挖掘機液壓系統節能控制的分析研究

江蘇省交通工程集團有限公司 渠國良

挖掘機液壓系統節能控制的分析研究

江蘇省交通工程集團有限公司 渠國良

本文研究的液壓挖掘機的能量損失分析，通過分析對比兩種基礎不同的節能控制方案從而可知節能的優劣。挖掘機節能技術的應用首先可以提高能源利用率，降低燃料費用；另外也要求發動機工作更高效，最大化發揮其性能。如此以來，開發出挖掘機液村系統的節能控制可更好地實現國產液壓挖掘機的市場競爭力有十分重要的意義。

挖掘機；液壓系統；節能控制；動力

引言

液壓挖掘機系統包括電源系統、液壓系統、傳動系統、行走系統，各系統采用不連續的戰略進行組建，通過改變挖掘機的位置和狀態的調整實現諸如采礦作業、土方開挖等一系列的工程作業。然而該系統具有一些能源消耗和無功功率損失的存在，據此筆者試圖從其能源損耗要點分析，從而提出合理的節能方案，并透過與現有系統對比，進一步提出節能液壓系統的發展趨勢。以期減少液壓挖掘機的能源浪費，為打造綠色、低碳建設出謀獻策。

1.挖掘機的能耗分析

由于大范圍使用挖掘機，據統計全球有65%到70%的土渣經其處理的，這使得挖掘機用途廣泛在各種各樣的工程項目中應用。但由于大挖掘機前期設備質量可移動的能量臂在工作時產生能量損失和損耗內能致液壓機構被轉換成油溫不斷升高，從而使挖掘機運作的效率急劇下降，同時對挖掘機的使用期限產生較大影響，導致挖掘機的燃料消費高，劣質差排尾氣，這已經導致了挖掘機產業的廣泛的重視。

某機械公司作出以下的統計數字對能源利用的液壓挖掘機能量利用公布(見圖1)：大型挖掘機只有20%利用的能源。說明能耗不完全被利用，大部分的能量損失在液壓系統、液壓系統的能源利用率僅約30% 它也是一項重要導致挖掘機低效率的主要原因。

圖1 大型液壓挖掘機能量利用分布

對液壓機構共同的現象的能源消耗分析，主要在以下幾點：

(1) 溢出損耗。挖掘機液壓系統的溢出現象通常是由過載條件引起的。當泵的壓力超過設計壓力的安全閥時，溢出現象會引在液壓系統的薄弱環節滲漏，從而引發損耗。

(2) 沿程損失。即沿油路受阻力所產生的損耗。由于粘滯摩擦對壓力的損失，這是不可避免的，但可以減少，通過設計管道的壓力損失和優化工作；

(3) 匹配的損失。由于負載損耗，在挖掘機的操作作業時迅速頻繁變壓，特別是小裝載，并且在高速下運作的損害更大，通過設計可行的快速反應模型來控制損害，如負載敏感系統；

(4) 動能和潛在勢能損耗。在動能和潛在的能源損失發生在操作挖掘機的臂操作和操作的鏟斗桿的反應、特別是大型挖掘機，由于臂質量過大和較笨重的情況下，并且它的動能和慣性表現是在過大的情況時出現，如此針對這點作好節能的改造措施是十分有意義的。

2.節能方案的提出

多年以來，技術人員為溢出損失存在于液壓機構而大動腦筋，同時對配比的損失和摩擦控制電路和新的組分的損失等都設計很多新型減耗元件，明顯的節能作用得到推廣。分析動態機臂勢能的新的節能計劃。

2.1 系統原理

圖2是一個新節能型液壓回路系統。計劃的能量恢復原理是：當動臂下降無桿腔由電機2，液壓變壓器驅動變量泵3，液壓油流通過單向閥 9 到蓄能器20，液壓缸的液壓油流量20存儲動臂下降勢能。動臂下降速度反過來由液壓泵2，信號控制電機調速，通過控制系統的位移、 控制轉動的速度的液壓泵2，從而達到調節液壓泵2位移的目的。然后控制臂下降的速度。此外，非有桿腔的液壓油流動具有蓄熱式閥26，回有桿腔形成流率再生，達到節約能源的目的。

圖2 新節能方案原理圖

2.2 與現有系統比較

分別建立現有系統的AMESim模型，見下圖3所示：

圖3 現有的液壓系統原理圖

圖4 新舊系統方案節能對比

以上說到的新系統與舊系統的方案中，為作出有價值的對比，現設計基本要求如下：(1)設蓄能器初始壓強和體積都設置為80Mpa和10L。(2)定位馬達和泵的效率設置為0.8，容積為0.85。(3)模擬10s時長，時間步長為0.1s，加載相同的條件后兩者分別對比如圖4所示。

通過模擬對比分析，我們可以看到圖4新舊系統的差異，新系統的運動性能可以滿足的液壓缸運動顯示兩個系統的能耗，同時要求，清楚地看到，新系統節能效果優于現有的系統。雖然速度控制并無多大改進，便節能效果是很明顯的。此外，新系統使用能量恢復環路控制速度的移動的手臂，以避免油門閥可以調整移動的手臂，可以導致油溫急劇升高，上漲的速度的現象。液壓元件的使用壽命，提升效率。

新的系統提出的基礎上使現有的流量再生循環，在原挖掘機上增加了能量回收電路板，通過對這種系統的數學建模和模擬AMESim 的分析和仿真結果與原來電路對比，新的電路板能源的利用率增加了15% 比原來的系統有良好的節能效果。

3.液壓節能技術的發展趨勢

伴隨之機械業發展，大量數字技術集成到液壓系統的節能技術和軟件技術當中，液壓系統的節能技術的方向發展，節能、高性能、高穩定、高效率越加受到重視，發展形勢的液壓系統的節能技術在國內和國外趨勢如下：

(1)開發新的混合動力系統已廣泛應用挖掘機，如：電力驅動混合動力。

(2)高精度控制注入新的液壓系統,減少液壓元件的液壓油泄漏,提高組件的使用壽命。

(3)改善傳統的液壓系統與電氣控制技術相結合，減少節流損失,避免溢流損失和損失范圍的壓力。

(4)采用更先進的控制方法，提高控制精度。

(5)電源輸出功率控制更智能，和電源的輸出功率和工作條件是由電子控制系統控制的最佳匹配。

(6)提高液壓油的清潔能力和冷卻液壓油的溫度。

(7)采用新材料降低前端工作設備帶來的重力勢能，減少能源消耗程度。

4.結論

分析液壓機構的可能的能源消耗，分別從液壓元件和國內外先進的節能技術作研究，瞄準能源消耗問題，根據現有的技術關于節能技術開發方向，以很大數量的計算機元素的綜合化到挖掘機的節能技術里，使效率技術不僅現在達到了能量守恒的目的。更多關注給予改進液壓機構的整體表現。

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