林坤

摘要：液壓挖掘機(jī)作為土方石工程作業(yè)中普遍使用的工程機(jī)械，它在土方石工程發(fā)展中占據(jù)著至關(guān)重要的地位。液壓挖掘機(jī)是一種耗能極大的工程設(shè)備，液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的安全性、有效性、經(jīng)濟(jì)性會(huì)嚴(yán)重影響工程進(jìn)程和工程的投入成本。控制好動(dòng)力系統(tǒng)的能量損耗、保證動(dòng)力系統(tǒng)的工作效率是當(dāng)前技術(shù)研究需首要解決的問題。在此背景下，本文將重點(diǎn)介紹液壓挖掘機(jī)功率匹配的節(jié)能控制研究，主要從挖掘機(jī)的主要功率損失、國(guó)內(nèi)液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制技術(shù)現(xiàn)狀、液壓挖掘機(jī)的功率匹配節(jié)能控制方案研究、液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)建議四個(gè)方面展開介紹，以期能夠提升液壓挖掘機(jī)的工作性能以及整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，最終達(dá)到提高效率、節(jié)約燃油的目的。

關(guān)鍵詞：液壓挖掘機(jī)；功率匹配；動(dòng)力系統(tǒng)；節(jié)能控制研究

液壓挖掘機(jī)是當(dāng)前土方石作業(yè)中極為重要的工程機(jī)械，對(duì)液壓挖掘機(jī)的節(jié)能技術(shù)研究是當(dāng)前一個(gè)比較熱門的研究趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)目前的液壓挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)研究還不夠完善，國(guó)產(chǎn)挖掘機(jī)的研制還存在很大空白。隨著全球能源短缺的進(jìn)一步升級(jí)，對(duì)液壓挖掘機(jī)的節(jié)能研究更顯迫切，其節(jié)能性能的好壞直接影響到液壓挖掘機(jī)的應(yīng)用前景和土方石工程的發(fā)展前途。為此，下面本文將具體來分析，分別從挖掘機(jī)的主要功率損失、國(guó)內(nèi)液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制采用的技術(shù)狀況、液壓挖掘機(jī)的功率匹配節(jié)能控制方案研究、液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)建議四個(gè)方面展開介紹，以期能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)柴油機(jī)、液壓泵、主閥的綜合節(jié)能控制，促進(jìn)液壓挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展和成熟。

1.挖掘機(jī)的主要功率損失

1.1負(fù)載過重導(dǎo)致的安全閥溢流耗能。液壓挖掘機(jī)本身是一種大規(guī)模耗能設(shè)備，因工作量巨大而時(shí)常存在著過重負(fù)載的現(xiàn)象，為了保護(hù)液壓挖掘機(jī)，延長(zhǎng)使用壽命，往往會(huì)在作業(yè)過程中液壓油達(dá)到設(shè)定壓力后開啟安全閥，保證壓力油通過安全閥順利流回油箱。但是，壓力油流回油箱導(dǎo)致系統(tǒng)做了無用功，而且還帶來了嚴(yán)重的能量損耗，這就是常說的溢流損失。此外還有重負(fù)荷挖掘和回轉(zhuǎn)啟動(dòng)、制動(dòng)過程中的過載耗能。

1.2微動(dòng)操作時(shí)的功率損失。微動(dòng)時(shí)的能耗主要是指在進(jìn)行掘削和卸土?xí)r所發(fā)生的能量損耗。在進(jìn)行掘削和卸土?xí)r往往會(huì)進(jìn)行微動(dòng)控制操作，以便控制進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量大小。此時(shí)為了克服工作負(fù)載往往會(huì)建立起相應(yīng)的壓力通道，為了克服壓力，會(huì)有大部分的液壓油溢流回油箱，這部分的能耗損失還是非?？捎^的。

1.3壓力管道的沿程損失和局部損失嚴(yán)重。在高壓液壓油輸送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)的過程中存在著很大的局部損失和沿程損失。負(fù)責(zé)輸送液壓油的元件主要是管道、管接頭、閥口和彎管，在輸送的過程中會(huì)存在著很大的壓力損失，主要是由于管道通徑較小、液壓管道走向不盡合理、管路彎曲過多、管徑突變、管接頭較多造成的管道壓力較大等引起的。

1.4柴油機(jī)與液壓泵匹配不恰當(dāng)造成的損失。柴油機(jī)的每一個(gè)輸出功率都有一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的燃油能耗最佳點(diǎn)，如果作業(yè)過程中能夠?qū)⒛芎墓β士刂圃谶@個(gè)最佳點(diǎn)附件則會(huì)極大的節(jié)省耗油總量。但是在實(shí)際的工作過程中，由于液壓挖掘機(jī)的負(fù)載變化過大、而且正常工作時(shí)的油門基本上是定速的，往往會(huì)導(dǎo)致了液壓泵的工況并不總是能合理控制在能耗最佳點(diǎn)上，造成嚴(yán)重的能耗損失。

2.國(guó)內(nèi)液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制采用的技術(shù)狀況

2.1引進(jìn)先進(jìn)的節(jié)能液壓系統(tǒng)。節(jié)能液壓系統(tǒng)在液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)中占據(jù)的地位非常重要，目前國(guó)內(nèi)的液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)已經(jīng)大規(guī)模引進(jìn)了國(guó)外先進(jìn)的節(jié)能液壓系統(tǒng)，主要包括負(fù)流量控制、負(fù)載傳感控制系統(tǒng)兩大類。在選擇多路閥以及液壓泵方面，主要選用的是日本生產(chǎn)的多路閥和液壓泵以及德國(guó)生產(chǎn)的多路閥及變量泵。

2.2引進(jìn)國(guó)外高性能的柴油機(jī)。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的工程機(jī)械柴油機(jī)的發(fā)展還較緩慢，并非專門為工程機(jī)械匹配而設(shè)計(jì)，主要是通過車用柴油機(jī)的調(diào)整辦法來滿足工程柴油機(jī)的需求，但是國(guó)內(nèi)柴油機(jī)存在著扭矩儲(chǔ)備低、附件消耗功率大、油耗大、做功效率低等情況，在此情況下，絕大部分國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)廠家主要是進(jìn)口國(guó)外先進(jìn)的高性能柴油機(jī)，例如美國(guó)康明斯、日本五十鈴、洋馬、久保田及英國(guó)帕金斯發(fā)動(dòng)機(jī)等等，都是與國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)廠家經(jīng)濟(jì)往來密切的合作企業(yè)。

2.3發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓系統(tǒng)相匹配。這項(xiàng)技術(shù)的節(jié)能性還是非常樂觀的。為了有效提升液壓挖掘機(jī)的節(jié)能性能，從該項(xiàng)技術(shù)入手來研究是非常有效的途徑。為此很多工程機(jī)械制造商開始投入大量資金和技術(shù)力量來研制這項(xiàng)節(jié)能新技術(shù)，通過發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓泵的電控程序控制，實(shí)現(xiàn)功率跟隨，并且取得了很好的研究成果。

2.4合資企業(yè)和獨(dú)資企業(yè)自主研究節(jié)能技術(shù)工作的廣泛開展。目前很多著名的國(guó)內(nèi)獨(dú)資或者合資企業(yè)，例如小松、卡特、日立、神鋼、斗山、現(xiàn)代等等，他們?yōu)榱藢⒁簤和诰驒C(jī)的節(jié)能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，已經(jīng)開始了大規(guī)模自行研究節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)程。通過自主研發(fā)先進(jìn)的液壓件和發(fā)動(dòng)機(jī)，以及系統(tǒng)匹配的節(jié)能控制關(guān)鍵技術(shù)。

3.液壓挖掘機(jī)的功率匹配節(jié)能控制方案研究

液壓挖掘機(jī)功率匹配的節(jié)能控制的整體控制方案需要將柴油機(jī)與液壓泵之間、液壓泵與液壓系統(tǒng)之間、液壓系統(tǒng)與負(fù)載部分之間的能量損耗全部考慮在內(nèi)，只有這樣才能達(dá)到有效節(jié)省能耗的目的。只有找到燃油功率的最經(jīng)濟(jì)工作曲線，才能確定液壓挖掘機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩等量的最佳值，下面本文將具體來分析。

3.1總體方案設(shè)計(jì)。整體方案設(shè)計(jì)的最終控制目標(biāo)是控制柴油機(jī)的整體運(yùn)行狀態(tài)與液壓泵的輸出功率，保障柴油機(jī)始終能夠在外特性最佳油耗曲線附近工作。具體策略主要從兩個(gè)方面來設(shè)計(jì)。首先，改善柴油機(jī)與液壓泵之間的適應(yīng)性，根據(jù)液壓泵的負(fù)載信號(hào)反饋，通過電控系統(tǒng)調(diào)節(jié)液壓泵功率與柴油機(jī)輸出功率全功率匹配，減少柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，在提高工作效率的同時(shí)，也節(jié)省了能耗；其次，采用電液伺服控制技術(shù)，達(dá)到準(zhǔn)確、快速調(diào)節(jié)速度的目的并在液壓泵與負(fù)載環(huán)節(jié)之間采用閥控液壓系統(tǒng)。通過這兩個(gè)方面的改進(jìn)，從而達(dá)到提升負(fù)荷工況下的動(dòng)力性與燃料經(jīng)濟(jì)性的目的，提升液壓挖掘機(jī)節(jié)能性的改進(jìn)。

3.2工作模式選擇。為了適應(yīng)挖掘機(jī)負(fù)載變化過于頻繁的情況，往往需要引進(jìn)分工況控制技術(shù)，以適應(yīng)不同的工況和作業(yè)要求。分工況控制的具體實(shí)施辦法主要是依據(jù)實(shí)際的工作狀況選擇適用的動(dòng)力模式，并依據(jù)動(dòng)力模式來科學(xué)設(shè)置油門位置，然后找到相應(yīng)的動(dòng)力模式下的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和液壓泵控制特性。液壓挖掘機(jī)的動(dòng)力模式主要有四大類：重負(fù)荷挖掘模式（H模式）、標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)模式（S模式）、輕載作業(yè)模式（F模式）、怠速模式（L模式）。依次與之相對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)油門位置分別是100%、85%、70%和50%。

3.3自動(dòng)怠速控制。挖掘機(jī)作業(yè)過程中，短暫停止操作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)處于怠速狀態(tài)以節(jié)省燃油。采用自動(dòng)怠速后，替代了高怠速工況，通過簡(jiǎn)單計(jì)算可知，油耗可下降6.8%。自動(dòng)怠速是由操縱閥操縱連動(dòng)控制的，過去操縱閥一操縱發(fā)動(dòng)機(jī)就一下子恢復(fù)高速，現(xiàn)已采用操縱閥手柄操縱量與發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)轉(zhuǎn)速連動(dòng)，這樣在微動(dòng)操縱時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢上升，防止不必要使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一下子升得過高，可進(jìn)一步節(jié)能。

4.液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)建議

4.1改進(jìn)液壓系統(tǒng)以提高節(jié)能效果。對(duì)液壓系統(tǒng)的改進(jìn)主要是從液壓系統(tǒng)的工作元件以及工作環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)。首先，由定量泵改為變量泵，并采用壓力感應(yīng)恒功率控制裝置，來節(jié)能耗能；其次，為了提升柴油機(jī)的功率利用率，將節(jié)流調(diào)速轉(zhuǎn)變?yōu)槿莘e調(diào)速，液壓泵輸出的油液直接進(jìn)入執(zhí)行元件，沒有溢流損失和節(jié)流損失，且工作壓力隨負(fù)載變化而變化，因此效率高，發(fā)熱少，可以有效提升柴油機(jī)工效，節(jié)省能耗；最后，將中心開式系統(tǒng)改為中心閉式系統(tǒng)，并通過負(fù)流量或者正流量控制的方式與中心系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn)負(fù)載傳感壓力補(bǔ)償控制，使得液壓泵在中位時(shí)以低壓小流量工作，達(dá)到節(jié)省能耗的目的。

4.2能量再生和回收利用。在液壓挖掘機(jī)的作業(yè)過程中，位能和動(dòng)能的損失過大，為此，應(yīng)當(dāng)考慮能量的再回收和利用。通過在工作裝置中設(shè)置再生回路，實(shí)現(xiàn)回油再利用，提高了工作裝置的作業(yè)速度，改善了復(fù)合操縱性能和使液壓系統(tǒng)的能耗降低，效率提高。

4.3柴油機(jī)和液壓泵的綜合控制。對(duì)柴油機(jī)和液壓泵的綜合控制主要是從三個(gè)方面來改進(jìn)。首先是實(shí)現(xiàn)二者之間的最佳功率匹配，改變傳統(tǒng)液壓泵功率小于柴油機(jī)功率的利用現(xiàn)狀，通過引進(jìn)轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制裝置來充分利用柴油機(jī)的工作效率，既提升效率又節(jié)省能耗。二是實(shí)行分工況控制，通過選用不同的動(dòng)力模式來決定柴油機(jī)油門位置、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，找到不同工況的最佳平衡點(diǎn)，節(jié)能提速。最后是控制發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵在聯(lián)合工作最高效率點(diǎn)上工作，通過柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和液壓泵的排量來確定工作裝置的工作速度，及時(shí)改變柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，使其能夠穩(wěn)定運(yùn)行在高效率的工況點(diǎn)上，從而提升動(dòng)力系統(tǒng)的工作性能，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

5.結(jié)束語

液壓挖掘機(jī)作為一種重要的工程機(jī)械，在現(xiàn)代化施工工程中占據(jù)著舉足輕重的地位。如今各大企業(yè)已與各高校聯(lián)合，紛紛投入大量資金，對(duì)液壓挖掘機(jī)功率匹配的節(jié)能控制技術(shù)展開研究。通過上述本文的探討，筆者主要從挖掘機(jī)的主要功率損失、國(guó)內(nèi)液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制采用的技術(shù)狀況、液壓挖掘機(jī)的功率匹配節(jié)能控制方案研究、液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)建議四個(gè)方面展開了詳盡的介紹，以期能夠改善液壓挖掘機(jī)的節(jié)能控制現(xiàn)狀，促進(jìn)液壓挖掘機(jī)機(jī)電一體化節(jié)能控制技術(shù)的顯著發(fā)展和進(jìn)步。

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