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 小型挖掘机在节能方面的应用技术综述 

1、小型挖掘机的基本特点

  小型挖掘机是目前挖掘机的主要形式,主要用于道路修建和建筑地基挖掘等土方施工中。小型挖掘机的液压系统主要由泵、马达、液压缸和阀等常规液压元件组成,但由于挖掘机自身的工作特点,例如动作不连续、存在一定程度的重复性以及驱动过程中能量消耗大,导致小型挖掘机的液压系统又有其自身的特点,比如液压元件需要频繁加速减速、能量损失大等。

  2、小型挖掘机在节能方面的应用

  资料显示,小型挖掘机的使用过程中,燃料的利用率仅为20%左右,如此严重的燃料浪费现状迫使挖掘机的发展必须着眼于能量节约。小型挖掘机工作时产生的能量损失主要来自于液压系统各元件不匹配引起的损失。目前,小型挖掘机在节方面的改进主要可以归结为两个方面,一方面是控制策略方面的研究,另一方面是液压系统结构的改进。

  对于控制策略的节能研究主要包括以下方面:

  (1)多种工作模式控制。根据工况不同对发动机和液压泵的工作状况进行区分,例如挖掘、破碎、快速行走、搬运等。通过传感器自动采集工作状况或者人工识别,选择合适的液压工作模式,提高系统的能量利用率同。

  (2)自动减速或怠速控制。由于挖掘机自身工作特点,其在运行中大部分时问处于轻载或空载状态。在空载或者轻载过程中降低发动机功率可以有效降低油耗,降低能量损失。

  (3)液压泵与负载匹配控制。变量泵是目前挖掘机液压系统中为实现泵与负载匹配的主要元件,通过检测的流量或者压力自动调节泵的排量。根据检测到的信号来源不同,变量泵排量的控制方式可分为负流量和正流量控制。

  负流量控制系统是在主控阀总旁通回油路上增设了节流元件,通过检测节流元件入口压力来实现流量的检测,进而控制液压变量泵的变量机构,使其按照系统需要流量进行自动调节。实际工作过程中,根据节流元件入口压力对液压泵排量进行反向调节,从而控制旁通回油流量始终保持在一个很小的恒定值,减小了系统中位回油功率损失。正流量控制在20世纪70年代开始用于小型挖掘机,其目的是采用容积调速代替定量系统中的节流调速,减少了系统的旁通损失和溢流损失。在正流量控制系统中,操纵手柄的先导压力信号不仅用来控制主控阀阀芯的位移,还用来控制变量泵的排量,其控制方式为变量泵的排量与先导压力信号成正比。正流量控制系统的结构比较复杂,成本较高。

小型挖掘机在节能方面的应用技术综述

  基于液压系统结构改进的节能研究包括以下几个方面:

  (1)二次元件技术。二次调节静液传动技术是德国汉堡国防科技大学H.w.Nikcolaus教授提出的,它是一种压力偶联系统,通过闭环调节二次元件(可在四象限内工作)的排量控制整个系统的功率流,达到调速和调转矩的目的。二次调节静液传动系统可将多个负载相互独立地并联在一个恒压网络上,并可分别对各负载端二次元件进行互不相关的闭环反馈控制,来实现转角、转速、转矩及功率的控制。对挖掘机恒压网络二次调节液压系统进行了研究,并与传统挖掘机液压系统能耗进行了对比分析,结果表明基于恒压网络二次调节技术的小型挖掘机具有较好的节能效果。由于二次调节静液传动技术具有很多优点,并且其理论研究不断深入,二次调节静液传动系统得到了迅速的发展,目前已在很多领域得到广泛应用。但是,用于二次调节静液传动系统的液压元件成本较高,使其在短时问内还不能代替传统的静液传动技术。

  (2)能量回收技术。小型挖掘机回转平台和前端工作装置(动臂、斗杆和铲斗)的质量和惯性较大。在工作过程中,回转平台的制动能和前端工作装置下降势能绝大部分在主阀节流口转化为热能,造成了能量浪费和液压系统温度的升高。因此,对这部分能量进行回收和再利用是解决系统发热和降低能耗的有效方法。在能量回收系统中,储能元件对提高系统能量回收与再利用效率非常重要,是影响系统节能效果的重要因素之一。一般系统所回收能量的储存方式可分为机械式、电力式和液压式三种。

  (3)双阀芯控制技术。传统的小型挖掘机一般采用六通多路阀控制主泵供油。随着电液比例控制技术的不断发展,实际应用中出现了双阀芯控制技术分别控制系统进出口通流面积的节能方案,可以在一定程度上减少主控阀进、出节流口及旁通油口的压力损耗,且使系统的控制性能得到了有效的改善。另外,双阀芯独立控制技术也取得了一些研究成果,并且应用效果明显。

  3、压挖掘机液压方面专利申请

  由于小型挖掘机是一项相对比较成熟的技术,在世界范围内专利申请量比较平稳。在中国,由于国内企业加大了研发方面的投入并且及专利保护意识逐渐增强,国外企业更加重视中国市场。2000年以后,小型挖掘机在中国的专利申请量显著增多,并且增速呈逐渐加快的趋势,显示了我国在建筑机械方面的快速发展以及这个领域的市场竞争越来越激烈。专利申请量从一个侧面反映了小型挖掘机市场空问和技术发展速度。具体到小型挖掘机的节能技术,在2010年以前其专利申请量一直保持一个稳定的状态,2010年以后申请量显著增加。

  小型挖掘机节能技术的专利申请主要集中在动势能回收、分工况控制、自动怠速控制以及控制阀独立调节技术等方面。上述领域专利申请量的增长也体现了在实际应用领域的热点方向。

  挖掘机本身属于一个相对传统且技术成熟的领域,但是随着技术的发展,小型挖掘机在节能技术方面迎来了一个快速发展的时期。我国正是小型挖掘机最大的市场,各个国内企业应该抓住这一难得的发展机会抢占技术的制高点,努力提高我国建筑机械装备制造的技术水平,向世界领先位置迈进。

   小型挖掘机在节能方面的应用技术综述

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