1、圖 !圖 關鍵詞 液壓挖掘機 柴油機控制 液壓系統 電控系統液壓挖掘機關鍵技術綜述長沙建設機械研究院劉建民$%內容提要 當今液壓挖掘機是人們諸多建設工程不可缺少的得力助手, 進一步發展它的動力、 液壓、 電控技術, 使之更好為人類服務是我們的責任。本文就以此綜述, 籍以拋磚引玉。挖掘機的出現已有百余年歷史, 在技術上大致經 歷了三次飛躍。第一次是柴油機的出現, 使挖掘機有 了較理想的動力裝置;第二次是液壓技術的廣泛應 用, 使挖掘機有了較完善的控制系統。進入二十一世 紀, 隨著新技術的挖掘機上的不斷應用, 使液壓挖掘 機技術面貌一新。本文就液壓挖掘機的關鍵技術加以闡述。! 動力系統挖掘機的作業

2、屬重負荷沖擊工況, 因此對柴油機過載能力、 耐用性方面有苛刻的要求, 世界著名的挖 掘機生產商均采用專門研制的柴油機為動力。 但是近 年來對柴油機的性能與功能提出了更高更多的要求:低燃耗、 高出力; 改善排放, 降低煙度; 提高加速性能 和低溫起動性能; 降低噪聲, 提高可靠性和耐久性, 簡 化維修保養等。因此, 僅從機械途徑已無法解決這些 問題, 柴油機的電子化控制已成為重點研究與應用的 新課題。時至今日, 挖掘機用電子化控制柴油機尚未 有突破性的發展與應用, 但電子化控制柴油機技術必 將深刻影響液壓挖掘機的進一步發展, 并從根本上改 善動力系統的匹配性、 適應性和經濟性。也將更符合 日益提

3、高的環保要求。 !#!柴油機電子化控制的優點!#!#! 任意的扭矩特性由于燃油噴射量采用電子控制, 它突破了機械式 調速器的噴油量和發動機轉速之間的固定關系, 使噴 油量與轉速之間沒有直接關系, 噴油量可以由微機軟 件來決定。 因此, 執行不同程序, 就可以獲得不同的發 動機特性曲線。液壓挖掘機往往具有多種功能, 需在 不同的工況下工作, 要求發動機具有各種扭矩轉速特 性。圖 ! 所示為全程調整器特性曲線和二程調整器特性曲線, 在電子控制柴油機中, 只要用一個轉換開 關分別執行不同程序就能實現。圖 所示為通過微機軟件實現不同外特性曲線和不同形狀的扭矩特性。!#!# 大幅度降低油耗燃料噴射不受發

4、動機轉速的影響, 噴射始終保持 高壓細化, 能按發動機運行工況調整噴油規律和噴油 狀態, 能適應急劇的負荷變動, 可迅速進行調整, 提高 燃燒效率。!#!#$解決排放問題解決機械式調速器柴油機的排放問題是困難 的。采用電子控制可通過控制噴油時間、 噴油規律和 噴油狀態, 使燃料在較低溫度下燃燒, 抵制 %& (氮氧 化合物 的產生; 在急加速時不冒黑煙; 由于噴射壓力 高, 燃油粒子細化, 與空氣混合好, 燃燒完全, 能抑制 黑煙的產生。 !#!#*具有各種附加功能 + 自動暖機26建設機械技術與管理 2001年 12月號 產品技術圖 !圖 圖 #圖 $圖 %圖 &起動后,可根據冷卻水溫度自動

5、改變怠速轉速, 冷卻水溫低時怠速轉速高,以縮短暖機時間,如圖 ! 所示。 (提高低溫起動性能起動時, 燃油噴射量隨冷卻水溫而變。水溫低時 增加噴油量, 以提高低溫起動性能。水溫上升后自動 減少噴油量, 以防冒黑煙, 如圖 所示。(發動機保護功能可防止發動機超速和過熱,還可防止發動機倒 轉。圖 #所示為防止發動機超速, 當轉速超過某一值 時, 供油被切斷。 圖 $所示為防止發動機過熱, 當發動 機水溫達一定值時, 噴油自動減少, 扭矩曲線下降, 發 動機功率減小。*(怠速轉速控制可根據怠速時所帶負荷的情況 +例如空調是否開 啟 (來改變怠速轉速, 所帶負荷大, 怠速轉速高, 以防 發動機熄火,

6、如圖 %所示。, (調速特性的調速率控制當發動機發電機工作時, 希望發電機發生的頻率 一定, 調速器調速率盡量接近零。采用電子控制可實 現此要求, 如圖 &所示。 -. /中冷技術發動機中冷技術的目的是降低進氣溫度, 并提高進氣量, 從而保證燃料充分燃燒, 提高發動機有效輸 出功率。 中冷技術在液壓挖掘機上的應用前景良好。液壓挖掘機柴油機向電子化控制的發展是必然 的方向。/液壓系統目前液壓挖掘機典型的液壓系統基本上有二種類型, 即負荷傳感系統和負流量控制系統。/0-負荷傳感系統負荷傳感技術是一種利用泵的出口壓力與負載壓力差值的變化而使壓系統流量隨之相應變化的技 術。液壓負荷傳感系統分閥控定量系

7、統和泵控變量 系統。液壓挖掘機上基本采用泵控次級壓力補償系 統, 即負荷傳感壓力補償閥布置在換向閥節流器的后 面。負荷傳感系統的特點:1(節能泵控負荷傳感系統中, 節能表現在:恒功率變量泵的功率一定, 而負荷所需的壓力和流量不可能都與 泵一致, 必然有泵的壓力或流量超過負荷所需值, 從 而引起損失。負荷傳感系統則可以使兩者接近, 而減 小損失。在節能方面以泵控負荷傳感系統最顯著。 (控制性能好由于系統壓力和流量變化受負荷傳感信號控制, 是一個閉環反饋控制系統, 故控制靈敏度高; 各種負 荷傳感閥均屬等差減壓閥, 通過節流口的流量只與其 面積有關, 而不受負載變化影響, 故調速平穩、 準確、 迅

8、速; 可與比例閥配合實現比例控制, 可在多個執行 元件復合動作時, 實現同步工作而互不影響; 因流過 滑閥的流量小、 流速低, 故操縱力小; 微調性能好, 微 調時功率損失低。(動靜特性好負荷傳感系統一般都具有足夠的穩定性和動態 響應, 噪聲低, 但對組成系統各元件的固有頻率有一 定要求。*(壽命長換向閥中位時, 泵低壓小流量工作; 系統工作時, 泵在略高于負載壓力下工作, 且溢流損失小, 油溫低, 延長了液壓元件和工作油的壽命。, (元件規格小27建設機械技術與管理 2001年 12 月號圖 !圖 !圖 #由于功率得到充分利用, 系統效率高。 主液壓泵、 液壓油冷卻器、 濾油器及管路元件的規

9、格都可以適當 減少, 使系統更緊湊。負荷傳感系統主要缺少是結構較復雜, 維修性較 差。 $%$負流量控制系統負流量系統是通過位于主控制閥后面的節流閥 建立的壓力對主泵的排量進行調節的。 這種系統具有 穩定性好、 響應快、 可靠性和維修性好等特點; 但在起 始點為重負荷下作業時, 因流量與負荷相關, 所以可 控制性較差。見圖 #。負流量系統的能量損失以流量為主, 而負荷傳感 系統以壓差為主。 &見圖 ! 負荷傳感系統與負流量系統的比較見下表。評價指標 負荷傳感系統 負流量系統節能優與負荷傳感系統相近 操作起始點 與載荷無關 與載荷有關 系統穩定性 較差 好 可靠性及維護較差好德國力士樂在 (負荷

10、傳感系統基礎上開發出了 (*+,負荷傳感系統, 從原理上分析, (*+,系統要優于 (系統。但是實際工程應用的情況相對較少, 其優 點與可靠性, 性價比都有待進一步考核和提高。-電控系統二十一世紀更強調環保, 提高效率。 當前, 液壓挖掘機的電控系統的重要特征就是以微處理器為核心 的全機綜合控制, 即對發動機、 主泵等全面控制, 以實 現二者的最佳匹配, 從而達到環保、 節能與提高效率 為目的。如圖 ! 所示是一種液壓挖掘機綜合控制系 統。但是, 值得注意的是一個過分復雜精密的電控系 統同時也帶來了可靠性差、 故障突發性的增加, 并使 維修難度加大等一系列后續性問題。這些使用方面 的問題將大大削弱先進的電控系統所帶來的技術價 值和使用經濟價值。因此, 在液壓挖掘機電控系統方 面,始終應該強調的是更高的可靠性與技術的合理性, 而非一味追求技術的完美性; 目前發展的趨勢是 研究開發可靠性更高的元器件及系統, 以確保電控系 統的穩定性和可靠性。液壓挖掘機的技術發展重點集中在液壓電子系 統中, 在某些特定用途中, 使液壓挖掘機具備一定的 自動工作能力也仍舊處在極其初級的發展階段