张海洋

(湖南路桥建设集团公司,湖南长沙 410004)

摘 要:工程机械液压系统节能不仅降低燃油消耗,而且可促进作业率、可靠性、安全性和使用寿命等整机质量的全面提高。节能控制技术已被高度重视,采取的节能措施越来越先进。文章简述了国内外工程机械应用的液压系统节能措施,同时指出了液压系统节能发展趋势。

关键词:工程机械;液压系统;节能措施;发展趋势

中图分类号:U 415.5 文献标识码:A 文章编号:1671-2668(2008)04-0202-04

现在工程机械上应用的液压系统采用的是融入自动控制、计算机、微电子及新材料、新工艺等的全

新的液压传动技术,使液压系统能较方便地实施节能控制。节能控制技术的应用不仅提高燃油利用率,更重要的意义在于能降低使用成本、减轻劳动强度、提高工作效率等整机质量的全面提高。

1 目前国内外工程机械液压系统节能措施

工程机械液压系统由于工作条件恶劣,载荷变化大,通常会造成较大的能量损失。其损失主要包括:¹发动机与油泵功率匹配不合理而造成的能量损失;º液压油流经控制阀中位时的空负荷回油流量压力损失;»超载时的溢流损失;¼液压油流经管路的压力损失。要使工程机械液压系统减少能量损失,实现智能控制,达到节能效果,首先应从发动机与油泵的功率匹配着手,尽量减少流量损失,降低系统压力损失,以达到在任何工作状况下功率利用率最佳。1.1 流量控制措施

在液压系统中,当主控多路阀置于中位时,油泵输出流量最小,当工作装置需要流量时,油泵输出流量与其相匹配,避免多余流量超载溢流,以减少流量损失。如日本小松PC-5型挖掘机采用开式中心负荷传感系统(见图1),该系统是在主控多路阀回油路设置节流传感阀,由该阀产生的压差控制反向控制阀,使油泵流量大小实现按需变化。

当主控多路阀阀芯在中位(不工作)、节流传感阀的压差(P e -P m )达到最大时,作用在反向控制阀左侧P e 与反向控制阀输出压力P i 之和大于作用在反向控制阀右侧P m 与反向控制阀弹簧力之和,结果反向控制阀阀芯滑动,使反向控制阀输出压力P i

减到最小,主泵排量也减到最小。

图1 开式中心负荷传感系统

当主控多路阀阀芯移动(工作),节流传感阀的压差(P e -P m )减小时,作用在反向控制阀左侧P e 与反向控制阀输出压力P i 之和小于作用在反向控制阀右侧P m 与反向控制阀弹簧力之和,结果反向控制阀阀芯滑动,使反向控制阀输出压力P i 增加,主油泵排量随操纵主控多路阀阀芯移动行程的增加而增加。1.2 负荷传感控制措施

负荷传感控制技术不受负荷压力变化和油泵流量变化的影响,能按人为设定的特点自适应。负荷传感控制液压系统中有定量、变量泵系统之分。起负荷传感作用的压力补偿阀布置位置有:¹油泵与操纵阀之间;º操纵阀与执行器之间;»执行器和回油路之间。压力补偿阀的布置位置不同,其控制精度及性能也有所变化,但均能实现流量按需提供,有效地实现节能。如小松PC -6型挖掘机液压系统(见图2)和力士乐公司提供的由M 4系列多路阀组成的控制系统(见图3)为流量与负载压力无关(LS)的负荷传感控制系统,其负荷传感控制压力补偿阀布置在泵与操纵阀之间。

把压力补偿阀布置在油泵与操纵阀之间,利用压力补偿阀的压差,控制油泵排量控制机构,使油泵

图2 PC-6型挖掘机LS

控制

图3 M4多路阀LS 控制系统

能按需输出流量,减少流量损失,达到节能的目的,其最大优点是可以实现多机构复合动作,不受负荷

大小的影响。但在总流量欠饱和的情况下(需要的总流量大于油泵输出的总流量),多机构复合动作时,优先满足低负荷动作,高负荷与低负荷的机构不能同时动作。

力士乐公司提供的由M 6和M 7系列多路阀组成的控制系统为与负载压力无关流量分配(LUDV)的负荷传感控制系统(见图4),其负荷传感控制压力补偿阀布置在操纵阀与执行器之间,可组成定量泵和变量泵控制系统,在总流量欠饱和的情况下,各执行机构也能按比例关系分配,高负荷与低负荷的

机构能同时动作。

图4 M6和M7系列多路阀LUDV 控制系统

东芝IB 系列多路阀中压力补偿阀布置在操纵

阀的回油路上(见图5)。把压力补偿阀布置在操纵

阀的回油路上的优点是可以利用压力补偿阀的节流补偿作用,防止因重力作用过快下降或产生真空,在油路上设置单向阀可利用重力组成再生回路。1.3 油泵功率控制措施

油泵功率控制是动力在满足工况要求下,尽量使发动机在允许的功率范围内工作,其控制方法:¹恒功率控制;º功率分级控制;»工况功率控制。如小松PC-6型挖掘机油泵功率控制方式(见图6)既有恒功率控制,又有功率分级控制,一般分功率调定为

总功率的85%、68%左右。韩国大宇DH -Ó型挖掘机油泵功率控制嵌入挖掘、装车、提升等作业模式。

油泵的输出功率及流量受油泵控制器的电流控制。指令电流的大小取决于作业内容、方式。PC 电液控制阀接受指令电流,指令电流的大小可改变油泵伺服活塞的推力,伺服活塞的运动使油泵的输出功率及流量按需提供。1.4 机、电、液一体控制措施

工程机械的设计与开发在降低能耗、延长使用寿命、提高作业性能等方面已被高度重视,采用机、电、液一体控制技术已较普遍,在挖掘机行业更为特殊。如神钢SK-6型挖掘机,操作采用电脑模糊控制技术,发动机采用全功率控制(ESS)系统,作业采用智能控制(IT CS)系统。作业过程中可以随时监控操纵的动作,自动调整油泵流量,并控制发动机输出功率,从而实现燃耗低、作业率高和性能好。

目前,挖掘机都装有微型计算机控制器,由控制器接收发动机及其他信号参数。通过传感器及开关发出电子信号,由主控制器接收经处理后送到各执行机构(如电机、电磁阀),目的是为了更好地控制发动机、油泵和液压阀。通常方法是:¹发动机由主

控制器向调速电机发出电子控制信号,使调速电机转动相应的角度,通过调整连杆使发动机的转速随信号高低而变化。º油泵由压力调节器控制,使主

泵的排量控制在发动机允许的功率范围内。»液压系统由压力传感器发出电子信号,通过电磁阀控制各分系统。

日立EX-5型挖掘机控制系统(见图7)以主控制器为中心,将各种信号传送到主控制器,由主控制器发出执行信号,采用机、电、液一体控制技术大幅提高了整机性能。

图7 EX-5型挖掘机控制系统简图

1.5 蓄能器缓冲吸能措施

蓄能器缓冲吸能在较大型工程机械油泵、油马达组成的闭式回路中采用较普遍,如挖掘机的平台回转、轮胎式机械行驶和其他运动较频繁的循环作业系统,工作时系统压力冲击、制动功率损失较大。为了克服这些缺点,在系统中设置合适的蓄能器能有效回收制动能量,并减少制动压力冲击,使回转作业平稳,其方法如图8所示。该系统由油泵、油马达和蓄能器组成闭式回路,工作时由油马达带动的机构产生的制动惯性依靠蓄能器能有效吸收,采取一

些措施也可将吸收的能量释放或回收利用。

图8 油泵、油马达和蓄能器组成的系统

1.6 发动机无负荷起动措施

工程机械及其他机械使用液压传动技术其传动

方式多数采用由发动机直接驱动液压油泵,该驱动方式简单方便、经济可靠。但因发动机直接驱动液压油泵,发动机的起动往往困难。发动机一转动,液压油泵输出就具有部分负荷或满负荷。为解决发动机带负荷起动的问题,多数采取加大起动马达的动力。加大起动马达的动力有助于对发动机的起动,但对电瓶的容量又带来问题。电瓶的容量不足,发

动机无法起动,尤其是在低温环境下,更无法起动,

甚至会烧坏起动马达,影响机械有效作业率,提高了使用成本。

发动机无负荷起动装置(见图9)主要由发动

机、起动马达、起动开关、延时开关、油泵、电动卸荷阀等元件组成。起动装置中起动马达和延时开关并联连接于起动开关,起动马达和延时开关与起动开关连动,延时开关工作,电动卸荷阀也工作。即起动开关工作,起动马达、延时开关、电动卸荷阀均工作,无需加大起动马达的动力,从而实现发动机无负荷起动,克服发动机带负荷无法起动的缺陷。当发动机起动正常后,延时开关在设定的时间内复位,电动卸荷阀断电,使液压系统供油正常,机械进入作业状态。

图9 发动机无负荷起动示意图

发动机无负荷起动装置能有效地减轻发动机的起动负荷,在任何气候条件下均能顺利地起动发动机。该起动装置能有效地减少起动故障率,提高环境适应性和使用性。

2 国内外工程机械液压系统节能发展趋势

2.1 机电液一体化控制

机电液一体化控制技术的广泛应用,使产品的自动化水平大为提高。尤其是电液比例控制在20世纪80年代初开始应用,进入90年代后,随着电液比例控制和计算机技术的发展,电液比例控制技术进一步智能化,该技术的应用已成为国外产品性能

先进的显著标志,并在继续发展和提高。用计算机控制能够自动监测液压系统、发动机及其他运动参

数,并能自动控制发动机及液压系统在高效节能的状态下工作。对于液压挖掘机,在进行平地、斜坡修整等工况下实现半自动操纵,可降低司机的操纵熟练程度,提高工作效率。国外挖掘机均已不同程度地配备了计算机控制技术,如美国CAT 的发动机转速自控(AEC)系统,日本日立的发动机控制器(EC)和泵阀控制器(PVC)系统、小松的闭式中心负荷传感(CLSS)和机电液自控(PEMC)系统、加藤的油泵自控(APC)系统、神钢的人工智能控制(IT CS)

2.2柴油机电喷控制

现代柴油机一般采用电控喷射、共轨、涡轮增压中冷等技术,电喷柴油机在汽车行业已开始应用,而在工程机械领域刚起步,不久将普遍推广。

柴油机的电控喷射系统是通过控制喷油时间来调节负荷的大小。柴油机电控喷射系统由传感器、控制单元(ECU)和执行机构三部分组成。其任务是对喷油系统进行电子控制,实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、温度、压力等传感器,将实时检测的参数同步输入计算机,与控制单元(ECU)中储存的参数值进行比较,经过处理计算,按照最佳值对执行机构进行控制,驱动喷油系统,使柴油机运作状态达到最佳。

工程机械的柴油机采用电喷控制技术,可以使喷油泵的循环供油量和喷油提前角不再受转速的影响,使机械一直工作在最佳状态,并且动力响应速度快,油耗小,功率利用率高。工程机械用柴油机采用电喷控制技术是节能的一个重要环节和发展趋势。

2.3负荷传感控制

液压系统负荷传感控制技术自20世纪60年代提出,70年代后开始广泛使用,经不断改进提高,在工程机械中应用已较普遍。设有负荷传感控制技术的液压系统具有良好的节能性和操纵性,可提高元件的使用寿命,即使操纵人员在不熟练的情况下,也能很快地适应复合动作操纵的要求。因此,在国外工程机械上,负荷传感控制技术的应用还在不断发展和提高。

2.4多路阀多方式组合控制

工程机械广泛采用四通道、六通道多路阀,在多路阀的系统中有直通供油路可组成优先回路;中位时直通回油和并联供油路可组成并联回路,并将压力、流量和功率变化的信号组合进行反馈,实现控制功能较全面的负荷传感阀。如N ordhydraulic公司在通用阀上组合一片进油联,就可实现流量负荷传感控制(LS)系统。日本小松、神钢挖掘机用川崎KMX15多路阀,佳友挖掘机用东芝U28多路阀,韩国大宇挖掘机用DX28多路阀,均组合了压力反馈油泵排量控制、直线行驶、回转优先、动臂和斗杆自合流等功能。多路阀的组合方式越来越智能化,将更有利于液压系统的节能。

2.5油泵多功能组合控制

为适应工况及节能要求,油泵各节能措施的组合控制会更加广泛地被使用。以往的液压系统中油泵的控制功能有压力切断、流量控制和功率。随着技术的不断进步,在油泵的控制功能上会有更多的组合。在控制方式上,除了采用微电子、计算机控制技术外,还采用BP神经网络控制方法。该方法优于传统的线性电控式压力、流量控制方式。BP 神经网络控制方法主要是为了解决复杂的非线性、不确定性系统的控制。BP神经网络能模拟人的部分特性,具有学习能力和自适应性,BP神经网络控制方法已成为智能控制的一个新的分支,在液压系统节能控制上的应用将不断提高和普及。

2.6油泵与发动机功率匹配智能化控制

发动机的输出功率及转速和油泵的功率匹配控制,借助计算机控制技术将进一步发展,全面实现智能化。目前,小松挖掘机液压系统油泵的变量过程主要由自身的液压控制来完成。电子系统与液压系统相对,而日立的挖掘机液压系统油泵的控制和发动机的控制由2个微处理器完成,实现全功能动作的精确控制及发动机输出功率与负荷需求的匹配,使其燃油消耗量低、能量损失少、自动化程度强、工作效率高。

2.7CAN总线控制

CAN(Contro ller Ar ea Netw or k)总线是德国Bosch公司从20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议,它是一种实时控制的串行通信网络。该技术在工程机械系统中已开始应用,如卡特比勒、沃尔沃、利勃海尔等在新一代的工程机械中已采用了CAN总线技术。应用CAN总线技术,可以将多个控制器组合(如发动机控制、液压控制、电子控制及操纵组合控制等),占用空间小,减少复杂的布线,利于维修,提高整机系统的性能。该技术的应用将使机械的可靠性、作业适应性、可扩充性、智能化程度等都得到很大提高。随着CAN总线控制技术的进一步发展,在工程机械中将被大量应用。

3结语

工程机械的节能不仅局限于降低燃油消耗指标,而重要的是体现在整机作业性能、可靠性、使用基于W inCE嵌入式操作系统振动分析仪的设计

郭冲圆

(广州市公路工程公司,广东广州510500)

摘要:介绍了WinCE嵌入式操作系统的基本原理,详细讨论了基于W inCE嵌入式操作系统的振动分析仪核心硬件和软件设计,通过采用低功耗、微型化设计达到便携式要求,该仪器能方

便地用于机械设备的振动检测,并取得满意的效果。

关键词:工程机械;振动分析仪;嵌入式系统;W inCE

中图分类号:U415.5文献标识码:A文章编号:1671-2668(2008)04-0206-03

随着计算机技术、以通讯技术为主的信息技术的快速发展和互联网的广泛应用,计算机的发展已呈现微型化和专业化的趋势,嵌入式系统的发展将成为这种趋势的主流。嵌入式系统以应用为中心、计算机技术为基础,软硬件可剪裁,适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的基础是以应用为中心的/芯片0设计和面向应用的软件产品开发。它的最大特点在于能够根据特定用户的需求,对软硬件进行合理剪裁,具有功耗低、体积小、集成度高等特点,有利于整个系统的小型化,提高系统的智能化和网络化程度。

嵌入式系统的发展也极大地促进了振动分析仪器的发展,机构小巧、性能优越、价格便宜、操作简便的小型便携式振动分析仪器发展尤为迅速。便携式仪器可应用在工业现场,对现场设备运行情况进行实时的显示和分析,供运行人员使用。高级嵌入式计算机系统和网络技术的应用,使仪器仪表将传感测量、补偿计算、工程量处理与故障诊断等功能集于一身。在这其中,操作系统、芯片、总线、接口技术成为仪器仪表的内核,嵌入式系统成为技术的代表,并由此形成了仪器仪表行业的发展趋势。

WinCE是嵌入式实时多任务操作系统,它延伸了台式机Window s操作系统的外部特征,在内部用嵌入式实时操作系统的技术来实现Win32API的子集,以简洁、高效的完全抢占式多任务为核心,支持强大的通讯和图形显示功能,为嵌入式软件及便携式仪表的开发提供了一个标准的平台。

1系统的硬件组成

在便携式振动仪的硬件设计中,采用目前嵌入式系统中广泛使用的PC/104总线结构,PC/104总线是超小型PC微机所用的总线标准。这种超小型

寿命等多种因素的综合指标。如油泵功率与发动机

功率合理匹配,功率实时控制会使主机动力燃油消耗少,液压系统的流量、压力损失降低,发动机和液压元件使用寿命延长;整机可靠性提高。采用微电子、计算机控制技术,不但会降低功率,而且会降低司机的劳动强度和对其操纵熟悉程度的要求,大幅度提高作业效率和使用安全性。采用CAN总线控制技术会减少元件的接插件,节省安装空间,使用维修、保养方便,故障率低。

提高工程机械性能,首先是要采用节能技术。随着科技的不断发展,新的节能技术与措施将会不断出现和提高。参考文献:

[1]朱齐平.进口挖掘机维修手册[M].沈阳:辽宁科学技

术出版社,2004.

[2]姚怀新.工程车辆液压驱动系统的构成与特点分析

[J].建筑机械,2005(3).

[3]金立生.挖掘机节能用变量泵BP神经网络控制系统

研究[J].起重运输机械,2005(4).

[4]王文富.高速液压泵低速液压马达组成的闭式系统

[J].工程机械,2004(5).

[5]纪云锦.挖掘机电子控制新思路[J].起重运输机械,

2004(1).

收稿日期:2008-04-18下载本文