挖掘機節能液壓控制系統分析與應用研究

張佳楠

（山東省濟寧邁斯伯爾機械股份有限公司，山東 濟寧 272100）

隨著國民經濟的繁榮發展，國內的挖掘機市場持續擴大。挖掘機運行的環境比較復雜且持續運行，運行時所承擔壓力的變化較大。一般情況下，平均外部負荷僅有最高負荷的50%～60%，但使用率僅有總使用率的30%左右。如果發動機的傳遞功率較高，而液壓泵不能徹底吸收發動機傳出的功率，或是液壓不佳產生故障引起漏油現象時，均會降低挖掘機功率。另外，液壓結構節流調整、回轉部件或是鏟斗等設備運行時，均會損失功率。所以，節能控制措施在挖掘機運用中起到了顯著作用。

1 挖掘機液壓結構的能耗介紹

（1）機械耗能。挖掘機屬于大功率機械，其機械耗能源自摩擦與相對運轉，是無法避免的能量消耗。挖掘機液壓結構運行中，摩擦消耗主要出現在頻繁摩擦的部位，如液壓缸活塞。運行過程，該部位通常會出現很大的能量消耗，易出現升溫發熱等情況，要用冷卻系統立即降溫處理。若挖掘機長時間運行，其作業強度將不斷增大，該種情況下發動機需要立即提速。若柴油機摩擦耗損太高，會造成挖掘機長時間處在超載狀態，若長期如此，容易降低挖掘機壽命周期。

（2）泵能量消耗。液壓泵通常能視為液壓系統的關鍵構成部分，該機械的能耗起因是泄露引起的容積損失、泵中液體流動造成的耗損，這樣極大地阻礙了泵設備作用的充分發揮，不能保障泵能量的有效轉變。另外，液壓泵能量轉變過程也極可能出現增溫情況，這些熱量通常不能實現二次使用，也是能耗的范圍。

（3）管道壓降引起的能耗。液壓系統中管道設計缺少統一借鑒標準，其走勢、分布等可能有不合理的現象，閥門、管道沿途等都會出現壓力消耗，這是造成主泵負載加大的重要原因，而強化各項要素的分析是防止發動機功率消耗的重要途徑。

2 液壓系統降耗控制對策

（1）分工況管理。挖掘機通常在繁瑣多變的條件下運行的，而且挖掘效果與本地地質環境密切相關。所以，為保障挖掘機有效適應運行環境，需要全面執行分工況管控體制。兼顧到不同的運行條件，挖掘機中動力模式能分成：降耗、重載、輕載3 類。以上3 種運行模式相應的功能配置通常是指定功率的86%、100%、60%。挖掘機運行過程，柴油機通常采取固定扭矩，完成傳輸功率的調整，且在挖掘機使用中采取分工況法來管控，通過3 種模式確保發動機功率最高。

（2）發動機—泵功率相搭配。挖掘機運行中，液壓系統運轉時其能量傳輸依次通過發動機、液壓器、負載來完成。所以能量傳送中，液壓泵與發動機的功率要相搭配，這樣方可提升液壓系統的使用率，并提升該模塊的穩定性。如果挖掘機液壓結構負載迅速增大，相關變量泵的扭矩就會隨之上升，扭矩影響大發動機運速下降。為保證發動機運速符合預期標準，要求及時管理變量泵流量，最后發動機運速回歸穩定范圍之內。由此得知，發動機-泵功率相搭配作用中比較重要的部分是，根據發動機當前轉速變化情況調節變量泵流量，確保發動機的運速在預期范疇內，其是保障液壓系統運行效率的重要部分。

挖掘機運行中，要根據實際環境選擇與調整動力模式。若挖掘機空載，則控制器應根據空載轉速相應的目標移動、油門拉桿數據差值等來確定，在PWM 指令下油門發動機發揮作用。待油門拉桿運行到預期部位后，發動機運速會隨之出現變化。若挖掘機在運行過程其負載出現改變，控制器將根據運速、運速差值作用下出現的電流信號來處理，進而調整與控制扭矩開關大小，并立即調整變量泵流量，達到發動機、液壓器功率相搭配的目的，進而促使挖掘機發動機運速在標準的運行范圍內，提升整個機械的可靠性、科學性。挖掘機節能減排控制系統如圖1 所示。

圖1 挖掘機節能減排控制系統

（3）液壓泵管理。挖掘機液壓減排系統管理的重要部分就是液壓泵，為確保挖掘機運行的可靠性、科學性，首先要優化與管理液壓泵性能，盡可能選用性能較好的設備，并及時做好檢修工作。實際控制過程，能通過液壓泵流量的修改達到減排的目的，其控制手段通常包含負流量管理、正流量管理、負荷管控等，其中，極限負荷管理是當前使用效果最佳的方式。極限負荷管理的目的是協調好挖掘機液壓結構內液壓泵功耗，確保發動機在指定功率范圍內運行，減少發動機超負荷運行引起的故障，這對科學管理發動機功率有一定的保障作用。另外，該控制手段還能及時調整發動機的負荷，進而達到提升發動機效率的目標。

3 挖掘機減排液壓控制結構的硬件及軟件規劃

3.1 硬件規劃

挖掘機減排液壓系統包括兩個部分，即硬件系統與軟件系統。前者主要由顯示屏、控制器、直線機組、繼電設備、油門旋鈕、扭矩開關、轉速傳感器等構成一個相互聯系的總體。操作者能夠按照實際工況，利用顯示屏選取挖掘機形式，并將篩選信息傳遞給控制器。如果挖掘機處于空載狀態下，則控制器將通過操控直線機組，把油門旋鈕調整到空載部位，令發動機轉速處于空載狀態的轉速上。如果挖掘機處于負載狀態下，顯示屏把篩選的動力模式輸送給控制器，其通過操控直線機組，把油門旋鈕調整至適當位置，而且還會調整扭矩開關的大小，并調整變量泵的吸取扭矩，從而令發動機轉速處于相關動力形式的轉速上。如果液壓系統產生問題，則軟件系統將會將故障信號傳送至顯示屏上，提示操作者。

3.2 軟件規劃

（1）主程序。在整個系統內，主程序軟件選擇模塊化編程（圖2）。參量初始化模塊的根本作用是起到E2-PROM中參量的讀取與參量掉電的保存功能。CAN 通訊模塊的重要作用在于對顯示屏及控制器實現有效的連接與信息通訊。而這個信息通訊包括兩個方向：其一，控制器朝顯示屏傳遞整車狀態數據的CAN 傳輸模塊；其二，顯示屏向控制器輸送調整動力模式信號等之內的CAN 接收模塊。當顯示屏傳輸的動力模式讓控制器接收后，將會調整當下的模式。油門操控模塊的根本作用是設施空油門旋鈕，但針對功能匹配系統來講，這個模塊的作用是保障發動機—泵功能得到有效匹配。

圖2 軟件系統主程序結構圖

（2）油門操控模塊。這種模塊首先按照油門旋鈕的部位及動力模式對相關檔位的空載設置轉速來確定，再按照油門拉桿部位及發動機空載設置的對應關聯，對空載設置轉速和相關直線機組目標移動值加以確定。在運行環節，控制器將按照目前直線機組的實際移動值和目標移動值之差，采取PID 控制算法驅動直線機組的轉動，進而有效地管控發動機的運速。

4 節能模型虛擬與評估

通過上述分析得知，挖掘機液壓結構經軟件系統操控硬件設備實現穩定運行，且發動機功率影響著變量泵排量的改變。所以，在虛擬創模時，由此為依據來創模，建立多路閥與變量泵模型，通過油電混合驅動系統產生動力，加入發動機與減速機模型，并融進挖掘機機械臂動力回收結構模型。

經對該虛擬模式在模擬具體工況下的運轉結果展開分析獲得結果，變量泵排量比極大地影響減排液壓系統運行的可靠性及效率，同時，變量泵排量比能夠作為一個關鍵的控制產量。當外部負載改變時，基于變量泵排量比來調整，保證發動機運速，提升降耗液壓系統運行效率，減少油耗，最后達到節能目的。虛擬測試也找出了很多問題，如元件磨壞、計算偏差、設備偏差等，但均在運行早期得到了調整，令系統運轉貼合實際狀況，實現預計目標。

5 結語

挖掘機低碳液壓控制在各種運行環境及不同種類運行階段，要選取恰當的運行模式。應用挖掘機時，變量泵的吸取功率、模式篩選、匹配程度、運行時間和運行負荷等，均會直接干擾挖掘機的利用率。所以，針對不同的運行環境，要按照工況選取適宜的模式運行，方可低碳控制系統，實現低消耗、高效率的要求。