挖掘机液压系统节能效果的在线测试和评价方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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：
[0005] 1)节流损失
[0006] 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。
[0007] 2)溢流损失
[0008] 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 能完全吸收栗输出的流量，多余流量只能通过平衡阀溢流回油箱，造成功率损失。
[0009]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（相当于液压栗），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。
[0010] 3)操纵阀中位时能量损失
[0011]挖掘机工作装置停止作业时，各操纵阀处于中位，此时液压栗只克服管道阻力和 为防止气蚀而设的背压，系统压力不高，但变量栗因功率自动调节流量却很大，因此也有不 小的能量损失。
[0012] 4)功率匹配不合理而引起的能量损失
[0013] 发动机和液压栗联合工作时，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，发动机一液压栗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。
[0014] 5)沿程功率损失
[0015] 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。在栗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。
[0016] 6)动臂斗杆下降过程能量损失
[0017] 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。
[0018] 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：
[0019] 1)恒功率技术
[0020] 20世纪60年代，挖掘机液压系统由定量栗改为变量栗，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。
[0021] 2)正流量控制
[0022]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栗的排量。 在控制中，随先导压力的增加，栗的排量也增加。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。
[0023] 3)负流量控制
[0024]负流量控制是液压栗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。液压栗带有负流量控制，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，传送到主栗控制阀，主栗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。
[0025] 4)负荷传感控制
[0026]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栗对负荷压力随 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。
[0027] 5)能量再生和回收利用
[0028]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，效率提尚。
[0029] 6)发动机和液压栗综合控制
[0030]柴油机与液压栗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 的匹配方式是液压栗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，可使液压栗用足柴油机的功率，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 柴油机和液压栗在最高效率点工作，工作装置的速度由柴油机转速和液压栗排量确定，同 一工作速度可对应着不同的柴油机转速和液压栗排量，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。
[0031] 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。
[0032] 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。
[0033] 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】
[0034] 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。
[0035] 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：
[0036] 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 压系统包括栗、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栗、阀、油缸和 液压马达的压力和流量；
[0037] S