基于液压泵效率的挖掘机节能研究

吴文海，杨宇澜，刘桓龙，王国志

(西南交通大学机械工程学院，四川成都610031)

式中:Cs 为层流泄漏系数;Δp 为进出口压差;μ 为油液动力黏度;n 为泵转速;β 为排量比;CV 为层流阻力系数;Cf 为机械阻力系数;Tc 为与进出口压差和转速无关的一定的转矩损失;Vmax为泵全排量。

上式中，把间隙内油液的流动看成为层流，忽略了运转中间隙的变化以及油液压缩性的影响。可以看出:影响液压泵效率的参数主要为压力、转速和排量比。

在工程机械中，液压挖掘机有着应用量大但能量利用率较低的特点，挖掘机的节能研究一直有着十分重要的意义。在国内，液压挖掘机的传统节能研究主要是在改进液压系统(如正、负流量控制系统，负荷传感控制系统)和实现发动机与负载的适时匹配等方面，而现阶段主要集中在对油电或油液混合动力系统在挖掘机中的应用以及高能耗装置(动臂、回转系统等)能量回收的研究［1－4］。而作为液压挖掘机驱动系统中一个重要的组成部分变量液压泵，其工作效率也是影响挖掘机能量利用率的一个不可或缺的因素。因此，使变量泵尽可能地工作在高效区，对提高整机性能、降低能耗有着非常重要的作用。

1 变量液压泵的效率及控制原理

1.1 变量液压泵效率的理论公式

变量液压泵的效率是由其机械效率和容积效率共同决定的。在变量泵中，由摩擦所产生的机械损失会造成液压泵转矩的丢失，从而引起机械效率的降低;而由泄漏所产生的容积损失会引起容积效率的降低。

由于影响泵效率的因素很多，所以一直没有形成一个精确的效率表达式。但根据众多学者试验研究，总结得出了变量液压泵容积效率ηv，机械效率ηt和总效率η 如下的理论表达式［5－6］:

式中:Cs为层流泄漏系数;Δp 为进出口压差;μ 为油液动力黏度;n 为泵转速;β 为排量比;CV为层流阻力系数;Cf为机械阻力系数;Tc为与进出口压差和转速无关的一定的转矩损失;Vmax为泵全排量。

上式中，把间隙内油液的流动看成为层流，忽略了运转中间隙的变化以及油液压缩性的影响。可以看出:影响液压泵效率的参数主要为压力、转速和排量比。

1.2 液压挖掘机变量泵控制原理

液压挖掘机变量泵的控制都是通过各种变量机构来对液压泵的流量、压力、功率进行调节的。根据控制形式的不同，其控制可分为全功率控制、分功率控制、压力切断控制、交叉功率控制、正流量控制、负流量控制、负荷传感控制、变功率控制以及多种形式的组合控制［7］。

文中将某公司挖掘机上采用的日本川崎公司生产的K3V 系列液压泵作为研究对象，该泵采用的是负流量和全功率控制的双联变量柱塞泵。该泵主要部件为配油盘、斜盘、压盘、缸体、柱塞滑靴组、回程弹簧、伺服变量控制机构以及传动轴等，其排量大小由负流量和全功率控制信号共同调节，其控制原理如图1所示。

图1 泵的控制原理图

2 变量泵的建模仿真与结果分析

依据上面介绍的变量柱塞泵的效率计算公式及泵的结构和在挖掘机中的控制原理，在AMESim 中进行建模仿真，该泵的最大排量为117 mL/r。现通过建模仿真来分析压力、转速和排量比分别对泵效率的影响。如图2所示，为当转速与排量比一定时，容积效率、机械效率和总效率随进出口压差Δp 的变化曲线。

图3—5所示分别为:当转速一定、不同排量比下，变量泵效率与压力的关系曲线;当转速一定、不同压力下，变量泵效率与排量的关系曲线;当压力一定、不同排量比下，变量泵效率与转速的关系曲线。

图2 液压泵的效率曲线

图3 变量泵效率与压力Δp 的关系

图4 变量泵效率与排量的关系

图5 变量泵效率与转速的关系

由图3、4 和5 可以得出:

(1)液压泵的效率随着负载压力的增加而增大，但当压力增加到25 MPa 左右时泵的效率会随负载压力的增大而逐渐减小;

(2)液压泵的效率会随着发动机转速的增加而增大，在中高速区趋向于最大值;

(3)当该挖掘机的发动机在中高转速、变量泵全排量且进出口压力在25 MPa 左右时，泵效率能维持在90%以上;

(4)液压泵的效率会随着泵排量的减小而减少，当该泵的排量小于50 mL/r，即排量比小于0.43(精细作业)时，泵的效率会低于80%;

(5)对于液压挖掘机来说，除怠速状态外其发动机的转速一般都工作在高速区，而泵的出口压力受变化负载影响较大，因此泵的排量比是对挖掘机中液压泵效率影响较大且可实现控制的一个重要参数。

3 挖掘机的建模仿真与结果分析

3.1 液压泵挖掘机的建模

由前面的分析可知，当液压挖掘机精细作业时，变量泵的效率会大幅降低，而长期的精细作业必然会造成过多的能量损失。在挖掘机中适当提高液压泵的排量比则是增大其效率的一个重要因素。

挖掘机在液压系统的控制下，负载需要多大流量，泵就要输出多大的流量，因此要在输出一定流量的前提下增大泵的排量比就需要适当降低泵的转速。但在一定负载条件下，要降低泵的转速，就需要使发动机的转速降低，从而使发动机的工作点偏离最佳经济工作点，造成油耗的增加。因此，要在不影响发动机工作点的条件下减低泵的转速，就需要在发动机与泵之间加装一个减速机。行星齿轮减速机能够调节到所需要的转速，同时增大了输出扭矩，其传动效率能达到95%。

此次仿真是以某公司生产的23 t 负流量液压挖掘机为模型在AMESim 中进行建模的。该型号挖掘机采用日本KYB 公司生产的KVMG 系列多路阀和日本川崎公司生产的K3V 系列双联泵，并采用负流量和全功率液压控制系统。此次仿真除了用HCD 库搭建多路阀和变量泵的模型外，还将其动力系统改为油电混合动力系统建模，搭建了计算燃油消耗简化的发动机和减速机模型，加入动臂能量回收系统，并将模型用超级元件进行了封装。图6 为液压挖掘机仿真模型。

图6 液压挖掘机仿真模型

其具体的控制策略如下:

(1)将控制器设为重载、中载、轻载和精细作业4 个工况，发动机依据负载标准设定3 个不同功率下的最佳经济工作点，操作员根据判断选择工况模式;

(2)精细作业工况时，减速机控制开启，并根据泵的排量比(变量柱塞泵的斜盘倾角)进行比例调节，控制泵的转速;

(3)设定电池SOC 的上下限，当SOC 的值达到上限时，发动机自动切换到低负载工作点，由发动机和电机共同驱动负载;当SOC 的值达到下限时，发动机自动切换到高负载工作点，发动机驱动负载并发电。

3.2 仿真结果分析

此次仿真是在精细作业工况下以液压挖掘机标准作业循环为一个仿真周期，其作业周期为15 s。图7为仿真阶段泵的总效率变化曲线，图8 为发动机的油耗对比，图9 为电池SOC 值的变化对比。

图7 泵的总效率变化对比

图8 发动机的油耗对比

图9 电池SOC 值的变化对比

从图7 可以看出:采用减速机的仿真模型泵的效率得到了提高，基本维持在80%以上。由图8 和图9可知:采用减速机调节的模型的发动机油耗量为66.0 g，电池的SOC 值为82.1%;未采用减速机调节的模型的发动机油耗量为64.1 g，电池的SOC 值为79.7%。将SOC 值等效成油耗量与发动机油耗量叠加，可得出总油耗量分别为54.87 和65.69 g，即采用减速机调节模型在精细作业时提高了泵的效率，相比未采用减速机调节的模型油耗量下降了16.5%。

4 结论

液压挖掘机在精细作业时，变量泵的效率会大幅降低，而长期的精细作业必然会造成过多的能量损失，提高液压泵的效率也是挖掘机节能的一个重要方面。通过以上的仿真分析可知，在挖掘机中变量泵的排量比是对泵效率影响较大且可实现控制的一个重要参数，采用减速机调节泵的转速并增大转矩，可以在尽量不影响执行机构速度要求和发动机工作点变换的条件下增大液压泵的排量比，提高了泵的效率，从而降低了油耗量、实现了节能。

［1］吴文海，柯坚，李培，等.混合动力液压挖掘机节能的研究［J］.建筑机械，2011(6):90－92.

［2］王冬云，管成，潘双夏，等.液压挖掘机功率匹配与动力源优化综合控制策略［J］.农业机械学报，2009，40(4):91－95.

［3］姜继海，于斌，于安才，等.基于能量回收再利用的液压挖掘机回转系统节能研究［J］.流体传动与控制，2011(6):7－10.

［4］李培.混合动力挖掘机动臂能量回收系统研究［D］.成都:西南交通大学，2011.

［5］姚怀新.工程车辆液压动力学与控制原理［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［6］吕爱玲，姜有山，邹广德，等.全液压推土机液压驱动系统变量泵效率研究［J］.农业装备与车辆工程，2010(5):11－14.

［7］秦家升.挖掘机液压系统研究［D］.长春:吉林大学，2005.

［8］王超.浅析液压工程机械中泵与发动机的匹配问题［J］.水利水电施工，2009(5):82－85.

［9］陈桂芳.挖掘机负流量控制液压系统建模仿真及能耗分析［D］.长沙:中南大学，2011.

［10］何清华，刘昌盛，龚俊，等.一种液压挖掘机并联式混合动力系统结构及控制策略［J］.中国工程机械学报，2011，9(1):48－53.