大型礦用液壓挖掘機節能模糊控制系統研究

劉志成　齊松

摘 要：我國工業基礎相對薄弱，科技水平較低。相比國外同類產品，國內的液壓挖掘機仍有很大差距，挖掘機工作環境極為惡劣，具有明顯的載荷變化，這就導致發動機偏離低油耗區，使液壓系統產生巨大的能源消耗。為更好地節約能源，提升國內液壓挖掘機在全球市場中的競爭力，推動國民經濟的良性運轉。

關鍵詞：大型礦用；液壓挖掘機；節能；模糊控制；系統

引言

液壓挖掘機，多數情況下是進行土石采掘。特征：作業相對靈活，適用于多工種。它有助于降低勞動強度，同時也能改進工程品質，提升勞動生產率。能源、環保，這是世界各國關注的要點。液壓挖掘機無法科學地排放，消耗的能源多，這些缺點相當突出。因此，探討節能和減排技術和方法，有一定的現實意義。作為工程機械的典型產品，探討液壓挖掘機如何進行節能，也可以為同類機械提供比較可靠的處理方案。論文中的節能控制理論，所選的控制方法均具有較強的可行性，對實際開發國內挖掘機的節能控制系統有極為關鍵的參考價值。在保證我國液壓挖掘機經濟運行的基礎上，還能提升系統的動力性和競爭力，兼具理論、實用雙重價值。

1 國內研究概況

在中國，液壓挖掘機可以追溯的時間并不長。1954年，撫順挖掘機廠研發和生產了第一臺單斗挖掘機，其具體的容量為1m3。即便是現在，很多國產產品相較于西方國家，仍不具備很好的節能效果。國產液壓挖掘機在自身的節能指標和性能上也有很大的改觀。貴州詹陽機械生產的JY320型履帶式挖掘機，它的多路閥以及液壓泵都是從川崎公司進行采購（日本）。

1995年10月，廣西玉柴股份嘗試生產了液壓挖掘機，數量為2臺。不過，柴油機以及液壓系統都是從國外進口所得；控制系統，為變量雙泵+MEC電子控制；如此，挖掘機才能夠進行自動降檔，對故障進行檢測，同時也能自動調節電子功率，并提出報警。很快，國內有不少大專院校紛紛開始對液壓挖掘機及其技術創新進行研究。馮培恩和高峰（浙江大學）共同設計和推出的液壓挖掘機機器人，可以將正流量、交叉功率以及負流量等進行聯合控制[1]。通過構建相應的控制模型，根據機器人來對作業展開了試驗，并證實有理想的節能效果。另外，他們還建議對變參數壓力進行切斷控制。通過對切斷值進行調整，減輕系統自身的工作強度，降低回轉功率損失。

2 混合動力挖掘機驅動機構與能量損失分析

液壓挖掘機主要由動力裝置以及傳動系統等構成，還包括操縱機構和回轉機構以及行走機構等，此外還有工作裝置以及輔助設備。

2.1 動力裝置

挖掘機中含有一種動力裝置，其一般采用的是直立式多缸類型的柴油機。為了體現出大型液壓鏟的節能效果，通常液壓挖掘機主要以電驅動式為主。

2.2 回轉機構

回轉機構主要是為了使設備支架、上部轉臺能夠左右移動，由此達到挖掘、卸料等目的。回轉支撐主要包括轉柱式、滾動軸承式這兩種結構類型，回轉機構共有兩種傳動型式，一種是直接傳動，另一種是間接傳動。

2.3 行走機構

行走機構作為挖掘機的重要支撐，是保證行走任務得以完成的關鍵，大多數礦用挖掘機主要采用的是履帶式。這種行走機構與其他類型的機構具有相同的結構，都是通過挖掘機兩側的液壓馬達來驅動履帶，類似于回轉裝置，可選擇高速大扭矩、低速大扭矩這兩種馬達[2]。

2.4 傳動系統

反鏟挖掘機擁有不同類型的傳動系統，按照挖掘機的主泵或是回路等具體數量，也可按照其功率調節、驅動等方式，可對傳動系統進行分類。定量系統中的執行器只要不發生溢流，液壓油泵可得到固定的流量供給，根據工作壓力的最大值、固定流量可確定出油泵功率；變量系統主要包括分功率變量、全功率變量這兩種。

3 系統仿真實驗研究

3.1 液壓系統的改造

為控制液壓挖掘機總的成本，本課題選取了2臺變量柱塞泵（斜盤式，軸向）。系統中，三位四通換向閥部件起到對挖掘機液壓系統中相關執行元件的選擇和閉合作用。該系統與本次所研究的挖掘機液壓系統基本相同，其區別之處在于該系統中，液壓馬達和鏟桿液壓缸不能同時進行動作[3]，以及鏟斗液壓缸和起重臂液壓缸亦不能同時進行動作。液壓系統中包含了五個獨立泵，且分別由單獨的液壓泵控制四個執行元件，這可以保證該臺液壓挖掘機具備更好的操作性能。該液壓系統能夠有效節省進回油、旁路中的油料，也能有效回收工作機構的勢能和轉臺的制動能。

3.2 液壓元件的參數設定

該液壓挖掘機的主要構件選用的斜盤式軸向柱塞液壓泵的相關參數為：需求功率89.5kW、額定壓力32MPa、最大流量2*214L/min、額定轉速2000r/min、最大排量100cm3/r。該系統中的軸向定量柱塞液壓馬達的相關參數為：額定輸出扭矩450Nm、最大排量90cm3/r、額定壓力32MPa、額定轉速2000r/min。

3.3 動力系統設計

結合實驗選用的發動機（115kW）參數以及前文對液壓挖掘機參數進行匹配的結果，最終將混合動力型挖掘機的發動機額定功率確定為30kW，系統發電機額定功率確定為110hp。

（1）體現挖掘機變頻器性能的參數包括可調頻率范圍、額定功率以及電壓等級。結合液壓挖掘機對超級電容器和發電機的技術要求[4]，選擇可調頻率范圍參數為0-100Hz、額定功率為85kW、電壓等級為600-750V的變頻器。

（2）選用380V電壓等級、1800r/min額定轉速的繞線式三相交流發電機，作為液壓挖掘機的發電機元器件。

（3）將液壓挖掘機發動機定為穩態調速率擇額定轉速neN=1900r/min、穩態調速率？啄eN=1.2，轉矩適應性系數Temax=157Nm，轉速適應性系數？椎eT=7.9%。

（4）超級電容器SOC對挖掘機性能有影響的幾個參數為總、電壓等級以及最大充放電電流。根據實際，在滿負荷轉速2000r/min工作狀態下，發電機所能達到的最大工作電壓約為600V。而該液壓挖掘機發電機是由超級電容器提供電能，因此要求超級電容器的電壓要高于600V，以此確定超級電容器的額定電壓等級為700V，最大充放電電流為300A。根據液壓挖掘機降本增效性能要求，最終將超級電容器容量確定為16F。

4 結束語

本文分析了國內外挖掘機節能技術研究現狀和當今液壓挖掘機存在的主要能量損失，結合液壓挖掘機的工作特性，將發動機、變量泵和負載作為一個動態系統來全面研究其節能問題。論文借鑒先進的模糊控制理論，提出新的挖掘機節能控制方法，并開發出節能模糊控制器。論文建立了系統的發動機、變量泵、閥和缸的數學模型和傳遞函數，并根據試驗和仿真的要求簡化模型，用比例溢流閥模擬 系統負載變化，得到系統試驗的簡化加載模型。

參考文獻

[1]國香恩.液壓挖掘機節能模糊控制系統研究[D].吉林大學，2004.

[2]金立生，趙丁選，丁德勝，等.液壓挖掘機節能參數自適應模糊PID控制器研究[J].農業工程學報，2003，19（6）：87-90.

[3]國香恩，趙丁選，尚濤，等.模糊控制在液壓挖掘機節能中的應用[J].吉林大學學報：工學版，2004，34（2）：217-221.

[4]趙丁選，尚濤，張紅彥，等.液壓挖掘機模糊節能控制策略及實驗研究[J].中國機械工程，2006，17（2）：177-179.

作者簡介：劉志成（1986，09-），男，漢族，內蒙古包頭市，內蒙古科技大學在讀碩士，工業自動化工程師。