液壓挖掘機功率匹配的節能控制研究

林坤

摘要：液壓挖掘機作為土方石工程作業中普遍使用的工程機械，它在土方石工程發展中占據著至關重要的地位。液壓挖掘機是一種耗能極大的工程設備，液壓挖掘機節能控制系統的安全性、有效性、經濟性會嚴重影響工程進程和工程的投入成本。控制好動力系統的能量損耗、保證動力系統的工作效率是當前技術研究需首要解決的問題。在此背景下，本文將重點介紹液壓挖掘機功率匹配的節能控制研究，主要從挖掘機的主要功率損失、國內液壓挖掘機節能控制技術現狀、液壓挖掘機的功率匹配節能控制方案研究、液壓挖掘機節能控制系統設計建議四個方面展開介紹，以期能夠提升液壓挖掘機的工作性能以及整個動力系統的經濟性和可靠性，最終達到提高效率、節約燃油的目的。

關鍵詞：液壓挖掘機；功率匹配；動力系統；節能控制研究

液壓挖掘機是當前土方石作業中極為重要的工程機械，對液壓挖掘機的節能技術研究是當前一個比較熱門的研究趨勢。國內目前的液壓挖掘機節能技術研究還不夠完善，國產挖掘機的研制還存在很大空白。隨著全球能源短缺的進一步升級，對液壓挖掘機的節能研究更顯迫切，其節能性能的好壞直接影響到液壓挖掘機的應用前景和土方石工程的發展前途。為此，下面本文將具體來分析，分別從挖掘機的主要功率損失、國內液壓挖掘機節能控制采用的技術狀況、液壓挖掘機的功率匹配節能控制方案研究、液壓挖掘機節能控制系統設計建議四個方面展開介紹，以期能夠實現對柴油機、液壓泵、主閥的綜合節能控制，促進液壓挖掘機節能技術的發展和成熟。

1.挖掘機的主要功率損失

1.1負載過重導致的安全閥溢流耗能。液壓挖掘機本身是一種大規模耗能設備，因工作量巨大而時常存在著過重負載的現象，為了保護液壓挖掘機，延長使用壽命，往往會在作業過程中液壓油達到設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，壓力油流回油箱導致系統做了無用功，而且還帶來了嚴重的能量損耗，這就是常說的溢流損失。此外還有重負荷挖掘和回轉啟動、制動過程中的過載耗能。

1.2微動操作時的功率損失。微動時的能耗主要是指在進行掘削和卸土時所發生的能量損耗。在進行掘削和卸土時往往會進行微動控制操作，以便控制進入執行機構的流量大小。此時為了克服工作負載往往會建立起相應的壓力通道，為了克服壓力，會有大部分的液壓油溢流回油箱，這部分的能耗損失還是非常可觀的。

1.3壓力管道的沿程損失和局部損失嚴重。在高壓液壓油輸送至執行機構的過程中存在著很大的局部損失和沿程損失。負責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柴油機與液壓泵匹配不恰當造成的損失。柴油機的每一個輸出功率都有一個與之相對應的燃油能耗最佳點，如果作業過程中能夠將能耗功率控制在這個最佳點附件則會極大的節省耗油總量。但是在實際的工作過程中，由于液壓挖掘機的負載變化過大、而且正常工作時的油門基本上是定速的，往往會導致了液壓泵的工況并不總是能合理控制在能耗最佳點上，造成嚴重的能耗損失。

2.國內液壓挖掘機節能控制采用的技術狀況

2.1引進先進的節能液壓系統。節能液壓系統在液壓挖掘機節能控制系統中占據的地位非常重要，目前國內的液壓挖掘機節能控制系統已經大規模引進了國外先進的節能液壓系統，主要包括負流量控制、負載傳感控制系統兩大類。在選擇多路閥以及液壓泵方面，主要選用的是日本生產的多路閥和液壓泵以及德國生產的多路閥及變量泵。

2.2引進國外高性能的柴油機。目前國內市場的工程機械柴油機的發展還較緩慢，并非專門為工程機械匹配而設計，主要是通過車用柴油機的調整辦法來滿足工程柴油機的需求，但是國內柴油機存在著扭矩儲備低、附件消耗功率大、油耗大、做功效率低等情況，在此情況下，絕大部分國內挖掘機廠家主要是進口國外先進的高性能柴油機，例如美國康明斯、日本五十鈴、洋馬、久保田及英國帕金斯發動機等等，都是與國內挖掘機廠家經濟往來密切的合作企業。

2.3發動機與液壓系統相匹配。這項技術的節能性還是非常樂觀的。為了有效提升液壓挖掘機的節能性能，從該項技術入手來研究是非常有效的途徑。為此很多工程機械制造商開始投入大量資金和技術力量來研制這項節能新技術，通過發動機與液壓泵的電控程序控制，實現功率跟隨，并且取得了很好的研究成果。

2.4合資企業和獨資企業自主研究節能技術工作的廣泛開展。目前很多著名的國內獨資或者合資企業，例如小松、卡特、日立、神鋼、斗山、現代等等，他們為了將液壓挖掘機的節能技術產業化，已經開始了大規模自行研究節能關鍵技術的進程。通過自主研發先進的液壓件和發動機，以及系統匹配的節能控制關鍵技術。

3.液壓挖掘機的功率匹配節能控制方案研究

液壓挖掘機功率匹配的節能控制的整體控制方案需要將柴油機與液壓泵之間、液壓泵與液壓系統之間、液壓系統與負載部分之間的能量損耗全部考慮在內，只有這樣才能達到有效節省能耗的目的。只有找到燃油功率的最經濟工作曲線，才能確定液壓挖掘機的功率、轉速、扭矩等量的最佳值，下面本文將具體來分析。

3.1總體方案設計。整體方案設計的最終控制目標是控制柴油機的整體運行狀態與液壓泵的輸出功率，保障柴油機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方面來設計。首先，改善柴油機與液壓泵之間的適應性，根據液壓泵的負載信號反饋，通過電控系統調節液壓泵功率與柴油機輸出功率全功率匹配，減少柴油機轉速的波動，在提高工作效率的同時，也節省了能耗；其次，采用電液伺服控制技術，達到準確、快速調節速度的目的并在液壓泵與負載環節之間采用閥控液壓系統。通過這兩個方面的改進，從而達到提升負荷工況下的動力性與燃料經濟性的目的，提升液壓挖掘機節能性的改進。

3.2工作模式選擇。為了適應挖掘機負載變化過于頻繁的情況，往往需要引進分工況控制技術，以適應不同的工況和作業要求。分工況控制的具體實施辦法主要是依據實際的工作狀況選擇適用的動力模式，并依據動力模式來科學設置油門位置，然后找到相應的動力模式下的柴油機轉速和液壓泵控制特性。液壓挖掘機的動力模式主要有四大類：重負荷挖掘模式（H模式）、標準作業模式（S模式）、輕載作業模式（F模式）、怠速模式（L模式）。依次與之相對應的發動機油門位置分別是100%、85%、70%和50%。

3.3自動怠速控制。挖掘機作業過程中，短暫停止操作時，發動機自動處于怠速狀態以節省燃油。采用自動怠速后，替代了高怠速工況，通過簡單計算可知，油耗可下降6.8%。自動怠速是由操縱閥操縱連動控制的，過去操縱閥一操縱發動機就一下子恢復高速，現已采用操縱閥手柄操縱量與發動機恢復轉速連動，這樣在微動操縱時發動機轉速緩慢上升，防止不必要使發動機轉速一下子升得過高，可進一步節能。

4.液壓挖掘機節能控制系統設計建議

4.1改進液壓系統以提高節能效果。對液壓系統的改進主要是從液壓系統的工作元件以及工作環節進行改進。首先，由定量泵改為變量泵，并采用壓力感應恒功率控制裝置，來節能耗能；其次，為了提升柴油機的功率利用率，將節流調速轉變為容積調速，液壓泵輸出的油液直接進入執行元件，沒有溢流損失和節流損失，且工作壓力隨負載變化而變化，因此效率高，發熱少，可以有效提升柴油機工效，節省能耗；最后，將中心開式系統改為中心閉式系統，并通過負流量或者正流量控制的方式與中心系統配合實現負載傳感壓力補償控制，使得液壓泵在中位時以低壓小流量工作，達到節省能耗的目的。

4.2能量再生和回收利用。在液壓挖掘機的作業過程中，位能和動能的損失過大，為此，應當考慮能量的再回收和利用。通過在工作裝置中設置再生回路，實現回油再利用，提高了工作裝置的作業速度，改善了復合操縱性能和使液壓系統的能耗降低，效率提高。

4.3柴油機和液壓泵的綜合控制。對柴油機和液壓泵的綜合控制主要是從三個方面來改進。首先是實現二者之間的最佳功率匹配，改變傳統液壓泵功率小于柴油機功率的利用現狀，通過引進轉速感應控制裝置來充分利用柴油機的工作效率，既提升效率又節省能耗。二是實行分工況控制，通過選用不同的動力模式來決定柴油機油門位置、柴油機轉速，找到不同工況的最佳平衡點，節能提速。最后是控制發動機和液壓泵在聯合工作最高效率點上工作，通過柴油機轉速和液壓泵的排量來確定工作裝置的工作速度，及時改變柴油機轉速，使其能夠穩定運行在高效率的工況點上，從而提升動力系統的工作性能，實現整個工作系統的經濟性和可靠性。

5.結束語

液壓挖掘機作為一種重要的工程機械，在現代化施工工程中占據著舉足輕重的地位。如今各大企業已與各高校聯合，紛紛投入大量資金，對液壓挖掘機功率匹配的節能控制技術展開研究。通過上述本文的探討，筆者主要從挖掘機的主要功率損失、國內液壓挖掘機節能控制采用的技術狀況、液壓挖掘機的功率匹配節能控制方案研究、液壓挖掘機節能控制系統設計建議四個方面展開了詳盡的介紹，以期能夠改善液壓挖掘機的節能控制現狀，促進液壓挖掘機機電一體化節能控制技術的顯著發展和進步。

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