設(shè)計開發(fā)小型液壓挖掘機的節(jié)能設(shè)計Ｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｄｅｓｉｇｎｏｆｍｉｎｉ－ｅｘｃａｖａｔｏｒ夏兆沂，劉崇ＸＩＡＺｈａｏ－ｘｉ，ＬＩＵＣｈｏｎｇ（山東臨工工程機械有限公司，山東臨沂２７６０２３）【摘要】介紹了ＬＧ６６０－７小型液壓挖掘機的整機設(shè)計性能與系統(tǒng)組成，主要從柴油機工作模式、轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制說明節(jié)能原理，并從閉中心ＬｕＤＶ力士樂系統(tǒng)工作原理進行說明，分析該液壓系統(tǒng)使用效率，介紹整機其它系統(tǒng)的組成情況?！娟P(guān)鍵詞】液壓挖掘機；節(jié)能控制；液壓系統(tǒng)近年來，我國國產(chǎn)液壓挖掘機快速發(fā)展，技術(shù)水平不斷提高，為增強產(chǎn)品競爭力，我們開發(fā)了節(jié)能型小型液壓挖掘機ＬＧ６６０－７。其整機操作質(zhì)量５８００ｋｇ，鏟斗標準容量０．２４ｍ３０該機使用基于功率匹配的發(fā)動機、泵、閥聯(lián)合控制節(jié)能技術(shù)，能夠節(jié)約資源，降低產(chǎn)品故障，提高產(chǎn)品使用壽命，也為用戶節(jié)約了使用成本。１發(fā)動機節(jié)能控制系統(tǒng)發(fā)動機選用日本洋馬的４ＴＮＶ９４Ｌ型機械全程調(diào)速式柴油機，額定功率３９ｋＷ，燃油消耗率２３ｌｇ／ｋＷｈ。挖掘機作業(yè)復(fù)雜，工況不同，如挖掘土壤，破碎巖石或平整作業(yè)，需要功率不同；同一工作循環(huán)中挖掘、提升、空載返回時負荷不同需用功率也不同，靠操作者進行瞬時油門控制易造成疲勞，而固定在大油門狀態(tài)，則造成發(fā)動機輸出功率富余，油耗高，不利于節(jié)能。為充分利５６圖１ＬＧ６６０－７小型挖掘機外觀ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＭＥＣＨＡＮＩＺＡＴＩＯＮ用柴油機功率，根據(jù)挖掘機作業(yè)情況與柴油機特性，對柴油機功率分級，設(shè)置模式控制、轉(zhuǎn)速控制和自動怠速控制。１．１模式控制在４ＴＮＶ９４Ｌ柴油機調(diào)速特性中，如圖２，最大扭矩，最低比油耗和額定功率點轉(zhuǎn)速不重合。按挖掘機作業(yè)情況，將其分為三級功率模式：重負荷（額定功率），標準作、世（經(jīng)濟油耗為主，８０％～８５％額定功率）、輕載作業(yè)（低油耗，６５％～７０％額定功率），各模式對油門進行初步定位，通過變量泵功率調(diào)節(jié)彈簧實現(xiàn)恒功率控制。柴油機在穩(wěn)定的功率負載下受外載荷變化影響小，工作性能穩(wěn)定，容易按照作業(yè)情況實現(xiàn)功率匹配，完成節(jié)能要求。豢蓑耗鎏一ｌ一｝！卜、≤：：…撾矩一｝ｆ｛……－ｉ｛ｉ—爭—≤ｆ?。椋欤帧В。眨欤铩睢馊?；！——?一－■Ｉ＇三ｉ：；；ｊ善岳睪霉ｌ｜鼯謄…ｚ呼７｛｛ｉ｜－－弋＋…～蘭車…一皇…獸一離竭鯔習(xí)：：：擘：：ｊ…一＿｝……．｝－……卜…一｝……｛……｛…一｛……｝……．圖２柴油機調(diào)速特性ｆＨｌ線功蜜萬方數(shù)據(jù)設(shè)計開發(fā)柴油機輸出功率依靠電液比例減壓閥控制變量泵排量實現(xiàn)，為充分利用柴油機的功率，可設(shè)定變量泵最大吸收功率高于柴油機輸出功率。柴油機經(jīng)轉(zhuǎn)速感應(yīng)與變量泵控制，當負荷增大柴油機轉(zhuǎn)速下降，傳感器感應(yīng)柴油機下降轉(zhuǎn)速，反饋到控制器，控制器輸出電流信號到電液比例減壓閥，減小變量泵斜盤角度，流量降低，輸出功率下降，轉(zhuǎn)速提高，泵的實際吸收功率不大于柴油機輸出功率，不會造成超載熄火現(xiàn)象，提高了柴油機功率利用率。１．２轉(zhuǎn)速控制轉(zhuǎn)速控制由轉(zhuǎn)速旋鈕、控制器、轉(zhuǎn)速傳感器、直流伺服電機、油門執(zhí)行機構(gòu)和油門位移傳感器組成，完成發(fā)動機功率控制。柴油機扭矩特性曲線平，而挖掘機負荷不穩(wěn)，低頻波動時，轉(zhuǎn)速會發(fā)生較大變化，柴油機工況變差，造成油耗上升。設(shè)置轉(zhuǎn)速控制進行電子油門控制時，當負荷增加，發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降時，傳感器感應(yīng)下降轉(zhuǎn)速，控制器輸出信號控制直流伺服電機增大油門，轉(zhuǎn)速上升穩(wěn)定，輸出功率增大，適應(yīng)外負荷，同樣有效提高柴油機功率利用率。１．３自動怠速通過對先導(dǎo)操縱的壓力進行感應(yīng)，挖掘機進入待機狀況不作業(yè)時，操縱手柄無動作后５ｓ，油門自動調(diào)整進入怠速，實現(xiàn)低轉(zhuǎn)速低油耗。先導(dǎo)手柄動作后油門進入上次設(shè)定位置。也可手動直接進入怠速。在以上幾種柴油機功率控制方式的聯(lián)合作用下，柴油機輸出功率得到較高的利用，柴油機工況穩(wěn)定，能夠有效節(jié)能。２ＬＵＤＶ節(jié)能液壓系統(tǒng)２．１閉中心系統(tǒng)力士樂ＬＵＤＶ液壓系統(tǒng)為閉中心控制系統(tǒng)，換向閥無中位回油路，如圖３所示，當各油缸、馬達等執(zhí)行器無動作時，變量泵排量降到最低，提供系統(tǒng)較小的泄漏量即可，其余通過先導(dǎo)溢圖３液壓系統(tǒng)簡圖流閥回油箱，由于執(zhí)行器無動作，先導(dǎo)壓力為０，溢流壓力為彈簧調(diào)定的較小壓力，功率損失為溢流損失，因流量與溢流壓力都小，因此功率損失爿、。２．２控制原理與效率計算多路閥并聯(lián)，由于挖掘機執(zhí)行器多，作業(yè)存在復(fù)合動作，如行走，滿斗提升回轉(zhuǎn)等。如不進行控制液壓油將先流向壓力低的執(zhí)行器，負荷大的執(zhí)行器動作變慢或停止，因此流量需要合理分配，ＬＵＤＶ系統(tǒng)中采用負荷傳感壓力補償控制，如圖４。各執(zhí)行器的最高負荷壓力被梭閥選出后傳遞到圖４負荷傳感壓力補償原理補各壓力補償閥與變量泵排量控制的負荷傳感閥中。各壓力補償閥設(shè)定開啟壓力相同，因此最高壓力Ｐｔ控制的各多路換向閥節(jié)流口后的壓力尸，與Ｐｚ相等，變量泵出口壓力Ｐ在負荷傳感閥對排量控制的作用下比Ｐｃ高出一個固定值，因此在各節(jié)流口的壓力差：ＡＰｌ＝ＡＰ２節(jié)流口流量計算公式為：建筑機械化２∞９（１１）５７萬方數(shù)據(jù)設(shè)計開發(fā)Ｑ２甜、／了／２△Ｐ式中ｃ——流量系數(shù)；Ａ——節(jié)流口面積；ＡＰ——節(jié)流口壓力差；Ｐ——液壓油密度。在Ｃ、ＡＰ、ｐ參數(shù)一定的情況下，流量只與節(jié)流ｎ面積有關(guān)，與各執(zhí)行器外負載壓力無關(guān)。因此液壓油將按照各操縱滑閥的開度向各執(zhí)行器按比例分配，而不會先流向壓力低的執(zhí)行器，同時泵排出液壓油全部流向執(zhí)行器，無旁路回油，操縱精度更高，ＡＰ可通過手動調(diào)整，在滑閥開度一定的情況下能夠改變流量大小，更好地實現(xiàn)挖掘機作業(yè)速度調(diào)整，有利于作業(yè)控制。各執(zhí)行器單一或復(fù)合動作時的功率損耗為多路閥節(jié)流壓力差ＡＰ造成，總流量為Ｑ，假定為復(fù)合動作，任意兩執(zhí)行器的流量為Ｑ，、Ｑ：，工作壓力為Ｐ１、Ｐ２，則其效率為Ｎ有效功率ＰＬＱｌ＋ＰａＱ２吖Ⅳ總功率（ＰＩ＋△Ｐ）Ｑｌ＋（Ｐ２＋ＡＰ）Ｑ２因為Ｐｌ＝Ｐ２所以ｒ／＝Ｐｌ／（Ｐ１４－ＡＰ）節(jié)流壓力差ｈａｔ＇通過比例電磁鐵控制，一般設(shè)為系統(tǒng)壓力的１％～５％，所以系統(tǒng)效率非常高，在９５％以上。因此整個液壓系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)發(fā)動機輸出功率的利用，實現(xiàn)節(jié)能。３整機工作平臺整機平臺為流線型小回轉(zhuǎn)型式。為提高整機質(zhì)量、舒適性與可靠性，對其進行了工業(yè)造型、仿真、有限元優(yōu)化等先進設(shè)計，力求實現(xiàn)大挖掘力下整機具備質(zhì)量最小，穩(wěn)定性高，可靠性好的特點。車架采用箱體與框架結(jié)構(gòu)，以有利于傳遞受力為主。上架工型梁、下架Ｘ架、履帶盒采用整體焊接，具有高強度高抗變形能力。動臂、斗桿、鏟斗關(guān)鍵位置使用高強度鋼板和耐磨板，重量輕、剛性高，有效提高了重載時的可靠性。為確保應(yīng)力合理，進行有限元分析，如圖５為橫向挖掘達傾翻極限時的有限元應(yīng)力。最大應(yīng)力５８２００９（１Ｉ）ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＭＥＣＨＡＮＩＺＡＴＩＯＮ圖５工作裝置和車架有限元分析１８ｌＭＰａ，對于Ｑ３４５鋼板，拉伸強度４７０ＭＰａ～６３０ＭＰａ，安全系數(shù)為３左右。駕駛操縱豪華舒適，空間寬敞、視野廣闊。前窗玻璃可升起。座椅可全方位調(diào)整。操作力小，大大減輕工作疲勞。左手柄操縱臺可抬高鎖定，方便駕駛員出入駕駛室，操縱臺下降到原位置前，操作先導(dǎo)手柄將不產(chǎn)生任何作用，以保證安全。履帶式行走系統(tǒng)，可選橡膠履帶或鋼履帶，接地比壓小，適合對路面要求高的地面施工，雙速行駛系統(tǒng)可根據(jù)作業(yè)情況進行高低速切換，提高了挖掘機效率，提高機動性能?？傊?，ＬＧ６６０—７小型全液壓挖掘機在成本得到合理控制的情況下，采用了各種先進應(yīng)用技術(shù)，做成了國產(chǎn)小型挖掘機中的高端代表，做到了美觀、舒適、可靠與節(jié)能，在廣闊的市場前景下具備了很強的市場競爭力。固［參考文獻】【ｌ】扎德文，趙克利．液壓挖掘機【Ｍ】．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，２００７．［２】曹善華．單斗液壓挖掘機【Ｍ】．上海：同濟大學(xué)，２００１．【３】吳嘵建．液壓挖掘機功率控制節(jié)能技術(shù)研究［Ｄ】．巾南大學(xué)，２００５．（編輯吳學(xué)松）［中圖分類號］ＴＵ６２１［文獻標識碼］Ｂ［文章編號］１００１－１３６６（２００９）１１—００５６—０３［收稿日期］２００９－０８－２６萬方數(shù)據(jù)小型液壓挖掘機的節(jié)能設(shè)計作者：夏兆沂，劉崇，XIAZhao-xi，LIUChong作者單位：山東臨工工程機械有限公司,山