叉车液压系统能耗分析及节能控制技术研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

叉车作为-种重要的物料搬运设备.其液压系统工作过程中会产生液压源能量转换损失、液压系统能量传输损失、功率匹配能量损失等，使液压系统的工作效率-般只有 50%gE右.所以研究叉车液压系统的节能控制技术具有重要意义。

1 能量损失分析叉车工作时是边行驶边作业.负荷变化频繁且变化范围较大。其液压系统工作时存在着三次能量转换 ，包括液压泵产生 高压油 ，将机械能转换为压力能：执行装置和液压元件将油液的压力能转换为机械能和热量 整个能量转换和传输过程伴随着能量损失 ，同时，发动机 、泵、阀、负载相互之间的不匹配也会产生较大的能量损失1.1 液压源能量转换损失叉车液压系统工作时.液压泵体 内相对运动部件之间因存在间隙.结合面间密封不严，使液压泵产生泄漏，造成系统功率损失：油液因有-定的粘性.流经泵体内表面时会受到流阻产生能量损失：油液在负压条件下的气穴和在高压条件下的体积压缩产生能量损失：在吸油过程中由于吸油阻力太大、油液粘度大及液压泵转速过高等原因而导致油液不能全部充满密封工作腔等原因产生容积损失.使泵的效率下降。

1.2 液压系统能量传输损失叉车液压系统的管路通常由若干段管道串联而成。其中每-段又串联-些诸如弯头、控制阀、过滤器 、管接头等形成局部阻力 的装置 .当液压油流经管道、弯头、控制阀和管接头等时产生沿程压力损失和局部压力损失：液压缸等执行元件工作时因设计和加工工艺不合理.摩擦副接触面产生摩擦损失 这些压力和摩擦损失使油液流动时的液阻、发热量改变，造成液压系统油温过高。据有关资料统计.当叉车液压系统油温超过85℃时.膨胀系数大的铝壳泵产生二次扫堂现象 ，液压阀易于卡死 .起升油缸的上升速度明显下降.密封件和高压软管易于老化.元件的小孑L和缝隙易于堵塞Ⅲ1.3 功率匹配能量损失l3.1 发动机-液压泵功率匹配损失叉车作业环境和作业对象不同.对发动机的功率需求也不同.发动机的调速特性如图 1所示 .图 2为发动机万有特性曲线。当发动机和液压泵联合工作时.从发动机调速特性和万有特性可知.发动机每个调速拉杆位置都对应着最佳节能工作点和最大功率点.并以此作为发动机和液压泵的最佳匹配调整液压泵的吸收功率。由于叉车工作负载的多变性.使液压泵的吸收功率发生变化.引起发动机转速偏离最佳节收稿 日期：2013年3月 25日 修回日期：2013年 4月 22日基金项目：2012年度南通航运职业技术学院科技项 目 (HYKJ/2012B03)--叉车液压系统节能与减排控制技术研究作者简介：陈步童 ，男 ，1964年生，江苏如皋人，硕士，副教授 ；研究方向为工程机械控制研究与教学工作 。E-maik chenbt###ntsc.edu.cn第 5期 陈步童：叉车液压系统能耗分析及节能控制技术研究能点或最大功率点。使发动机油耗升高，造成发动机与液压泵不匹配，引起能量损失。如 ：当叉车停止作业时，操纵阀处于中位，系统压力不高，液压泵只需克服管道阻力和背压.但变量泵因功率 自动调节工作在高转速、小排量的状态 。给变量泵带来摩擦功率损失升高和容积效率降低 .同时使发动机油耗增加；当叉车超载行驶或作业时。发动机输出功率较小.使变量泵工作在低转速的状态.严重时会导致发动机熄火- 70OZ- 600辑50 -1 、]t I t lt t I II I l ll l l I4 I 3 l 2 I 1 ll l l ll I t 1 t I 油耗 I l I lL t- -- I l l ll l I l aI l I l吕320囊30028O2602I4I)l8o0 24o0转al/(r/m图 1 调速特性 曲线 图Fig.1 The speed governing characteristic cul-v-e80o70060050040o300200lO0 ～. 、 、 、 、l 7 、 / f / ， 、 r 、 f > / / J 双Kw f。 / ， l I- -， ～ 、k l -- -- 、245-- ， 1 、 / 27 2 - - - - - 、 、、 3 26 、 l L >《、 L. 窆ll7。7800 1000 l200 1400 1600 18O0 2000n(r/min)图 2 发动机万有特性曲线Fig.2 Engine universal performance map1.3.2 液压泵-负载功率匹配损失叉车液压系统工作过程中.液压泵输出的油液经液压控制回路驱动工作装置的升降和倾斜 当液压泵输出流量与工作装置驱动负载所需流量不匹配时.产生溢流损失和节流损失.使系统中油液的温度升高。

引起功率过剩损失 若根据工作装置驱动负载所需流量实时调整液压泵的排量.使液压泵的排量与工作装置驱动负载所需流量相匹配.这将与控制发动机-液压泵的功率匹配时所调定的液压泵排量发生矛盾。

1.3.3 阀-负载功率匹配损失当叉车作业和行驶时.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流回油箱.造成功率匹配损失：当对工作装置进行微动操作控制时.通过改变操纵阀开度进行节流调速.液压油经过控制阀节流口时产生较大的节流损失：当叉车超载时。安全阀或过载阀打开，压力油通过安全阀溢回油箱.发动机全部功率消耗在溢流阀上；当叉车转向时，转向油缸不能完全吸收液压泵输出的流量.多余流量只能溢回油箱。造成功率匹配损失。起升油缸在门架、货物上升过程中将液压能转换为势能，为防止门架、货物下降过快，通常在起升油路上装单向节流阀。在门架 、货物下降时起阻尼作用.从而将势能转化为热能2 节能控制技术2.1 合理选择液压源合理选择液压源.使其供油压力、流量及功率与负载压力、流量和功率相匹配。对于压力接近或相同且流量变化较大的液压系统应采用恒压变量泵：对于功率较大、负载缓慢增大且需较长保压时间的液压系统可采用恒压恒功率变量泵；对于不同压力、不同流量的多执行元件系统宜采用双压、双流量恒压变量泵或负载传感变量泵.使液压系统的动力源供应油液的压力和流量自动与执行元件负载的变化相适应 据有关资料统计.合理选择液压源可使系统效率提高 28%45%，节能效果明显2.2 合理设计液压系统结构合理设计液压系统的结构.根据系统中相应位置和可能出现的最大工作压力和流量确定其规格 吸油管路和回油管路可根据系统需要选用无缝钢管 、铜管、高压软管，并根据流速确定管径。油管的弯曲半径-般为管道半径的 3～5倍 .减少弯管接头的使用量。弯头处的角度不宜过小 f通常应大于 90)，尽量减少管路长度、管路弯曲和截面突变，管路系统尽量采用集成化连接。合理布置液压系统管路走向.将主阀泄油口直接接回油箱以降低泄油t：l背压.增大主泵出口处管道通径。在液压泵高压出口下游设置压力切断阀.当液压泵进人压力切断控制时.液压泵的输出流量接近零 。功率损耗很校尽量减少液压阀的数3 6 8 l 4 7 。 . . . . .城 昌宕 鹞 M中国农机化学报量.优化驱动电磁换向阀的电磁铁.优化设计液压阀阀口的流道，合理设计液压元件的配合间隙 根据泵液压的要求合理选取液压油的黏度.油温应控制在35～60℃。电动机和液压泵的联接尽量设计或选用弹性联轴器，或使用液压泵与电动机-体化产品.管道连接采用富有弹性和位置补偿能力的接头系统2.3 合理匹配发动机-液压泵功率叉车行驶和作业过程中.当外负载发生变化时将引起发动机转速的改变 发动机速度传感器将不断检测发动机的实际转速.装在发动机控制马达的角度传感器将通过检测油门杆角度来检测发动机在某-油门杆位置对应的额定转速 .控制器将对两者进行 比较并计算转速偏差，根据转速偏差控制泵液压的排量.使液压泵的吸收功率始终跟踪发动机的输出功率.实现发动机与液压泵环节的功率匹配 功率匹配控制系统如图 3所示2J图 3 发动机与液压泵功率匹配 系统Fig.3 The matching system of engine and pump power当叉车工作过程中负荷发生变化时.依据发动机的最佳油耗曲线，按照系统的工况要求.中央控制单元根据负载压力和发动机功率匹配的关系.初步计算出发动机的转速及液压泵的排量：发送信号控制发动机的转速.并根据发动机转速传感器反馈的当前实际转速大续行转速 PID闭环控制调节.使当前转速与设定转速-致：中央控制单元根据计算出的液压泵的排量控制电液比例减压阀的输出压力.进而控制恒功率变量泵 的变量机构 .达到控制液压泵的排量 的 目的 通过发动机与液压泵之间的合理匹配.提高功率利用率和整机的效率.达到较好的节能效果2.4 合理匹配液压泵-负载功率合理匹配液压泵-负载功率.使液压泵输出功率与负载特性相适应.不产生过多的流量或压力通过溢流阀溢出。当叉车液压系统工作时，实时检测出当前工况下液压泵的输出压力并输人中央控制单元.求得液压泵的流量.同时将操作手柄的电位信号输人中央控制单元.计算出当前电位信号下阀口开度及流量。

比较液压泵的流量与过阀流量的大小.选择加大或减小电位输入信号.并输出控制信号控制阀El开度与液压泵出口流量相适应 通过改变与负载相连的工作装置的速度来调节负载吸收的功率.使负载吸收功率始终接近液压泵的输出功率2.5 合理匹配阀-负载功率通过对阀的调节不断调节与工作装置相连的负载所吸收的功率.使工作装置能够将全部的液压能作用在负载上。阀El流量计算公式：r -r- Q：CA /- V P式中：C-- 流量常数：A--阀 口开度：却--阀前后的压差；p--油液密度。

由阀口流量计算公式可知.当先导控制手柄的偏转角不变时，多路阀的流量变化与阀前后的压差 △p的变化成正比。因而可以根据发动机功率调节趋势借助软件对负载传感阀的比例电磁铁自动作出调节.从而对 作出调节，使主换向阀流量与液压泵的流量相匹配，作用于与工作装置相连的负载上的功率始终最接近发动机的输出功率2.6 合理匹配发动机-液压泵-负载功率系统简化框图如图 4所示3I发动机 --- 变量泵l Il转速传感器 变量调节机构 I lI自整定模糊 变量调节液压缸I PID控制器 J ll比例减压阀 --. 比例方向压力阀I图 4 发动机-液压泵-负载功率匹配系统Fig.g The matching system for engine-pumps-load power叉车工作时负载在较大范围变化 .液压泵实际吸收功率发生变化.发动机产生较大转速偏差.发动机燃油消耗率大。利用转速偏差感应控制，调节液压泵的吸收功率使之与发动机输出功率基本匹配.使发动机工作转速保持在节能效果突出的转速范围内 通过检测负载变化引起的发动机转速变化.运用自适应模糊 PID参数调节整定的转速感应控制方法.利用变量泵的电液比例控制技术.调节电液比例控制变量泵的吸收功率.实现系统极限负荷控制。即发动机输出功率设定后，若负载增大。则泵吸收功率增大。发动机降速，系统检测到转速变化后，减小泵的排量，从而降低泵的吸收功率.保证泵的吸收功率和发动机输出功率相匹配；若负载减小.泵的排量 自动增大，泵的第 5期 陈步童：叉 车液压 系统能耗分析及节能控制技术研究吸收功率增加.使发动机在负载变化范围内既满足重载.也满足轻载的作业要求.较好地匹配了发动机-液压泵-负载之间的功率关系2.7 采用能量回收技术在叉车液压系统中安装蓄能器.并使蓄能器参数与液压泵参数合理匹配，以减少系统发热和温升。提高系统工作效率；或采用液压变压器，将叉车工作装置下降的动能和势能回收.其工作原理如图5所示图 5 采用液压变压器的叉车液压系统原 理图Fig.5 The schematic diagram for a hydraulic system of a forklifttruck with a hydraulic transformer1.溢流阀 2.低压蓄能器 3.液压变压器4.单作用液压缸 5.高压蓄能器 6.双作用液压缸7.电液伺服阀 8.工控机 9.二位三通换向阀10.变量液压泵/马达 l1.定量液压泵 12.滤油器叉车动力源驱动液压泵/马达 10按照设定的压力值以泵的状态工作.提供-个恒压源。负载下降时，液压泵/马达 10以马达状态工作.将重力势能转化为液压能.经液压变压器 3调压后被高压蓄能器 5在最大程度内吸收.高压蓄能器 5与低压蓄能器 3二者联用调整压力峰值以保证压力稳定：负载上升时.蓄能器提供辅加动力，协助动力源、液压系统与负载间实现功率匹配问。

3 结束语叉车液压系统工作过程中.能量损失较大.应通过合理选择液压源.合理设计液压系统结构.使液压泵-负载、阀-负载、发动机-液压泵、发动机-液压泵-负载等实现有效的功率匹配.采用能量回收技术等措施加以解决 .以提高叉车液压系统的工作效率，达到叉车液压系统真正节能的目的