刘锋，长征

液压挖掘机回转系统能耗的实验研究

刘锋，黄长征

（韶关学院，物理与机电工程学院，广东韶关512005）

对于中大型液压挖掘机，由于回转平台转动惯量大、回转动作频繁，回转系统能量损失很大.以某23T液压挖掘机为例，介绍了分析液压系统能耗的一种实验方法，对回转系统的能耗进行实验分析与研究.结果表明:发动机-液压泵-外负载功率不匹配和换向阀口压力损失严重是造成回转系统能耗大的两个主要原因.在此基础上，以减小回转系统能耗损失为目的，对回转系统的设计提出优化方案.

液压挖掘机；回转系统；节能；实验

液压挖掘机作为一种广泛应用于建筑施工行业的工程设备，燃油能量利用率仅为30%左右，能耗大、发热大是制约其性能提高的关键因素；同时，当今社会的能源短缺也让节能性成为衡量挖掘机性能的一个重要指标［1］.据统计，液压挖掘机工作过程中，回转系统能量消耗约占整个工作循环的25%～40%，发热量占液压系统总发热量的30%～40%［2］.对回转系统进行能耗分析，提高回转系统能量的利用率至关重要.

目前，对回转系统节能性的研究主要针对回转制动能量的回收.如日本KOMATSU公司提出混合动力液压挖掘机技术，以电机代替液压马达驱动回转平台，建立蓄电池储存电压控制技术，实现了制动能量的回收利用［3-4］.在国内，有学者提出次级调节回转系统的节能原理及在开式回转油路中加蓄能器的方案，但由于挖掘机工况复杂，负载不确定，回转平台正、反转频繁，这些技术的发展受到一定的限制［5-7］.以某23T中型液压挖掘机为研究平台，设计实验方案进行能耗分析.并在此基础上，提出优化方案，提高回转系统的能量利用率.

1 实验设备

1.1 实验样机

本实验采用某23T中型液压挖掘机作为实验样机，液压挖掘机是典型的多执行元件工程设备，执行元件包括：动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸、回转马达、行走马达.该液压挖掘机采用开中心节流双泵双回路液压系统，包括直通供油路、并联供油路两条供油回路，以节流调速的方式实现流量分配［8］.泵1直通供油顺序为：左行走马达、回转马达、动臂合流、斗杆油缸；泵2直通供油顺序为：右行走马达、铲斗油缸、动臂油缸、斗杆合流.泵1供油给回转马达的同时，通过动臂合流阀并联供油给动臂油缸，回转（含动臂）液压系统工作原理简图如图1所示.

1.2 实验仪器

本实验采用的仪器包括：手持式液压测试仪Multi-system5060一台，该测试仪器配合压力传感器和流量传感器可实时测量和显示系统的压力、压差、流量和发动机转速等参数；压力传感器共6只，四只量程为0～60 MPa的压力传感器用于测量主回路压力，两只量程为0～6 MPa的压力传感器用于测量换向阀先导口压力；流量传感器2只，量程为600 L/min，用于测量泵出口及马达口的流量；转速传感器一只，用于测量发动机转速；三通接头若干，用于连接压力传感器与流量传感器.

图1 回转液压系统工作原理简图

2 实验方案设计

液压挖掘机是一种工况复杂的工程机械.由挖掘机典型工作循环可知，工作时回转马达一般与动臂油缸复合动作：回转马达转动的同时动臂油缸提升，实现挖掘机装载过程；回转马达转动的同时动臂油缸下降，实现岩土卸载过程.因此，本实验将针对回转马达单独动作、回转马达与动臂油缸提升复合动作、回转马达与动臂油缸下降复合动作三种典型工况，对回转液压系统的能耗进行实验分析.

如图1所示，挖掘机操作手通过操纵回转手柄，控制回转换向阀先导液压口的压力，从而改变回转换向阀的工作位置，使回转平台实现左转、右转、或停止.由于液压挖掘机的驾驶室和工作装置等结构均固定安装在回转平台上，上述部件随回转平台一起运动.操作手可通过操纵动臂手柄，控制动臂油缸换向阀先导液压口的压力，改变动臂油缸换向阀的工作位置，使动臂油缸实现举升、下降、或停止.

根据实验目的、液压系统特点及挖掘机工作特性设计测点如图2所示.单独回转试验时，需测得发动机的转速、泵1的压力流量、马达口的流量、马达A口压力、马达B口压力、回转换向阀先导口压力、动臂换向阀先导口压力及回转换向阀入口压力，在上述位置安装测点，并接入相应的传感器；回转与动臂复合动作试验时，需测得发动机的转速、泵1的压力流量、泵2的压力、马达口的流量、回转换向阀先导口压力、动臂换向阀先导口压力、马达A口压力、马达B口压力和动臂油缸大腔压力，在上述位置安装测点，并接入相应的传感器.其中，回转换向阀先导口和动臂换向阀先导口压力是属于控制压力，此两个测点分别接一个0～6 MPa的压力传感器，用以分析确定试验过程的开始和结束.

图2 实验测点及传感器安装图

3 实验步骤

（1）单独回转试验：按试验方案接好传感器和液压测试仪，设定液压测试仪测试采样时间为1ms.调整好工作装置的初始位置，操纵回转控制手柄，使回转换向阀处于全开状态，连续回转两周，立即通过控制手柄使回转换向阀处于关闭状态.重复两次，测得相关测点的压力、流量和转速信息.

（2）回转与动臂油缸复合动作试验：按试验方案接好传感器和液压测试仪.调整好工作装置的初始位置，使工作斗杆油缸处于最大行程处，铲斗油缸与动臂油缸均处于最小行程处.试验过程中，斗杆油缸和铲斗油缸保持不动，同时使回转换向阀和动臂换向阀处于全开状态，实现回转90度与动臂油缸提升复合动作，立即通过控制手柄关闭换向阀.重复两次，测得相关测点的压力、流量和转速信息.

（3）为方便对数据进行分析处理，利用配套软件HydroWin下载相关实验数据，利用Hydro Com软件进行分析处理.

4 实验结果及分析

单独回转试验相关测点的压力、流量及转速曲线如图3所示.图3（a）为泵出口、回转换向阀入口、马达A口、马达B口的压力曲线，由图可知，整个回转动作过程中，泵出口压力与回转换向阀的入口压力相差很小，约为0.5 MPa，而回转换向阀的入口压力与马达A口压力相差较大，约为2 MPa.这说明回转换向阀至马达口产生了较大的功率损失，主要表现为阀口的节流压差损失.

图3 单独回转实验主要参数性能曲线

由图3（a）可知，换向阀在1.42 s开启，经过0.35 s的时间，换向阀处于全开状态.在1.77～2.85 s的过程，泵出口压力持续在31 MPa，压力峰值达到32 MPa，此阶段安全溢流阀为常开状态，系统产生较大的溢流损失.结合图3（b）中马达进油口流量曲线可知，若系统采用定量泵，溢流量高达2.33 L，溢流损失引起的能耗损失约占61.96%.这主要是由于在马达启动阶段，处于匀加速过程，所需流量较小.而回转平台转动惯量大，马达转动所需驱动力矩较大，由图3（c）可知，此时发动机的转速也有下降的趋势.马达输出功率呈线性规律增大，如图3（d）所示.

在2.86～5.20 s的过程中，此阶段回转马达已有一定的转速，处于变加速阶段，所需流量不断增加，系统压力下降至安全溢流阀调定压力时，安全溢流阀有一个关闭-开启-关闭的过程.泵的输出压力经历一个明显的波谷之后逐渐减小，波谷处压力值为18.4 MPa，发动机的转速也整体趋于下降.结合图3（b）中马达进油口流量曲线和图3（d）可知，此阶段溢流损失明显减小，溢流损失引起的能耗损失约占32.5%，马达输出功率缓慢增大.

在5.20～10.35 s的过程中，回转马达已经完成加速过程，开始匀速运动，回转马达所需流量保持不变，系统压力基本不变，发动机转速基本保持不变.泵的输出压力保持为8.2 MPa左右.由图3（c）可知，发动机的转速也整体趋于平稳.由图3（d）可知，马达的输出功率基本保持为10 KW左右.此阶段系统基本无溢流损失.

在10.36 s时，回转换向阀关闭，泵的输出压力为0，发动机处于待机状态，即此时液压系统的输入功率为0，输出功率也为0.由图3（a）可知，由于回转换向阀突然关闭，回转平台由于惯性驱使马达继续转动，在马达的回油腔B口产生高压，最高值达到28.7 MPa，形成较大的压力冲击，使安全阀频繁地启闭，马达的动能最终转换为热能而消失.

同理，根据回转与动臂复合动作时回转系统的主要参数曲线进行能耗分析，与单独回转时的能耗特性基本类似，在此不再赘述.

5 回转液压系统的优化

由实验结果分析可知，要提高回转液压系统的能量利用率、减小系统发热量，可从以下三方面进行优化设计：

（1）改善回转换向阀性能.优化回转换向阀阀芯节流口形状与尺寸，减小换向阀前后压差损失；提高换向阀反应灵敏度，缩短回转换向阀开启时间.

（2）提高发动机与液压泵功率的匹配度.发动机是挖掘机液压系统的动力源.发动机工作在最大功率曲线上时效率最高，工作在最佳油耗比曲线上时最节能.所以，要保持发动机的实际工作点在最大功率曲线及最佳油耗比曲线附近，或某一最优点附近.由实验分析可知，回转工作过程中负载变化将引起发动机输出扭矩的变化，发动机转速随之发生变化，继而使发动机的工作点在外特性曲线上波动.为保证发动机工作在最佳工作点，可根据发动机特性曲线和负载的特性，对发动机采用转速感应控制和扭矩感应控制相结合的方法，保证发动机输出扭矩不变，实现泵和发动机的功率匹配，提高能量利用率.

（3）提高液压泵与回转马达外负载功率的匹配度.由实验结果分析可知，回转过程中的溢流损失主要出现在定量加速阶段，此过程回转马达所需的压力大、流量小.当负载所需要的流量小于泵输出流量时，系统就产生溢流损失.而当回转加速过程结束时，负载所需的压力小、流量大，则回转系统应采用变量泵系统.对于变量泵，液压泵出口压力的大小由负载决定，泵的输出流量由泵出口压力和变量机构共同决定.采用负载敏感控制［9］与恒功率控制相结合的变量机构实现最优的P－Q曲线，调节泵的排量，提高液压系统输出对负载的适应性，降低溢流损失：当外负载所需压力增大、流量减小时，通过变量泵的调节机构减小泵的排量；当外负载所需压力减小、流量增大时，通过变量泵的调节机构增大泵的排量.

6 结论

此用于挖掘机回转液压系统能耗分析的实验方法，可适用于泵车、起重机等其他大型液压工程机械设备的能耗分析.在回转系统能耗实验分析的基础上，提出通过改变回转换向阀节流口尺寸和提高阀芯动作灵敏度，减小过流压力损失；从发动机-液压泵-回转马达外负载功率匹配的角度，提高回转系统的能量利用率，降低系统发热量.

复合动作实验结果表明，挖掘机动臂液压系统的能量损失主要表现为动臂下降过程的势能损失和节流损失.学者可在此方面做进一步研究，提高挖掘机整机的能量利用率.

［1］徐东云,曾庆星.浅谈环保节能型工程机械产品的设计［J］.建筑机械化，2004（11）:57－58.

［2］同济大学,重庆建筑大学,哈尔滨建筑大学.单斗液压挖掘机［M］.北京:中国建筑工业出版社，1986.

［3］Hiroaki Inoue.Introduction of PC200-8 Hybrid Hydraulic Excavators［M］.Tokyo:KOMATSU TECHNIC，2007.

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［5］张红延.基于混合动力液压挖掘机节能技术研究［D］.杭州：浙江大学，2006.

［6］李建启.液压挖掘机回转节能装置的试验研究［J］.河北建筑工程学院学报，1994(3):1-7.

［7］何清华,郝鹏,常毅华.基于功率协调控制的液压挖掘机节能系统研究［J］.机械科学与技术，2007，26(3):188-191.

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［9］Edgar W.Trinkel,J.Equalizing flow from pressure compensated pumps,with or without load sensing,in a multiple pump circuit.［P］.US 6931846B1.2005.8.23.

Experimental Study on the Hydraulic Excavator′s Slewing System Energy Consumption

LIU Feng,HUANG Chang-zheng
（Institute of Physics and Mechanical&Electrical Engineering,Shaoguan University, Shaoguan 512005,Guangdong,China）

For medium and large hydraulic excavators,energy losses is serious in slewing system because of the large moment of inertia and frequent movement.In this paper,to introduce an experimental method of the energy consumption for hydraulic system,analysis and experimental study of slewing system's energy consumption are carried out on a twenty-three tons hydraulic excavator for example.Results show that two main reasons for serious energy consumption are:power mismatch between the engine,hydraulic pump and motor load;serious inlet pressure loss of reversing valve.On the basis of the presented experimental analysis, optimizations are proposed for reducing the energy loss of the slewing system.

hydraulic excavators;slewing system;energy reduce;experiment

TH248

：A

：1007-5348（2015）04-0027-05

（责任编辑：李婉）

2015-03-20

韶关学院2014年度科研项目（韶学院［2014］213号）.

刘锋（1986-），女，湖南郴州人，韶关学院物理与机电工程学院教师，硕士；研究方向：工程机械机电液一体化技术.