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  小型挖掘机液压系统节能技术解读

  通过对工程液压系统的主要能耗分析,介绍通常主机制造企业在节能方面采取的技术优化方案,希望能给用户在购机时,选择匹配合理并高效节能的产品提供参考。

  随着小型挖掘机品牌与产量的增加,前端市场竞争愈演愈烈,各主机制造企业纷纷打出节能牌,面对琳琅满目的宣传,用户怎样甄别选择,分清真节能与假炒作?了解小型挖掘机液压系统节能技术原理不失为一条妙计。

  液压技术具有功率重量比大、工作压力和流量可调性好、热量可被带回油箱等优势,被应用到工程机械各个领域。但值得注意的是,液压传动存在多次能量转换的问题,其能耗较电气传动和机械传动更大,效率也向来不高。传统的液压系统设计主要考虑系统的工作能力、可靠性及成本,很少注意系统的效率,其效率一般也就在50%左右,造成的能源浪费十分严重。抛开研发混合动力小型挖掘机不说,减阻节能的振动掘削技术是主机制造企业的主要优化手段。
小型挖掘机液压系统节能技术解读
  一 液压小型挖掘机主要功率损失

  1 溢流损失

  工业当系统压力超出安全阀设定压力时,系统开始溢流,造成功率损失。随着负载压力的增加,泵输出压力也逐渐增加,当超出安全阀设定压力时,系统开始溢流。当工作装置因负载过大而停止动作时,如果不采取措施,液压泵输出的全部流量都通过溢流阀流回油箱,此时发动机的输出功率都消耗在溢流阀上变成热能,导致油温升高。但如果采用恒功率变量泵,小型挖掘机在工作中,由于工况的复杂性,经常处于过载状态,因系统溢流而产生的功率损失就相当可观了。

  除过载产生的溢流损失外,系统中还存在其他形式的溢流损失。例如在小型挖掘机回转马达中,通常都设置平衡阀,一方面在启动过载时存在溢流损失,另一方面在制动时起耗能作用并对马达起到补油功能。回转启动时,由于小型挖掘机上车巨大的转动惯量,回转马达不能完全吸收泵输出的流量,多余流量只能通过平衡阀溢流回油箱,造成

  2 功率损失。动臂、斗杆下降过程中的势能损失

  动臂在举升过程中将液压能转换为势能。为防止动臂下降过快,通常在动臂油路上装单向节流阀,在动臂下降时起阻尼作用,从而将势能转化为热能,这样会造成损失。同样,斗杆在进行类似的操作时,也有势能损失的问题。

  功率匹配不合理而引起的损失 柴油机理想工作点应位于低耗油区,由于小型挖掘机工作负载的多变性,使工作点经常偏离经济工作点,燃油利用率不高,造成损失。
小型挖掘机液压系统节能技术解读
  3 节流损失

  由六通型多路阀阀口上的旁路空流损失和旁路节流损失组成。液压小型挖掘机上多采用六通型多路阀作为液压系统换向和流量控制元件,用定量泵或变量泵供油。在这种系统中,可以将六通多路阀简化为3个联动的可变节流口,是旁路节流系统。阀口上的功率损失主要包括旁路空流损失和旁路节流损失。

  4 沿程功率损失

  由沿程压力损失所造成的功率损失之和,可以通过合理设计管路来减少。液压系统的沿程压力损失所造成的功率损失也是不可小视的。在泵出口处测得的空流压力(大约有2 ~3MPa)中有很大一部分是沿程压力损失。

  5 摩擦功率损失

  由液压缸活塞上的摩擦发动机和液压泵上的摩擦造成的摩擦功率损失。工程机械的执行机构一般采用液压驱动, 运动形式多为频繁的往复运动和回转运动。由于各运动部件惯性都比较大, 所以减速制动时会释放出大量的能量。这部分能量通常都消耗在液压控制阀的阀口上,不仅浪费了能量,还会导致系统发热和元件寿命的降低。

  二 液压系统节能的主要措施

  根据上述液压系统能量损失的原因,在优化液压系统或者解决各配件之间匹配问题时,可以采取选择合理液压件的措施来减少系统的能量损失,提高系统的效率,达到节能的目的。

  三 液压泵的选择

  轴向柱塞泵 国外排量为80~500mL/r的定量泵和变量泵的总效率为90%,国产一般为88%左右。

  叶片泵 国外排量为11.5~237mL/r的各种变量叶片泵总效率为82%~85%,国外定量叶片泵效率为85%,国产叶片泵的总效率与国外的相当,为75%~86%。

  齿轮泵 国外齿轮泵的总效率为65%~90%,国内主要齿轮泵生产厂家的产品总效率已达到或接近国外同类产品水平,为64%~88%。

  由上述数据分析可知液压泵对液压系统的总效率影响很大,而液压泵效率的高低主要取决于该元件的结构设计。在系统选配液压泵时,要注意泵的规格与其配套设备的匹配,在负载小、功率小的机械设备中,可用齿轮泵;在负载较大并有快速和慢速工作行程的机械设备中可使用节能的限压式变量叶片泵;负载大、功率大的机械设备中可使用变量柱塞泵;而机械设备的辅助装置,如送料、夹紧等不重要的地方,可使用廉价的齿轮泵。以节能的观点出发,应依次选择柱塞泵、叶片泵和齿轮泵,当然也同时要考虑到经济性与实用性以满足用户需要。目前,在小型挖掘机液压系统中大多采用变量泵,这类泵能够根据工况的要求自动调节排量的大小,减少流量损失,从而提高整个液压系统的效率,减少能量的损耗。

  四 液压缸和液压马达的选择

  通轴、弯轴轴向柱塞马达 国外排量为11.5~500mL/r的定量马达和变量马达总效率达85%~95%,国产斜轴式轴向柱塞马达总效率为90%。低速大扭矩马达 国外低速大扭矩马达在低速使用时效率仅为70%,最高效率为80%~90%,国产一般为83%~85%。

  齿轮马达 国外齿轮马达的总效率为70%~80%,国产齿轮马达产品较少,总效率低于国外同类产品水平。

  从上述情况分析,国产液压件总效率与国外差距不大,但由于寿命等因素,性能保持性与进口产品尚有较大差距。

  液压缸和液压马达也是液压系统中能量损耗较大的元件,在选择液压缸和液压马达时,要注意液压缸、液压马达与泵的流量相匹配,在满足系统工作要求的前提下,使能量不致大量损失。
小型挖掘机液压系统节能技术解读
  五 控制元件的选择

  控制元件不属于能量转换元件,但是所有阀类元件皆为流阻,其必然会造成压力的损失,降低系统的效率,因此必须合理选择控制元件。在进行系统方案设计时,应根据系统中相应位置和可能出现的最大工作压力和流量来确定其规格,不宜过大或过小。如条件许可,应采用集成阀取代沿用的分离式单功能元件,能取得较好的节能效果。

  六 液压辅助元件的选择

  液压系统的辅助元件是指除液压动力元件,执行元件和控制元件以外的其他各类组成元件,如管件、油箱、过滤器、密封装置、压力表和蓄能器等。它们虽被称为辅助装置,但对液压系统的工作性能同样起到了重要作用。因此在液压系统的节能设计方面,也要注意到液压辅助元件的正确选择。

  能耗、效率是可持续发展和环保需要解决的重要课题,同时也是主机用户十分关心的问题,工程机械能耗巨大,在选择液压系统时应当选择搭配合理液压件的措施来减少系统的能量损失,提高系统的效率,最终达到节能的目的。


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