀网络,结构比较复杂些。目前正流量控制在挖掘 机上未见采用。
3. 闭心负荷传感控制(见图 6) 
以上两种是中位开式油路,此系统是中位闭式油路,各操纵阀在中位时处于关闭状态。
各操纵阀中位时,泵压力油通过卸荷阀回油箱,从图中可见,此时卸荷阀背面通回油无压力, 泵出油口只需克服作用力不大的卸荷阀弹簧力,就能打开阀卸油,但克服弹簧力需一定油压, 形成压差作用于泵的变排量机构,使泵的排量变得很小。泵的变排量机构由泵的出口压力和
经操纵阀阀杆节流调速控制后去油缸的压力之间的压差来控制,当操纵阀阀杆开度小,则经 阀杆的节流压差大,泵变排量机构控制压差大,使得泵的排量减小,油泵的输出流量和去液 压缸的流量都随操纵阀的开度变化而变化,按操纵阀的操纵量供给相应流量。当油缸遇到不 可克服阻力或走到头时,溢流阀打开卸油,这时泵压力油经操纵阀和节流孔(溢流阀前),沿 途的压力损失形成压差,作用于泵变排量机构,使泵的排量变为最小。
4. 采用节能控制方法后能有效地减少以上三种工况的能量损失,节能控制后三种工况 能量损失如图 7 所示。

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