基于负流量的挖掘机极限负荷控制系统研究

车涛，陈建河，李霞，钟玉那，薛春标，张本成

(1.湖南江麓重工科技有限公司，湖南湘潭 411100；2.江麓机电集团有限公司，湖南湘潭 411100)

液压挖掘机是重要的建筑施工机械设备之一，研究其节能技术有着重要意义。国机重工黄鸣辉等［1］进行了负控策略的研究，中南大学何清华等［2］探讨了负控节能方案，广西柳工机械蔡登胜等［3］研究了功率控制的电控系统，得出了很多有益的结论。但传统负流量控制技术因功率可调范围窄，因此造成发动机输出功率过剩而产生功率浪费，也会造成因发动机负荷率过大而产生功率不足，使发动机在工作过程中熄火，这一问题一直没得到很好解决。针对这一情况，文中提出基于负流量的极限负荷控制系统，减少系统由于转速过高而产生过大的功率余量，提高发动机全转速范围内的功率利用率，通过试验验证，节能效果明显。

1 负流量控制系统

负流量控制简图如图1所示，液压泵工作时输出的油液通过操纵阀 (换向阀)阀杆时将控制油分成两部分:一部分进入液压缸或液压马达做功，为有效流量，另一部分通过阀中位回油道回油箱，为浪费流量。为减少浪费的流量，通过在操纵阀中位回油道增设一个节流孔，将节流口前压力pi引至液压泵排量调节机构来控制液压泵的排量。通过节流孔的流量越大，则它的先导压力pi越大，调节液压泵的排量越小。因泵变量机构的控制压力 (先导压力)pi与泵排量呈反比关系，所以称为负流量控制。

图1 负流量控制简图

图2所示是一个发动机的万有特性图，等油耗曲线为一系同心圆，越接近内圈，耗油量越小，最内圈是油耗最小的区域，图中阴影区域为负流量控制系统中液压泵的工作区域。一般情况下，为了保证低速不熄火，液压泵的最小吸收扭矩Mmin限制在发动机外特性最低点之下，使发动机在转矩输出最小时仍可满足泵所需的功率，保证挖掘机稳定运行。液压泵在负流量模式控制下，功率调节范围为15%左右，而发动机最大扭矩与高低怠速最大扭矩差达到40%左右［4］，至使泵的最大吸收扭矩Mmax一般在处于发动机最小输出扭转之下或略有提升，远小于发动机最大扭矩。

图2 发动机万有特性曲线和泵的工作区域

观察图2可知，由于挖掘机受到液压泵最大吸收转矩的限制，当到达液压泵功率的设定上限时，驾驶员无论如何操纵，挖掘机的工作速度都不会更快。也造成发动机在最大扭矩点对应转速工作时，液压泵不能有效地吸收输出功率，严重浪费发动机功率。同时使液压泵工作区间偏离最小油耗区域过大，耗油量大。

2 负流量极限负荷控制系统

针对负流量控制系统中出现的问题，如果液压泵的功率能随工况的变化而完全调节或扩大调节范围，则液压泵将会随着负载的变化尽可能多地吸收发动机的功率，基于此开发了应用于挖掘机的负流量液压系统极限负荷控制系统。具体措施如图3所示，将液压系统的负流量反馈回路取消，在多路阀负流量反馈口增加压力传感器，并在主泵的两个负控制压力口各增加一个电比例减压阀。同时通过合理调节排量调节机构内弹簧预紧力，使主泵扭矩略大于发动机最大扭矩，可避免系统进入恒功率调节区。

图3 负流量极限负荷控制系统原理简图

在正常工作时，控制器通过采集主泵输出口压力、主阀负流量反馈口压力、发动机转速、油水温度、模式挡位等信息，综合判断后输出比例减压阀电流，从而改变比例减压阀输出压力pf，即pf=f(Is)。在输出压力pf的作用下，决定了液压泵的起调压力点，也决定了液压泵的输出功率大小。进而控制液压泵的变量机构，使液压泵的排量发生变化，形成连续的功率特性曲线。也可知，此时液压泵的斜盘摆角仅受到电比例减压阀的控制，因此解决了图1中传统负流量控制系统中扭矩比例阀对两泵扭矩调节范围过小的问题。其发动机万有特性曲线和液压泵的工作区域如图4所示。

图4 发动机万有特性曲线和液压泵的工作区域

如图4所示，通过控制器的调节作用，可使泵的功率变化范围大于发动机的功率变化范围。当泵吸收功率大于发动机输出功率时，可等比例降低两泵的排量;当泵吸收功率小于发动机输出功率时，可等比例提高两泵的排量或自动降低发动机转速，控制发动机和主泵按负载的需求输出。因而可使液压泵和发动机工作在预定的最佳状态下，可完全吸收发动机的功率，达到充分利用发动机功率的目的，提高作业效率(高效模式)。同样，可根据万有特性经济油耗点匹配，达到高效节能的目的 (经济模式)。

与挖掘机传统的负流量控制系统相比，挖掘机极限负荷控制系统的主要优势在于:(1)主泵功率调节范围较宽，可以在发动机全转速范围内实现100%的功率利用，取消了功率储备;(2)实现了双泵排量的独立调节，以泵输出需求流量为目的，转速调节灵活;(3)可以实现智能可变的压力切断，使系统压力控制在设定的切断压力值之下，减小溢流阀的泄油损失;(4)泵经常工作在大排量，效率高;(5)可实现发动机转速根据流量和功率需求自动调节;(6)对于突变载荷，液压泵有更好的适应性，操作性更好。

3 应用实例

为验证负流量极限负荷控制系统的效果，在某公司的CN330履带式液压挖掘机上进行了对比试验。试验条件:针对两种控制方法的特点分别进行了实地挖掘，将油门旋钮依次从6挡旋转到10挡，每挡操作30 min，挖掘机回转90°，挖深3 m，卸载高度4 m。为提高试验精确性，重复进行试验，测试3组数据，整理后取平均值，其挖掘效率和油耗曲线分别如图5、6所示。

图5 两种系统挖掘次数的对比图

图6 两种系统单斗油耗的对比图

通过观察图5、图6可得出:在单位时间内，极限负荷控制系统比负流量系统挖掘在相同挡位下，作业效率高，单斗油耗小，特别是在大功率极限作业环境 (10挡)时，表现更为突出，最大可提升7%的作业效率，减小10%的油耗，符合极限负荷控制系统的特点。

4 结束语

负流量控制克服了主泵总在最大流量、最大功率和最大压力的极端状况下工作，减少了系统的空流损失［5］，取得明显的节能效果。然而，传统的负控系统在液压泵与发动机匹配时，存在发动机功率不能充分利用的问题，为此作者开发了一种新的极限负荷控制系统。通过理论分析和试验验证等手段，证明了极限负荷控制系统在作业效率、油耗、操作性等方面有很大优势，为节能技术研究提供了一种新方法。

［1］黄鸣辉，殷鹏龙，王剑波，等.液压挖掘机功率极限控制研究［J］.建筑机械化，2012(12):39-42.

［2］何清华，郝鹏，常毅华.基于液压挖掘机节能系统研究［J］.机械科学与技术，2007，26(2):188-191.

［3］蔡登胜，初长祥，孙金泉，等.液压挖掘机功率控制系统开发［J］.工程机械，2012，10(43):37-65.

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

［5］郭雄华，曹显利.挖掘机负流量液压系统的控制特性分析［J］.液压与气动，2011(5):55-57.