破碎机实际作工中驱动泵能耗的测量与分析

破碎机实际作工中驱动泵能耗的测量与分析

狄玉霞 张宏杰

山东莱芜煤矿机械有限公司 山东 济南 271114

摘要：破碎机工程车辆系统在作业过程中，由发动机驱动液压泵进行工作，仅通过测试发动机和液压设备很难获得提高效率的方法，所以需要比较破碎机各个部分的能耗来进行改善，但是目前的测量方法是分离发动机和液压泵来单独测量，而不是在实际作业下来测量。另外，使用燃料消耗率来估计发动机的输出扭矩的方法会引起误差，而且不能实时确定快速变化的物理量。在本研究中，首先开发了可以在工程车辆实际作业状况下测量功耗的扭矩计，然后对破碎机主要零部件工作所需功耗进行了测量，接着定义了一个作工周期，最后测量一个作工周期下的破碎机的功耗。

关键词:液压泵;能耗;作工周期

引言

液压挖掘机作业时，每个工作循环需进行2次回转，在起动过程中，由于上车惯性大，液压马达进口压力高，造成了大量的溢流损失;制动过程中，上车回转系统的制动动能经液压马达出口的制动阀转化为热能，造成大的能量浪费。为了降低挖掘机回转过程中的能耗，目前的研究主要是对现有液压系统进行改进，增加能量回收系统，尽可能多地回收上车回转系统制动动能。

1破碎机系统

破碎机以发动机为动力源来驱动液压泵，通过液压泵产生流量并供给至控制阀，通过适当地控制控制阀，将液压油供给至执行器各部分的气缸，并进行旋转和驱动液压。它由电动机分配，每个执行器根据分配的流量进行驱动，破碎机主要部分的名称和运动方式如图1所示。图1展示了将发动机动力转换为液压动力的过程，利用机械动力驱动液压泵进行挖掘机的各种操作，具有容易精确控制、有效的功率放大和简单的防止过载等优点，由于结构中只有1个液压泵与发动机相连，因此它通过1个控制阀来控制多个执行器。

2实车实验

2.1模型搭建

利用串联泵控液压系统来实现齿轮泵和柱塞泵的串联过程，可以使液压系统动力源输出更大的压力。在低负载条件下，将柱塞泵输出压力调节到低于负载的状态，之后跟齿轮泵进行串联以达到负载要求;处于高负载状态下时，控制柱塞泵保持更高输出压力，与齿轮泵进行串联后，再以压力叠加的方式完成多压力级别输出。根据以上研究结果，采用轴向柱塞泵作为一级泵，同时以齿轮泵和马达构成二级泵，表1与表2分别给出了液压泵的各项参数。

2.2能效特性分析

为了更好地研究2个系统的能效特性，将满载和空载工况单独进行分析。，原机负流量回转系统1个回转工作循环的能效特性。1～4s时，上车回转系统正转加速，液压泵的输出功率为110kW;4～6.1s时，处于制动阶段，液压泵接通油箱;8～13.1s时，上车回转系统反转，具体过程与正转一致，1个回转工作循环，液压泵输出能量621.8kJ。液电混合挖掘机回转驱动系统1个回转工作循环的能效特性。1～4s时，挖掘机上车回转系统正转加速，随着上车回转系统转角的增大，蓄能器压力逐渐降低，电机输出功率逐渐增大，峰值功率为39kW;4～6.1s时，处于制动阶段，蓄能器和电机同时回收制动动能，大部分制动动能转化为液压能存储到蓄能器中，电机回收的少量制动动能通过制动电阻消耗;8～11s时，上车回转系统反转加速，由于此时蓄能器初始工作压力比正转时的初始工作压力低，故电机的峰值功率增大到47.1kW;11～13.1s时，处于制动阶段，电机峰值功率为－8.9kW。满载90°工况，上车回转系统一个回转工作循环。

2.3预充压力对系统助力响应特性的影响

皮囊式蓄能器内预充压力的选取应当满足系统助力响应特性以及转向平顺性的要求，设置车速分别为20，50，80km/h，汽车的方向盘在0．2s内以300(°)/s为起跃速度转动60°，蓄能器体积设定为2．6L，仿真分析蓄能器预充压力对系统助力响应特性的影响。随着转向盘转角的增大，所需的助力增大，液压缸活塞两侧压差也呈现不断上升的趋势。当车速一定时，随着皮囊式蓄能器预充压力的升高，系统助力响应时间在缩短，则表明汽车在转向时系统的助力响应速度不断加快;当蓄能器的预充压力上升至过高时，液压缸活塞两侧压差偏离理想压差，此时系统过度助力会导致驾驶员的路感受到影响;当车速由20km/h不断上升时，汽车所受到的转向阻力矩减少，此时皮囊式蓄能器的预充压力应当调整降低;所以不同的车速，蓄能器预充压力是不同的。

2.4能耗分析

破碎机具有行进、破碎、整理等许多操作，因此，各种任务都需要固定条件评估和分析挖掘机的实际运行情况。本研究首先定义了一个重复执行破碎和整理的作业周期，不包括移动等操作，并进行测试和分析。从图4可以看出，扭矩、转速和功耗在工作模式的所有区域都是同步的，工程机械的液压泵由汽车发动机驱动，并根据负荷的变化在转速区间保持合理状态。因此，随着转速发生变化，可以看到发动机的转速降低到了可以产生最大扭矩的区域，此外，动臂和斗杆的消耗功率要比实际的破碎操作多，功率平均相差35kW，这种结论也可以通过扭矩曲线得到证实，在动臂和斗杆操作中，扭矩值高于破碎操作中的扭矩值。

3结论

(1)设计了串联结构的液压动力源系统，完成压力分级叠加，获得更大的液压系统动力源输出压力，采用此动力源能够满足高压力与大流量的液压系统使用要求;(2)串联泵控液压系统流量脉动随着负载增加变动不明显，表明本系统设计具有很好的稳定性。对电机转速调整后，串联泵控液压系统相对单泵系统的齿轮泵发生了流量脉动的显著降低;(3)串联泵控液压系统可使系统承受更高负载，使液压泵达到更低的输出流量。串联泵控液压系统获得了比单泵更优的波动状态。串联泵控液压系统可以利用功率叠加的过程达到通过低功率电机获得大功率输出的目的。从新型电液复合助力转向系统在相同转向盘手力、不同车速下的仿真结果分析中可得出如下结论:转向盘手力相同时，随着车速的增加，所需总的助力功率下降。当原地转向时，所需助力功率最大，两执行机构同时工作在中低转矩区域(即高效率区域)时，不能满足转矩需求，由于提供相同助力时电动助力模块比电液助力模块功率消耗小、效率高，因此，在原地转向最佳分配比较大，即电动助力模块提供更大助力。当低速转向时，与原地转向情况类似，所需总的助力功率和最佳分配比比原地转向时略有下降，此时依然由电动助力模块提供更大助力。当中高速转向时，所需总的助力功率较小，最佳分配比也大幅降低，此时两执行机构电机同时工作在中低转矩区域(即高效率区域)，即可满足助力需求。以上仿真结果与转向系统运行的实际情况基本相同，所以最佳分配比求解控制器模型较为准确。

结束语

本研究使用开发的扭矩计，可以在工程机械实际作业状况下测量发动机驱动液压泵所消耗的实际功耗，也可以在操作抬起和放下动臂与斗杆等各个零件的运行破碎相关作业情况下实时测量能耗，其将为实现最佳的工程机械设计与操作提供参考数据。

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