CN105571754A - 挖掘机液压系统节能效果的在线测试和评价方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种挖掘机液压系统节能效果的在线测试和评价方法及系统，该方法包括：S1：面向挖掘机整个液压系统布置若干压力传感器和流量传感器，其中挖掘机液压系统包括泵、阀、油缸和液压马达等主要元件，压力传感器和流量传感器分别对应检测泵、阀、油缸和液压马达等主要元件的压力和流量；S2：通过压力传感器和流量传感器对泵、阀、油缸、液压马达等主要元件的压力值和流量值进行同步检测；S3：根据所采集到的压力值和流量值计算得到挖掘机系统有效功率和挖掘机系统总功率，对挖掘机系统有效功率和挖掘机系统总功率进行分析以在线得到节能测试结果，同时存储压力值、流量值及节能测试结果。

Description

挖掘机液压系统节能效果的在线测试和评价方法及系统

技术领域

本发明涉及一种挖掘机液压系统节能效果的在线测试和评价方法及系统。

背景技术

挖掘机是用量最大、用途最广、也是最具有代表性的工程机械。挖掘机作为经济、高效的土石方施工机械，已广泛应用于工业与民用建筑、交通运输、水力电力工程、农田改造、矿山采掘以及现代军事工程等机械化施工中。

挖掘机虽然能进行大功率、高灵敏度的各种作业，但其能量的总利用率仅为20％左右。液压系统可以说是挖掘机的“心脏”，是挖掘机的最核心部分，也是能量供给和消耗的主要部分。挖掘机的核心液压元部件，连同液压技术及其控制技术，被广泛应用于工程机械的各个领域。因此挖掘机液压系统的节能技术一直成为人们追求的目标，也成为了工程机械节能减排的最重要研究部分之一。

挖掘机在工作时，若多路阀开口较大，系统没有过载，在不计沿程阻力的条件下，液压系统的最高效率可达95％。但实际挖掘机在工作过程中，由于负载变化较大，操作状况也千差万别，因此液压系统的效率也变化较大。在挖掘机的液压系统中，主要存在以下能量损失：

1)节流损失

大多数挖掘机仍采用六通径多路阀作为换向和控制元件，在对流量调节的过程中，大量的液压油以旁路节流的形式回油箱，造成功率损失。当挖掘机进行精细作业和卸土时，需要对工作装置进行微动操作控制，一般通过控制操纵阀开度进行节流调速，液压油经过控制阀节流时产生的节流损失也很大。

2)溢流损失

挖掘机超载时，安全阀或过载阀打开，压力油通过安全阀回油箱，发动机全部功率都会消耗在溢流阀上。挖掘机在回转启动时，由于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，造成功率损失。

挖掘机在制动时，回转多路阀关闭，但因上车巨大的转动惯量，使回转马达继续转动(相当于液压泵)，排出的液压油经平衡阀到回转马达的另一边，因此平衡阀起到溢流阀的作用，将上车的动能转化为液压系统的热量而耗散。

3)操纵阀中位时能量损失

挖掘机工作装置停止作业时，各操纵阀处于中位，此时液压泵只克服管道阻力和为防止气蚀而设的背压，系统压力不高，但变量泵因功率自动调节流量却很大，因此也有不小的能量损失。

4)功率匹配不合理而引起的能量损失

发动机和液压泵联合工作时，从万有特性曲线上看，柴油机理想工作点应位于低耗油区。由于挖掘机工作负载的多变性，发动机一液压泵系统不大可能在各种工况下都处于最经济工作状态，发动机工作点经常处在耗油率较高的区域以上，从而造成一定的能量损失。

5)沿程功率损失

液压油通过管道和接头等的沿程损失，这种损失是不可避免的。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。

6)动臂斗杆下降过程能量损失

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。同样，斗杆在做类似的操作时，也有势能损失的问题。

针对上述问题，挖掘机液压系统的节能技术经过几十年来的发展，取得了如下的一些研究成果：

1)恒功率技术

20世纪60年代，挖掘机液压系统由定量泵改为变量泵，将节流调速改为容积调速，开始采用压力感应恒功率控制，目的是充分利用发动机功率，又不使发动机过载。目前在国外挖掘机液压系统中，多采用多级恒功率控制。

2)正流量控制

正流量控制在70年代开始用于挖掘机，其原理是用先导压力直接控制泵的排量。在控制中，随先导压力的增加，泵的排量也增加。正流量控制减少了旁路节流损失，有欺地消除了空流损失，因而得到广泛应用。

3)负流量控制

负流量控制是液压泵中的流量随控制压力信号的增大而减小，即控制油压与流量成反比。液压泵带有负流量控制，可实现当系统换向阀处于中位时，通过负流量控制阀产生反馈信号，传送到主泵控制阀，主泵的流量随压力信号增大而减小，避免了传统的挖掘机靠溢流阀的溢流控制方式，最大限度地减少功率的损失和系统发热。

4)负荷传感控制

负荷传感控制系统是一个具有压差反馈，在流量指令条件下实现泵对负荷压力随动控制的闭环系统，其中压力补偿控制是实现各动作流量分配和准确控制的保证。该系统与传统恒功率变量系统比较，大幅度地提高了挖掘机中位卸荷、超载卸荷、微动作业时的节能效果。

5)能量再生和回收利用

在挖掘机作业过程中，位能和动能的损失较大，目前，大多数挖掘机上动臂或斗杆都采用了再生回路，提高了工作装置的作业速度，改善了复合操纵性能，使液压系统的能耗降低，效率提高。

6)发动机和液压泵综合控制

柴油机与液压泵的综合控制包含三个方面。一是二者之间的功率匹配控制，传统的匹配方式是液压泵的功率略低于柴油机的功率，由此造成柴油机的功率不能充分利用，采用转速感应控制，可使液压泵用足柴油机的功率，在提高生产率的同时，也节约了能源；二是分工况控制，在不同的作业工况下，对柴油机的液压系统有不同的功率要求；三是控制柴油机和液压泵在最高效率点工作，工作装置的速度由柴油机转速和液压泵排量确定，同一工作速度可对应着不同的柴油机转速和液压泵排量，改变柴油机转速，使其能运行在高效率工况点，从而提高整个动力装置的效率。

在实际应用中，挖掘机液压系统的上述几种节能途径并不是孤立的，它们往往是紧密地结合在一起，互相渗透，形成综合的节能技术。

目前，挖掘机液压系统的节能技术在业界已经得到了广泛的应用。国外居于行业领先地位的多家挖掘机生产厂家，已经普遍在液压系统上应用了各种节能技术并始终致力于新的节能技术的研发，取得了非常好的节能效果。国内许多挖掘机生产厂家近些年来也逐步意识到挖掘机液压系统节能的重要性，通过技术引进辅以一定量的自主研发，将液压系统节能技术应用于自主品牌的挖掘机上，也取得了很多可喜的进步和成果。

但是，随着挖掘机液压系统各种类型的节能技术在国内的普遍应用，相应的问题也逐渐突出出来，例如如何对挖掘机液压系统的节能效果进行判定，进而也引申出了很多问题：是否节能？能够节能多少？节能效果孰优孰劣？这无疑给正如火如荼发展的挖掘机液压系统节能技术带来了一定程度上的混乱，同样这种类似的情况也普遍出现于整个工程机械节能减排技术的研究和发展之中，而造成这种混乱局面的主要原因，即缺乏科学的测试方法和评价方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种挖掘机液压系统节能效果的在线测试和评价方法，能快速的检测挖掘机液压系统节能效果并给出测试结果。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种挖掘机液压系统节能效果的在线测试和评价方法，包括如下步骤：

S1：面向挖掘机整个液压系统布置若干压力传感器和流量传感器，其中挖掘机液压系统包括泵、阀、油缸和液压马达，压力传感器和流量传感器分别对应检测泵、阀、油缸和液压马达的压力和流量；

S2：通过压力传感器和流量传感器对泵、阀、油缸、液压马达的压力值和流量值进行同步检测；

S3：根据所采集到的压力值和流量值计算得到挖掘机系统有效功率和挖掘机系统总功率，对挖掘机系统有效功率和挖掘机系统总功率进行分析以在线得到节能测试结果，并存储压力值、流量值及节能测试结果。

进一步的，在所述步骤S2中，所述压力传感器和流量传感器检测泵出口处的压力值和流量值、检测油缸输入端的压力值和流量值、检测阀端口的压力值和流量值。

进一步的，在所述挖掘机液压系统中，所述泵包括主泵和先导泵。

进一步的，在所述挖掘机液压系统中，所述阀包括主控制阀组、先导阀组、保持阀和减压阀。

进一步的，在所述挖掘机液压系统中，所述油缸包括动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸。

进一步的，在所述挖掘机液压系统中，所述马达包括回转马达和行走马达。

进一步的，所述步骤S3具体包括如下步骤：

S31：采集压力值和流量值，根据所采集到的压力值和流量值计算得到挖掘机系统有效功率和挖掘机系统总功率；

S32：采集该挖掘机液压系统目前所选择的工况，根据所述工况调出对应的数据模型；

S33：根据所述调出的数据模型对该挖掘机系统有效功率和挖掘机系统总功率进行比对分析以在线得到节能测试结果，同时将所述压力值和流量值及节能测试结果存储。

进一步的，所述工况包括正常作业、怠速运行、最大挖掘力、临界倾翻、回转、爬坡、制动。

本发明还提供了一种挖掘机液压系统节能效果的在线测试系统，包括：

测量装置，包括检检测挖掘机液压系统中泵、阀、油缸及液压马达的压力传感器和流量传感器；

数据采集装置，采集压力传感器、流量传感器所检测到的泵、阀、油缸和液压马达的压力值和流量值，并将压力值和流量值转化成压力信号和流量信号；

数据分析装置，接收压力信号和流量信号，根据压力信号、流量信号计算得到挖掘机系统有效功率和挖掘机系统总功率，然后对该挖掘机系统有效功率和挖掘机系统总功率进行分析以在线得到节能测试结果并显示所述节能测试结果，同时存储所述压力信号、流量信号及节能测试结果。

进一步的，所述压力传感器和流量传感器检测泵出口处的压力值和流量值、检测油缸输入端的压力值和流量值、检测阀端口的压力值和流量值。

本发明的有益效果如下：本发明的在线测试和评价方法及系统通过压力传感器和流量传感器对泵、阀、油缸和液压马达进行检测，从而计算得到挖掘机系统有效功率和挖掘机系统总功率，进而对该挖掘机系统有效功率和挖掘机系统总功率进行分析以在线得到节能测试结果，以实现快速的检测挖掘机液压系统节能效果并给出测试结果。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的优选实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1代表本发明优选实施例的挖掘机液压系统节能效果的在线测试系统架构；

图2是本发明优选实施例的挖掘机液压系统节能效果的在线测试和评价方法的流程图；及

图3是图2中步骤3的子步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部部件或方法步骤。

参照图1所示的根据本发明优选实施例的挖掘机液压系统节能效果的在线测试系统架构，在测试过程中，将压力、流量等传感器安装在液压系统的被测零部件上，将传感器数据线与测试设备通道相连。测试设备软件驱动硬件，通过通道将传感器数据采集上来，经过处理，进行节能效果分析。

根据本发明的优选实施例，整个测试及评价均面向挖掘机整个液压系统，而非单个零部件。

挖掘机液压系统功率组成：

挖掘机液压系统的功率分配如公式(1)所示：

P_总＝P_工作+P_损耗(1)

其中，P_总为挖掘机液压系统的总功率，为挖掘机所有液压泵输出的功率，如公式(2)所示：

其中，P_i为每一个泵的输出功率。

液压系统功率如公式3所示：

P＝pq(3)

其中，p为压力，q为流量。

由上式可知，要测试某个元件的功率，只要测试其相关流量和压力即可。对于液压泵来讲，其输出功率即为泵出口处的输出压力和输出流量的乘积。对于液压缸来讲，则为其输入压力和输入流量的乘积。对于阀来讲，则是阀口的压力和流量的乘积，视其具体功用来确定测量位置。以此可以计算出各泵的功率P_i以及总功率P_总。

而随着挖掘机技术的发展，目前挖掘机液压系统已经从最开始的单泵系统发展到目前的双泵、多泵系统。双泵液压系统实际上是两个单泵液压系统的组合，每台泵可以分别向各自回路中的执行元件供油，每台泵的功率是根据各自回路中所需的功率而定，这样可以保证进行复合动作。当系统中只需要进行单个动作而又要充分利用功率时，就会采用合流供油方式，即两台液压泵的流量同时供给给一个执行元件。而近年来开始采用的三泵系统，是回转机构采用独立的闭式系统，由单独的液压泵控制，其它两个回路采用开放式系统，由另外两个液压泵控制，有的挖掘机控制系统中还具有先导泵。

P_工作为挖掘机实际执行工作所需要的功率。比如挖掘机要进行挖土作业，那么实际上进行挖土动作所需要的动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸所消耗的功率即为工作功率。如果有回转动作，则回转马达所消耗的功率亦为工作功率。如果还存在行走，则行走马达所消耗的功率也为工作功率。故工作功率可归纳为公式(4)：

P_工作＝P_动臂油缸+P_斗杆油缸+P_铲斗油缸+P_回转马达+P_行走马达(4)

其中，P_损耗为在实际工作过程当中损耗掉的功率，其主要有节流损失、溢流损失、中位损失、沿程损失等。

假设，P_损耗如果为0是最理想的状况，那样所有的功率都会应用到工作当中，液压系统效率可达100％。但从实际工作原理来讲，这样的情况是不可能存在的，有些损耗必须存在，即P_损耗不可能减少到零，但可以通过结构和控制等方法的改进来尽可能减少。

因此，根据本发明针对单工况的评估方法，可以根据以上方法所检测的工作功率与总功率的值，并计算出节能率，也即为功率利用率，是用来进行实际工作的功率占所有输出功率的百分比，如公式5所示：

η＝(P_工作/P_总)×100％(5)

挖掘机的工作状况多种多样，不同的工况下其液压系统的工作状态均不同，其功率的利用率也不同。故要完整、全面的对挖掘机液压系统的节能效果，需要进行多工况测试，然后进行综合评价，得出综合节能效果。对于多工况进行综合评价，该综合评价方法下述公式6所示：

式中，η_总为多工况综合节能率，η_i为每个工况的单工况节能率，λ_i为每个工况的加权系数(即该工况的节能率在综合节能率计算中所占的比重)，如下述公式7所示：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_i=1---\left(7\right)$

请结合图2，本发明一优选实施例所述挖掘机液压系统节能效果的在线测试和评价方法，包括步骤S1至步骤S3。

S1：在挖掘机液压系统中布置有若干压力传感器和流量传感器，其中所述挖掘机液压系统包括泵、阀、油缸和液压马达等元件，所述压力传感器和流量传感器分别对应检测泵、阀、油缸和液压马达的压力和流量。在本实施例中，在所述挖掘机液压系统中，所述泵包括主泵和先导泵，所述阀包括主控制阀组、先导阀组、保持阀和减压阀，所述油缸包括动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸，所述液压马达包括回转马达。

S2：通过压力传感器和流量传感器分别检测泵、阀、油缸及液压马达的压力值和流量值。在本步骤中，在所述步骤S2中，所述压力传感器和流量传感器检测泵出口处的压力值和流量值、检测油缸输入端的压力值和流量值、检测阀端口的压力值和流量值。

S3：采集压力值和流量值，根据所采集到的压力值、流量值计算得到挖掘机系统有效功率和挖掘机系统总功率，然后对该挖掘机系统有效功率和挖掘机系统总功率进行分析以在线得到节能测试结果，同时将所述压力值、流量值及节能测试结果存储。

上述步骤S3参见图3，具体包括如下步骤：

S31：采集压力值和流量值，根据所采集到的压力值、流量值计算得到挖掘机系统有效功率和挖掘机系统总功率；

S32：采集该挖掘机液压系统目前所选择的工况，根据所述工况调出对应的数据模型，其中所述工况包括正常作业、怠速运行、最大挖掘力、临界倾翻、回转、爬坡、制动；

S33：根据所述调出的数据模型对该挖掘机系统有效功率和挖掘机系统总功率进行比对分析以在线得到节能测试结果，同时将所述压力值、流量值及节能测试结果存储。

上述步骤S32中所用到的模型需要通过前期的对不同试验以完成对试验数据的收集以实现建立对应不同的工况的数据模型。

运用上述挖掘机液压系统节能效果的在线测试和评价方法的挖掘机液压系统节能效果的在线测试系统，包括：

测量装置，包括检检测挖掘机液压系统中泵、阀、油缸及液压马达的压力传感器和流量传感器；

数据采集装置，采集压力传感器、流量传感器所检测到的泵、阀、油缸和液压马达的压力值和流量值，并将压力值和流量值转化成压力信号和流量信号；

数据分析装置，接收压力信号和流量信号，根据压力信号、流量信号计算得到挖掘机系统有效功率和挖掘机系统总功率，然后对该挖掘机系统有效功率和挖掘机系统总功率进行分析以在线得到节能测试结果并显示所述节能测试结果，同时存储所述压力信号、流量信号及节能测试结果。

综上所述，上述在线测试和评价方法及系统通过压力传感器和流量传感器对泵、阀、油缸和液压马达进行测试，从而计算得到挖掘机系统有效功率和挖掘机系统总功率，进而对该挖掘机系统有效功率和挖掘机系统总功率进行分析以在线得到节能测试结果，以实现快速的检测挖掘机液压系统节能效果并给出测试结果，同时根据本发明的优选实施例，能够通过对整个液压系统的在线测试和评价出整个液压系统的节能效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种挖掘机液压系统节能效果的在线测试和评价方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

S1：面向挖掘机整个液压系统布置若干压力传感器和流量传感器，其中挖掘机液压系统包括泵、阀、油缸和液压马达，压力传感器和流量传感器分别对应检测泵、阀、油缸和液压马达的压力和流量；

S2：通过压力传感器和流量传感器对泵、阀、油缸、液压马达的压力值和流量值进行同步检测；

S3：根据所采集到的压力值和流量值计算得到挖掘机系统有效功率和挖掘机系统总功率，对挖掘机系统有效功率和挖掘机系统总功率进行分析以在线得到节能测试结果，并存储压力值、流量值及节能测试结果。

2.根据权利要求1所述的挖掘机液压系统节能效果的在线测试和评价方法，其特征在于：在所述步骤S2中，所述压力传感器和流量传感器检测泵出口处的压力值和流量值、检测油缸输入端的压力值和流量值、检测阀端口的压力值和流量值。

3.根据权利要求2所述的挖掘机液压系统节能效果的在线测试和评价方法，其特征在于：在所述挖掘机液压系统中，所述泵包括主泵和先导泵。

4.根据权利要求2所述的挖掘机液压系统节能效果的在线测试和评价方法，其特征在于：在所述挖掘机液压系统中，所述阀包括主控制阀组、先导阀组、保持阀和减压阀。

5.根据权利要求2所述的挖掘机液压系统节能效果的在线测试和评价方法，其特征在于：在所述挖掘机液压系统中，所述油缸包括动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸。

6.根据权利要求2所述的挖掘机液压系统节能效果的在线测试和评价方法，其特征在于：在所述挖掘机液压系统中，所述液压马达包括回转马达和行走马达。

7.根据权利要求1所述的挖掘机液压系统节能效果的在线测试和评价方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括如下步骤：

S31：采集压力值和流量值，根据所采集到的压力值和流量值计算得到挖掘机系统有效功率和挖掘机系统总功率；

S32：采集该挖掘机液压系统目前所选择的工况，根据所述工况调出对应的数据模型；

S33：根据所述调出的数据模型对该挖掘机系统有效功率和挖掘机系统总功率进行比对分析以在线得到节能测试结果，同时将所述压力值和流量值及节能测试结果存储。

8.根据权利要求7所述的挖掘机液压系统节能效果的在线测试和评价方法，其特征在于：所述方法包括单工况评价方法和多工况综合评价方法，所述工况包括正常作业、怠速运行、最大挖掘力、临界倾翻、回转、爬坡和制动。

9.一种挖掘机液压系统节能效果的在线测试和评价系统，其特征在于：所述系统包括：

测量装置，包括检测挖掘机液压系统中泵、阀、油缸及液压马达的压力传感器和流量传感器；

数据采集装置，采集压力传感器、流量传感器所检测到的泵、阀、油缸和液压马达的压力值和流量值，并将压力值和流量值转化成压力信号和流量信号；

数据分析装置，接收压力信号和流量信号，根据压力信号、流量信号计算得到挖掘机系统有效功率和挖掘机系统总功率，然后对该挖掘机系统有效功率和挖掘机系统总功率进行分析以在线得到节能测试结果并显示所述节能测试结果，同时存储所述压力信号、流量信号及节能测试结果。

10.根据权利要求9所述的挖掘机液压系统节能效果的在线测试和评价系统，其特征在于：所述压力传感器和流量传感器检测泵出口处的压力值和流量值、检测油缸输入端的压力值和流量值、检测阀端口的压力值和流量值。