挖掘機節能液壓控制系統分析與應用

曾紹平

（江西工業職業技術學院，南昌 330095）

挖掘機節能液壓控制系統分析與應用

曾紹平

（江西工業職業技術學院，南昌 330095）

近年來，隨著我國經濟的快速發展，挖掘機市場變得越來越大，但是挖掘機節能液壓控制系統的有效利用卻并不十分理想，從而造成能源浪費。本文通過對挖掘機的深入了解和分析，對挖掘機節能液壓控制系統進行探索，從而有效降低挖掘機燃油的消耗和使用成本。

挖掘機 節能液壓控制系統 使用效率

隨著我國經濟的快速發展，我國的挖掘機市場越來越大。挖掘機工作的環境具有復雜性和長時間作業的特點，作業時所承擔負荷的變化非常大。通常，平均外在負荷只有最大負荷的50%～60%，但利用率只達到總利用率的30%左右。當發動機的輸出功率過高時，而液壓泵無法將發動機的輸出功率完全吸收，或者液壓元件出現故障導致漏油時，都會損失挖掘機功率。此外，液壓系統節流調節、回轉機構或者鏟斗等機械裝置工作時，都會或多或少地出現功率損失。因此，節能控制技術在挖掘機應用過程中有著非常重要的作用。

1 液壓系統總體結構

1.1 分工況控制

挖掘機的工作過程和環境比較復雜，在挖掘過程中，土質也有一定區別。因此，為了使挖掘機能夠更好地適應各種各樣的工作環境，系統應該進行分工況控制。根據挖掘機工作環境的差異，大致上可以將挖掘機的動力模式分為三種，分別為節能模式、重載模式以及輕載模式。這三種模式在使用過程中的功率分配情況一般分別為發動機額定功率的85%、100%以及60%。挖掘機中的柴油機通常是恒扭矩調節，輸出轉速的變化直接影響輸出的功率，因此在挖掘機實際應用過程中應該分工況控制，采用三種不同的動力模式，以此來保證發動機運行的最大功率。

1.2 發動機-泵功率匹配

挖掘機工作時，液壓控制的能量傳遞通過發動機—液壓泵—負載來完成。能量在傳遞的過程中，液壓泵的功率與發動機的功率是否匹配直接影響液壓系統功率的利用率，同時也影響液壓系統在工作中的平穩性。當挖掘機液壓系統的負載增大時，變量泵吸收扭矩也會隨之增大，而變量泵吸收扭矩的增大會導致發動機轉速減小。為保證發動機的轉速穩定，需要將變量泵的排量減小，從而使得變量泵的吸收扭矩隨之減小，使得發動機的轉速返回到原本范圍。反之，當負載減小時，需要經變量泵的排量增大。也就是說，發動機轉速的變化直接決定著變量泵的排量變化。因此，發動機—泵功率匹配控制的關鍵是根據發動機當前轉速的變化對變量泵的排量進行實時調整，從而使發動機的轉速控制在預設的范圍內，以提高液壓控制系統的工作效率。

挖掘機工作的過程中，應該根據實時的工作環境選擇合適的動力模式。當挖掘機的作業環境是空載時，控制器根據設定空載轉速對應的目標位移與油門拉桿反饋位移的差值，輸出PWM驅動信號驅動油門電機動作。當油門拉桿達到指定的位置后，發動機的轉速發生相應的變化。當挖掘機在工作過程中負載發生變化時，控制器就會根據目前發動機的轉速以及目標轉速的差值輸出電流驅動信號，控制扭矩閥的開度，改變變量泵的排量，使發動機的輸出功率能夠與液壓泵的功率完成實時匹配，進而使挖掘機發動機的轉速保持在規定的范圍之內，以保證挖掘機的穩定運行，如圖1所示。

圖1 挖掘機節能空隙系統邊框

2 挖掘機節能液壓控制系統的硬件設計

挖掘機節能液壓控制系統的應用主要包括控制器、直線電機、顯示器、繼電器、扭矩閥、轉速傳感器、油門旋鈕和24V直流電源等。在這些硬件設施中，顯示器的主要作用是對挖掘機的動力模式進行選擇和設置，同時進行故障報警以及狀態監測。顯示器通過CAN總線連接到控制器。當挖掘機的作業環境是空載時，控制直線電機會使油門旋鈕設定的空載轉速變化，直接影響發動機的轉速。而挖掘機工作狀態為負載時，發動機的轉速出現變化，控制器會輸出PWM信號來調整扭矩閥的開度，同時也會對變量泵的排量進行調整，從而保證發動機的轉速能夠穩定運行。

3 挖掘機節能液壓控制系統的軟件設計

3.1 主程序軟件設計

在整個系統中，主程序軟件采用模塊化編程，如圖2所示。參數初始化模塊的主要作用是實現E2PROM中參數的讀取和參數掉電的存儲功能。CAN通信模塊的主要作用是對顯示器和控制器進行有效的連接和數據通信。而這個數據通信分為兩個方向，一個是控制器向顯示器發送整車狀態信息的CAN發送模塊，另一個則是顯示器向控制器發送改變動力模式命令等在內的CAN接受模塊。當顯示器發送的動力模式被控制器接受后，就會對當前的模式進行更改。油門控制模塊的主要作用則是對空油門旋鈕進行設定。而對于功率匹配模塊來說，該模塊存在的意義是保證發動機—泵功率完成相應的匹配。

3.2 油門控制模塊軟件設計

油門控制模塊首先根據油門旋鈕的檔位位置和動力模式對實時檔位的空載設定轉速進行確定，然后根據油門拉桿位移和發動機空載設定的對應關系，對空載設定轉速與相應的直線電機目標位移值進行確定。在作業過程中，控制器會根據當前直線電機的實際位移值與目標位移值的差值，利用PID控制算法對直線電機的轉動進行驅動，從而有效控制發動機的轉速。

圖2 控制軟件主程序流程圖

4 結語

挖掘機節能液壓控制在不同的作業環境和不同種類作業的過程中，應該選擇合適的作業模式。挖掘機使用過程中，變量泵的吸收功率、模式選擇、匹配問題、作業時間以及作業負荷等問題，都會直接影響挖掘機的使用效率。因此，面對不同的作業環境，應根據分工況選擇合適的模式工作，才能節能控制系統，達到低耗油高效率的目的。

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Analysis and Application of Excavator Energysaving Hydraulic Control System

ZENG Shaoping
(Jiangxi Vocational and Technical College of Industry, Nanchang 330095)

In recent years, with the rapid development of China’s economy, the excavator market has become more and more, but the excavator energy-saving hydraulic control system is not very effective use, resulting in energy waste. In this paper, through the excavator in-depth understanding and analysis of the excavator energy-saving hydraulic control system to explore, so as to effectively reduce the excavator fuel consumption and the use of cost.

excavator, energy-saving hydraulic control system, use efficiency