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1、硕士学位论文挖掘机工作装置机液系统研究与挖掘工况能耗分析Research on Excavator Working Device Machanical-Hydraulic System and Analysis of Digging Conditions Energy Consumption 专 业 机械工程 作 者 管 伟 导 师 陈欠根教授中南大学机电工程学院二零一三 年 五 月III中图分类号 TU621 学校代码 10533 UDC 621 密级 公开 硕士学位论文挖掘机工作装置机液系统研究与挖掘工况能耗分析Research on Excavator Working Device Me
2、chanical-Hydraulic System and Analysis of Digging Conditions Energy Consumption作者姓名：管 伟学科专业：机械工程研究方向：液压传动与控制学院（系、所）：机电工程学院指导教师： 陈欠根 教授 论文答辩日期 答辩委员会主席 中 南 大 学二零一三 年 五 月原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究
3、所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名： 导师签名 日期： 年 月 日挖掘机工作装置机液系统研究与挖掘工况能耗分析摘要：液压挖掘机的节能与作业效率是衡量其性能的重要方面。在复合挖掘作业时，挖掘机存在工作装置液压系
4、统的能耗较高和铲斗挖掘速度偏低的问题。上述问题直接影响到整机的能耗和作业效率。本文以降低液压挖掘机挖掘工况时系统能耗和提高挖掘作业效率为研究目的，以工作装置机液系统为研究对象，开展典型挖掘工况下系统的动态特性和能耗研究。论文的主要工作如下：综述了挖掘机节能意义，介绍了挖掘机上应用的典型节能控制系统，并对挖掘机工作装置阀控系统研究成果和能耗分析现状进行了概述。在详细分析液压挖掘机主泵、多路阀以及负流量控制系统的基础上，建立了负流量控制系统的数学模型。通过进行变量泵源双阀控系统的特性分析，从理论上论述了合理控制斗杆优先节流可提高挖掘过程铲斗油缸的挖掘速度。建立了工作装置运动学模型，为工作装置系统建
5、模奠定了基础。基于AMESim平台建立了液压系统中各功能元件的仿真模型并进行了深入分析。构建了液压挖掘机工作装置机液系统仿真，并通过实测与仿真对比验证了模型的准确性。本文对挖掘机的典型挖掘工况开展了仿真研究与能耗分析，得到挖掘工况下系统动态响应与挖掘工况的能耗分布，结果表明，挖掘过程中包括斗杆优先阀在内的节流产生的能耗最大。针对斗杆优先阀产生的能耗过高和挖掘中对铲斗回路的流量限制，本文对液压系统回路中斗杆优先阀的先导控制回路进行了改进，使优先节流适应挖掘工况要求。然后，利用仿真平台对优化前后的系统性能进行了对比研究。研究表明，优化后的液压系统在挖掘工况时，优先阀口压损下降，铲斗油缸速度得到提升
6、，实现了挖掘工况的节能。关键词：液压挖掘机；工作装置；AMESim仿真；挖掘能耗分类号：TU621Research on Excavator Working Device Mechanical-Hydraulic System and Analysis of Digging Conditions Energy ConsumptionAbstract: Energy-saving and operational efficiency of hydraulic excavator is an important aspect to measure its performance. Working
7、device appear low speed and energy consumption hydraulic system is high for complex digging of hydraulic excavator. These problem affect the energy consumption and operating efficiency of excavator. To reduce the energy consumption and improve the efficiency in digging condition for excavator, the p
8、aper took medium-sized hydraulic excavator mechanical-hydraulic system as the object, researched on dynamic characteristic and energy consumption of the system. The main research work as follows:The article summarized conservation significance of excavator and typical energy-saving control system .T
9、hen ,give a summary of the excavator working device valve control system and its energy consumption research.In this paper, The basic principle and characteristics of hydraulic excavator pump, multi-way valve and negative flow control system was analysised detailly. The mathematic model of a negativ
10、e flow control system was created based on the above analysis. The compound action coupling mechanism of working device was illustrated through the analysis about variable pump source and dual-valve system characteristic. Then, set up working device kinematic model ,it laid the foundation for wordin
11、g device system simulation model.The simulation model of hydraulic system major function element was set up and analyzed deeply. The simulation model of hydraulic excavator working device mechanical-hydraulic system was built up. Then by comparing the simulation results with experimental results, th
12、e accuracy of the model was verified.Based on the model,this paper studied the typical digging condition of excavator and energy consumption, got the result about dynamic response of digging and distribution of the digging energy consumption. It shows that throtting losses which contain priority val
13、ve generating and overflow loss is large.Then the hydraulic system circuit was improved based on the above result and compared energy consumption of these two hydraulic system. The result show that the energy consumption of priority valve declined and bucket cylinder speed increased in the optimized
14、 hydraulic system .The new hydraulic system is more energy-saving.Keywords: hydraulic excavator, working device, AMESim simulation, energy consumption of digging conditions.Classification: TU621IV目录原创性声明I摘要IIAbstractIII目录V1 绪论11.1 课题研究背景及意义11.2液压挖掘机典型节流控制系统概述21.4挖掘机工作装置液压系统研究现状71.5挖掘机液压系统能耗研究现状101.6
15、 本文的主要研究112 液压挖掘机负流量系统研究及工作装置运动学分析132.1挖掘机液压系统元件分析132.1.1泵控系统分析132.1.2多路换向阀简述152.1.3 挖掘机负流量系统特性分析182.2变量泵源双阀控系统特性分析192.3 挖掘机工作装置的运动学分析与其重心求解232.3.1连杆坐标系转换与运动学基本方程232.3.2运动学正解252.3.3运动学逆解262.3.4工作装置重心求解282.4 本章小结293 液压挖掘机工作装置机液系统建模313.1 AMESim仿真概述313.2 负流量控制泵模型的建立313.3 多路阀系统主阀模型的建立与分析323.3.1 主阀仿真模型的建
16、立333.3.2 主阀芯节流口的设计与计算333.3.3 单片主阀仿真模型的初步验证373.4 多路阀系统其他液压元件的建模与分析383.4.1 斗杆流量再生解除阀的建模与分析383.4.2 动臂斗杆优先阀的建模与分析403.4.3 动臂回转优先阀的建模与分析433.5 液压挖掘机工作装置机液系统模型的建立453.5.1 工作装置机械模型建立453.5.2 负载计算与曲线拟合463.5.3 整机机液仿真模型的建立与封装493.6 本章小结504 液压挖掘机挖掘工况仿真研究514.1 挖掘机机液系统仿真模型的验证514.1.1 动臂单动作实测与仿真对比514.1.2 斗杆单动作实测与仿真对比52
17、4.1.3 铲斗单动作实测与仿真对比544.1.4 空挖复合动作实测与仿真对比554.1.5 工作装置各液压缸实验与仿真压力数值对比574.2 挖掘机挖掘工况的仿真研究574.2.1 负载模拟574.2.2 复合挖掘系统动态特性分析594.2.3 斗杆优先阀动态特性分析604.2.4 斗杆流量再生解除阀动态特性分析614.3 本章小结625 液压挖掘机挖掘工况能耗研究与回路优化635.1 复合挖掘过程能耗研究635.1.1 泵输出能量分析635.1.2 复合挖掘过程的有用功645.1.3 进油节流损失645.1.4 回油节流损失655.1.5 优先阀口节流损失665.1.6 旁路回油与溢流损失
18、675.1.7 单向阀开启与管路损失685.2 多路阀系统回路改进与仿真研究695.2.1 多路阀系统回路改进695.2.2 仿真模型对比705.2.3 仿真效果对比725.3 本章小结746 实验研究756.1 实验目的与内容756.2 实验设备756.3 实验方案766.4 实验结果及分析786.5 本章小结807 总结与展望817.1 全文总结817.2 后续研究工作展望81参考文献82附录1 SWE230LC液压挖掘机工作装置仿真参数列表86附录2 SWE230LC液压挖掘机液压系统仿真参数列表87攻读硕士期间主要研究成果89致谢90VII硕士学位论文 绪论1 绪论1.1 课题研究背景
19、及意义液压挖掘机是基础建设中使用最为广泛的一种工程机械，对节省人力、提高作业效率、保证工程质量具有非常重要的意义1。挖掘机的发展历史可以追溯到19世纪三四十年代的美国2，至今已经有一百多年历史。由于我国工程机械相关技术起步较晚，一直以来都与世界先进水平有一定差距，包括挖掘机在内的工程机械产品主要零部件和关键技术都依靠国外厂家。但近十年来，在国内土建行业的带动下，中国已经成为世界第一大挖掘机消费市场。据中国工程机械行业统计，我国挖掘机2005-2012年保有量为1149862台3。图1-1反应了近年来国内市场挖掘机销量变化：图1-1 2005年至2012年4月挖掘机国内市场销量图中数据显示近几年
20、来挖掘机市场呈现较大增长。受宏观经济和淡季需求不足的影响，2012年1-4月挖掘机市场出现了一定的下滑，国内挖掘机产销量出现暂时低迷。但总体而言，挖掘机市场呈现较大幅度的增长，预计未来数年挖掘机市场增长空间依然存在。对于国内挖掘机市场而言，主要由日系、韩系、欧美和国产品牌构成。近两年，国产挖掘机通过技术创新和提高产品质量，成功的将市场份额从不足25%提升至50%4，取得了令人鼓舞的成绩，如图1-2所示。然而，由于国内挖掘机械起步较晚，目前还与世界一流产品存在一定差距，液压系统和主要液压元件依然受制于国外技术。而且，由于施工条件恶劣、动力系统与作业工况不匹配等原因，国产挖掘机的功率利用率也仅为5
21、0%-70%，挖掘机作业性能得不到充分发挥57。图1-2 2010-2012年国内挖掘机市场格局挖掘机工作效率偏低、能耗过高，会严重影响挖掘机液压系统的可靠性，主要表现为系统严重发热，有的甚至高达80摄氏度以上8。在挖掘机上采用节能技术，不仅能提高挖掘作业的效率、减少系统能耗和排放，同时也能减低作业冲击和噪声，提高机器可靠性。资料显示，工程机械40%的故障来自液压系统，15%左右的来自发动机9。因此，液压系统能耗已经成为衡量工程机械先进性的一项重要指标10，针对挖掘机挖掘作业进行节能研究具有十分重要的意义。1.2液压挖掘机典型节流控制系统概述液压系统是液压挖掘机动力传动系统，作业过程存在较大压
22、力、流量损失，造成了挖掘机工作效率偏低。针对上述问题，世界上众多工程机械厂商相继开发出一系列液压元件和控制技术，以提高挖掘机工作效率。以下介绍挖掘机中常用的几种节能控制系统：1.恒功率控制（1）全功率控制 图1-3 全功率控制系统全功率控制是恒功率控制泵运用到双泵回路形成的一种控制方式11，如图1-3所示，两泵排量靠机械或液压方式保持一致，双泵在任何情况下输出流量都相同。它的优点是:在一定条件下能充分利用发动机的功率；单泵都能100%的吸收发动机功率，提高工作装置作用能力；结构简单5。两泵排量一致，可以使需要同步的动作保持一致。当挖掘机做单一动作时，泵会输出多余流量，造成系统溢流损失12，使系
23、统不可避免的存在能量损失。（2）分功率控制对应全功率控制系统，分功率控制系统是将两个恒功率泵简单的组合到一起，使每个泵最多只能吸收发动机50%的功率，两泵的流量可以根据自身回路负载变化而不受另一泵的影响。分功率控制对负载的适应性较全功率强，但由于不能利用系统空余出的发动机功率。因此，系统对能量利用的不充分也限制了挖掘机的作业性能。（3）交叉功率控制鉴于全功率和分功率控制的不足，国外液压件厂家开发出了交叉功率控制系统，如图1-4所示。交叉功率控制通过两台排量和控制机构完全相同的泵串联组成。因此交叉功率控制能够像分功率系统，每一台泵可以独立控制各自的回路。图1-4 国外某交叉传感功率控制泵但两泵又
24、通过交叉传感控制，如果其中一台泵需要的功率较小，另一泵可以吸收剩余的发动机功率，从而可以100%利用发动机功率13。因此，交叉功率控制既能像全功率控制一样吸收发动机全部功率，又可以像分功率控制可以依据回路的负载压力实现对各自回路的独立控制。但交叉功率控制的工作点依然被限制在几条功率曲线上，使泵工作点与发动机的匹配范围受到限制，不能吸收发动机全部的功率，同样地存在功率损失。因此，交叉功率控制通常与其他控制方式相结合5。2.正流量控制正流量控制系统最早由力士乐公司在上世纪八十年代提出，其主要特点是：操纵手柄的先导压力不仅控制多路换向阀，还用来调节泵的流量。正流量控制系统通常采用三位六通多路阀，如日
25、立建机的EX400，其先导压力由操作手柄引出14。当执行元件不动作的时候，泵上没有先导压力作用，斜盘摆角最小，泵只输出少量液压油满足系统泄漏。当操纵先导手柄时，液压先导回路建立起与手柄偏转量成比例的压力来控制多路阀的阀芯位移和泵的排量。随着手柄偏转量增大，系统作用在泵的变量机构的先导压力增大，使泵的排量成比例的增大15，其原理和特性曲线如图1-5所示。因此，泵的流量和执行元件的工作速度与先导控制压力成正比例。负流量系统中的控制信号采集于多路阀的出口处，只有多路阀有动作，负流量反馈信号才会发生变化，因此泵的变量控制要滞后于多路阀的控制；而正流量系统中泵的控制压力源于一次先导压力，压力信号同时传至
26、泵的变量机构和多路阀先导端，此时两者的动作是同步的。所以与负流量控制系统相比较，正流量系统的操纵敏感性要好。图(a)正流量原理 图(b)正流量系统特性曲线图1-5 正流量原理及特性曲线3.负流量控制负流量控制系统原理如图1-6(a)所示，泵输出油液通过多路阀的控制使液压油分为两部分，一部分去液压执行机构，另一部分通过中央旁通路回油箱。为控制流回油箱的液压油，减少能量损耗，在旁通回油通道上加装一个节流孔，将节流孔产生的压力引至泵的排量调节机构来控制泵的排量以实现系统节能。由于节流孔孔径固定，当流过节流孔的流量增大，节流孔前后压差增大，将使泵的排量减小。因此，泵变量机构的控制压力与泵排量成负线性关
27、系，所以此类系统称为负流量系统。负流量系统在日本小松公司、日立建机公司得到了广泛应用。负流量系统Pt-Q特性曲线如图1-6(b)所示。图(a)负流量原理图(b)负流量系统特性曲线图1-6 负流量系统4.负荷传感控制系统负载敏感技术的发展始于20世纪80年代的欧洲16，它是一种感受系统压力-流量需求，且仅提供所需求流量和压力的液压回路。负载敏感系统通常包括负载传感泵控系统、负载传感多路阀和负载敏感（LS）阀。负载敏感泵控系统是一个具有压差反馈，能在压力指令条件下，实现泵对负荷流量随机控制的闭环系统。它通过传感器或梭阀连接检测负荷（压力）变化信号，对变量泵自动控制并做相应的流量调节，使至少一个控制
28、阀主控边上的节流压差保持不变。这样，泵的输出流量就始终与阀的开度相一致，即与换向阀调节的执行组件所需流量相适应，而与负荷压力无关17。但当系统中同时操纵两个或多个阀芯，则仅有最大负荷压力执行元件的阀芯保持恒定的压差PLS。进入该执行元件的流量可由换向阀开度控制，而进入其他执行元件的流量依然会受到各个负荷的大小及阀芯位置的影响，对要求复合动作的挖掘机很不适应。为了解决上诉问题，使各执行器动作互不干扰，在负载传感多路阀系统的多路阀进油或或回油口引入压力补偿器，以保持负荷的平衡。常见的负荷传感系统有以下几种类型：阀前压力补偿（LS系统）、阀后压力补偿（LUDV系统）、回油压力补偿（东芝IB系统），其
29、原理如下图1-7。负载敏感系统的共同特点是变量泵向数个执行元件同时供油，其中一个负荷最大的元件，将其负荷压力通过梭阀反馈到LS阀及变量机构，而其他执行元件则通过各自的压力补偿阀使各换向阀出口的油压相同。因此，当两个执行元件同时操作时，不论负荷大小，压力补偿阀的作用就使得各换向阀的进口与出口之间的压差相同，从而泵输出的油量将按各阀的开度大小比例进行分流。LUDV系统LS系统IB系统图1-7 负荷传感系统原理对比与传统的液压系统比较，负荷传感系统有三大优势：节能效果显著；流量控制精度高且不受负载变化影响；保证复合动作的协调性，不受负载变化影响。其中LS系统中的压力补偿阀是基于定差减压原理，所以当系
30、统出现流量饱和时，比例分流效果将被破坏；而LUDV系统中的压力补偿阀是基于比例溢流原理，最高负荷压力作为比例控制信号传递给压力补偿阀。同时最高负载压力LS阀对液压泵的排量进行控制，使泵的输出压力较最高负荷压力高出一个固定值。这样所有的多路阀阀口的压降都被控制在同一值，即使泵供油不足，执行机构速度会下降，由于所有阀口压降是一致的，各工作机构速度还是按阀口开度成比例分流。对于中大型液压挖掘机而言，目前常用的有正流量、负流量和负载敏感系统，这三种流量调节控制方式中，在国内挖掘机上应用较多的是负流量控制系统，其次是负载敏感系统。近年来，随着机电液一体化技术的不断发展，电子控制也逐渐应用于正流量和负流量
31、控制的液压系统中，形成了电控正流量系统和电控负流量系统，以期实现更加精确的控制，改善系统性能，表1-1所示为世界上主要的挖掘机生产厂商各种控制方式应用统计。表1-1 各种控制形式液压系统应用统计N-负流量控制系统 L-负载敏感控制系统 P-液控正流量控制系统 E/P电控正流量控制系统1.4挖掘机工作装置液压系统研究现状由于我国挖掘机技术起步晚，国外对挖掘机液压系统和关键零部件的研究也更为成熟，其中以日本为代表的工业强国对工作装置阀控系统的研究也取得了丰硕成果。国内对工作装置液压系统研究主要集中在高校和科研机构，并在近几年取得了一定成绩。1968年，日立建机率先开发出双泵双阀变量泵系统，使液压挖
32、掘机较传统的定量泵系统基础上能量利用率得到大幅提升18。1995年，日立建机为了进行动臂抬起、斗杆回收、铲斗回收复合动作时能顺利的抬起动臂，在铲斗进油路设置了动臂优先阀119，如图1-8所示。图1-8 液压系统示意图它通过在铲斗进油联负载单向阀和主阀间设置一可变节流口，并通过动臂提升先导压力控制节流口开度来控制流入铲斗油缸的油液，使动臂可以顺利抬起。2003年，Kim Byeong Su，Lee Min Hui针对传统的斗杆阀芯内回油再生出现的再生流量不足以及控制性能较差的问题进行了研究，提出了阀外流量再生的方案20。结果表明，该方法对提高系统再生流量与系统操纵性能有较好的效果。2006年，日
33、立建机推出的ZAXIS200型挖掘机系统通过在动臂油缸有杆腔回油路上设置一个挖掘再生电磁阀，使动臂提升、斗杆内收时，动臂油缸有杆腔液压油再生到斗杆控制阀前，以提高斗杆内收速度21，其原理示意图如图1-9所示。当系统操纵挖掘（动臂提升、斗杆回收和铲斗挖掘）时，从动臂侧P口的压力油经动臂控制阀进入动臂液压缸无杆腔，有杆腔的压力油经控制阀到达挖掘再生阀。挖掘再生阀在电磁信号SF作用下开启，压力油合流到斗杆控制阀前。在此类工况下，动臂有杆腔回油可以加快斗杆内收。图1-9 液压系统示意图2007年，日立建机针对提出了一种液压驱动回路的改进方案，以利用回油路中的压力油高效的进行平整作业22。其工作原理如图
34、1-10所示，当挖掘机进行平整作业时，动臂提升、斗杆内收动作，若斗杆液压缸有杆腔的压力超过设定值，将使两通阀1、3动作，则斗杆有杆腔液压油经流量控制阀2回油箱的回路切断，液压油再生回动臂无杆腔。该液压回路改进方案对提高系统平整效率有一定节能效果。图1-10 液压系统示意图2008年，中南大学冀谦对挖掘机的斗杆铲斗回路进行了仿真研究，通过合理确定多路阀过流面积解决了某些机型中斗杆、铲斗运动速度过快、过慢和抖动的问题11。2011年，日立建机通过在液压系统并联油路进入斗杆合流阀前加入一个由铲斗内收手柄信号压力控制的流量控制阀1，使系统具备在斗杆、铲斗复合挖掘时，抑制或切断流向斗杆合流阀的液压油23
35、,如图1-11所示。图1-11液压系统示意图1.5挖掘机液压系统能耗研究现状鉴于挖掘机液压系统功率利用率较低，深入研究液压系统功率损失和能耗分布，对提高系统节能效果，降低系统能耗，具有重要意义。由于国外挖掘机技术较国内更为成熟，包括系统能耗研究等各项关键技术处于较为领先的位置。而国内关于挖掘机液压系统能耗的研究在近年来也取得了一定效果：1）正流量系统能耗研究日本神钢公司于2007年基于自主开发的机液联合仿真平台，如图1-12所示，对其生产的正流量控制型液压挖掘机能耗进行了深入的研究，并取得了丰硕成果。该系统可以通过虚拟操作，对挖掘机整个作业过程进行动态仿真模拟，并在上位机上就可以实时得到系统的
36、动态特性曲线和系统能耗。该平台不仅为整机节能研究和优化提供了参考依据，同时对挖掘虚拟操纵平台设计提供了宝贵的经验2426。图1-12 日本神钢公司挖掘机液压系统能耗分析平台2）简单节流系统能耗研究中南大学的叶鹏飞等采用AMEsim与ADAMS联合仿真分析方法，对简单节流控制液压系统的小型液压挖掘机进行了空载90装车工况动态特性分析，并对挖掘机液压泵功率消耗及动臂和铲斗阀的节流损失进行了研究，得到了其能耗动态分布曲线，量化了其节流损失的动态过程27。3）负载敏感系统挖掘能耗研究太原理工大学的武宏伟采用联合仿真方法，研究了液压挖掘机采用不同的挖掘方式(斗杆、铲斗单独挖掘以及斗杆和铲斗复合挖掘)时系
37、统的动态特性，并且分析了相应的能量消耗情况，结果表明：对于负载敏感控制系统，斗杆或铲斗单独挖掘时比两者复合挖掘节能，但是复合挖掘的作业效率高28。4）负流量系统能耗研究中南大学的陈桂芳等同样利用AMESim与ADAMS软件联合仿真方法，针对负流量系统的中型挖掘机进行了空载90装车典型工作循环仿真分析，并研究了典型工况下挖掘机液压系统能耗分布，对比分析了负流量和简单节流系统的能量利用率。研究结果表明：在空载90装车工况下，负流量控制液压系统比简单节流控制液压系统平均节省约10.3%29。1.6 本文的主要研究本论文在深入研究工作装置负流量液压系统特性的基础上，运用建立的系统AMESim仿真模型研
38、究，开展了系统能耗和挖掘性能的研究。论文的主要内容简述如下： （1）本文在查阅大量国内外相关文献的基础上，介绍了目前挖掘机的典型液压节能控制系统，概述了国内外挖掘机工作装置阀控系统研究成果以及系统能耗研究现状。（2）深入分析了液压挖掘机负流量控制液压系统基本原理，组成系统的液压元件的工作原理和内部构造。进行了变量泵源双阀控系统特性的分析和挖掘机工作装置的运动学和工作装置重心求解。（3）基于流体力学理论对挖掘机液压系统功能元件等进行了数学建模，并在AMEsim平台上建立了相应的仿真模型；建立工作装置的平面机构系统仿真模型；在此基础上，构建了液压挖掘机工作装置机械-液压系统仿真模型并进行了封装。（
39、4）基于系统仿真模型，对挖掘机工作装置的空载单动作、复合动作进行了仿真与实测对比，验证了仿真模型的正确性。通过仿真模型开展了典型挖掘工况系统性能研究。（5）进行了挖掘机典型挖掘工况下的能耗研究，对系统回路进行了优化和相应的效果仿真。（6）进行了挖掘机相关实验研究，包括各工作装置单动作、复合动作时液压缸压力测试试验。93硕士学位论文 液压挖掘机负流量系统研究及工作装置运动学分析2 液压挖掘机负流量系统研究及工作装置运动学分析液压系统中主泵、多路阀是整体液压系统的核心部件，而工作装置中动臂、斗杆和铲斗的运动学是整机工作装置机液系统研究的基础，本章将着重分析主泵、多路阀及负流量系统工作原理，并对工作
40、装置液压系统特性以及工作装置机械部分进行运动学研究。2.1挖掘机液压系统元件分析液压元件是构成液压系统的关键元素，承载着系统动力输出与操纵控制的作用。本小节将对液压系统中主要液压元件进行分析，包括主泵、多路阀，为后续工作提供理论支持。2.1.1泵控系统分析K3V泵是斜盘式双泵串列式柱塞泵，前泵与后泵结构相同，通过齿轮联接套连接，泵轴利用花键与缸体相连，9个柱塞平行插入缸体中。发动机的转矩通过联轴器传递到泵轴，泵轴旋转时带动柱塞和缸体一起旋转，柱塞沿靴板的表面滑动，斜盘与柱塞有一定的倾角，使柱塞在缸体的孔中作往复运动时吸入和排出液压油，而且可以利用泵变量机构中伺服柱塞对斜盘倾角的控制来改变泵的排
41、量。伺服柱塞是通过泵调节器来调节其左右两腔压力来实现其运动30。K3V泵的变量是通过以下方式实现，其系统原理图如图2-1所示：图2-1 K3V泵控系统原理1.通过泵控制压力控制（负流量控制）。如图2-2所示，当操纵某一操纵杆时，信号控制阀中的泵流量控制阀接受从多路阀中位回油路上的节流孔反馈回来的负流量控制压力PS.当PS1作用在泵1调节器上的流量控制柱塞上，柱塞将向右移动，从而带动伺服阀右移，使斜盘倾角减小，泵的输出流量降低；随着负反馈压力的增加，泵的排量降至最小，P-Q曲线如图2-3（a）所示。2.通过自身或另一泵输油压力控制（总功率控制）。K3V双联泵中的两个液压泵各自配置有一个调节器，两
42、个液压泵输出的压力油分别进入到自身泵调节器上功率控制柱塞的环行腔和另外一个液压泵调节器功率控制柱塞的小端面腔，因为功率控制柱塞上的小端面腔面积与环行腔面积相等，所以两个液压泵压力的变化对调节器的推动作用效果是一样的。在不考虑负流量控制的前提下，这种控制效果将使得两个液压泵的斜盘摆角始终是相等的，即输出流量相等。因此，当两者的平均压力增加到超过设定的P-Q曲线，泵调节器根据超出P-Q曲线的压力减少两泵的流量，总的泵输出流量返回到设定的P-Q曲线内，因此可以防止发动机过载。P-Q曲线要求共同调节两泵，所以两泵的流量调节几乎相同。如图2-2（b）所示，泵调节器接收自身的泵输油压力P1和另一泵的输油压
43、力P2，将其作为控制信号压力。当泵输油压力P1+ P2增加时，补偿柱塞使补偿杆向右移动，与弹簧力平衡后推动伺服阀柱移动，泵输油压力P通过阀柱进入伺服柱塞的大腔中，伺服柱塞右移，斜盘倾角减小，泵输出流量降低。反之，伺服柱塞左移，斜盘倾角增大，泵输出流量增加。3.通过来自功率控制电磁阀的先导压力控制（转速传感控制）。对于恒功率变量泵而言，其起调压力的高低决定了最大输出功率。起调压力越低，则液压泵的输出功率就越小；相反，起调压力越高，则液压泵的输出功率就越大。K3V系列泵的起调压力是由泵调节器中排量调节机构内的弹簧预紧力调定的，其恒功率双曲线是采用内外两根弹簧来近似模拟的，起调压力通常调定后在泵工作
44、过程中不能改变，因而此时泵的最大输出功率也是不变的。而K3V系列液压泵本身带有的电液比例减压阀，输出的二次压力作用在功率控制柱塞上，相当于在起调弹簧力的相反方向作用了一个电可控的液压力，从而使得起调压力点能随作业工况的变化而变化，这样液压泵就能够随着负载的变化而完全吸收柴油机的输出功率。泵控制器根据负载大小实时改变电磁比例减压阀输入电流的大小，从而可改变它的二次压力，二次压力与弹簧力共同作用，决定了液压泵的起调压力点，从而也决定了液压泵的输出功率大小31。不同的二次压力作用在流量控制柱塞上，使液压泵的排量发生变化，形成不同的功率特性曲线，液压泵变为功率可控泵。如图2-3（c）所示，来自扭矩控制
45、电磁阀提供扭矩控制压力Pg作用在补偿柱塞断面上推动补偿柱塞和补偿杆右移，进而使伺服阀柱右移，泵输油压力进入伺服缸大腔，伺服柱塞右移，斜盘倾角减小，泵输出流量降低。4.通过来自泵最大流量限制电磁阀的先导压力控制（泵最大流量限制）。当电脑板收到工作模式开关、压力传感器或附件模式开关的信号后，向泵最大流量控制电磁阀发出指令，电磁阀起减压阀的作用，限制泵控制压力Pi。此时工作原理与通过泵控制压力起作用时相同。图2-2 K3V单泵控制原理图2-3 K3V泵压力流量特性曲线2.1.2多路换向阀简述多路换向阀（简称多路阀）是挖掘机液压系统的重要部件，它决定了液压泵向执行元件的供油路线和方式，复合动作时的合流
46、、优先和流量分配以及挖掘机作业时的可控和操纵性能等等32。多路阀有以下几类分类方法：按阀体结构形式，可分为整体式和分片式；按油路连接方式，可分为串联式、并联式、串并联式和复合油路式；按液压泵的卸荷方式，可分为中位卸荷式和安全阀卸荷式；按多路阀控制方式，可分为先导式和手动式；按多路阀的成型方式，可分为铸造式和机加式。本文研究的某型挖掘机采用的是日本KYB公司生产的KVMG系列多路阀，其外观和阀芯布置如下图2-4所示。图2-4 KVMG系列多路阀外形图图2-5为KVMG系列多路阀的斗杆联内部结构与功能结构图。以斗杆阀联为例说明，当多路阀右端先导口通先导液压油时，多路阀芯工作在左位时，从串联油路的P口来的液压油一部分由串联路进入下一联，另一部分经负载单向阀进入斗杆换向阀，从并联油路P口来的液压油经过动臂优先阀后在负载单向阀后合流进入斗杆换向阀；斗杆合流阀部分：从串联油
