液壓挖掘機節能問題淺析

羅斐 蔡焱苗

摘要：液壓挖掘機在礦山開采、建筑、交通領域都有廣泛的應用，這種機械的特征表現為適用性強，操作方便，因而在工程建設中有重要的應用價值。本文通過分析國內外液壓挖掘機發展情況及趨勢，探討液壓挖掘機能量損失的主要表現形式是功率，為達到節能的目的，本文分析使用動態模型預測控制技術提高燃油經濟性，為提高液壓挖掘機的工作效率提供了相應的參考依據。

關鍵詞：液壓挖掘機;節能;功率;動態模型預測

中圖分類號：TU621? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0040-02

0? 引言

經濟繁榮的背后，需要消耗大量的能源，從而導致環境高度污染，以致全球出現能源危機、溫室效應、甚至是冰川融化等自然問題。2016年12月，發改委、能源局闡述了“十三五”時期我國能源發展的總體藍圖和行動綱領，明確提出“能源攸關國計民生和國家家未來發展目標”。“十三五”對我國實現小康社會目標有重要意義，也是加大能源改革和替代水平的重要決定階段。在未來能源發展領域，應該大力推進清潔能源，建設現代能源體系：提高能源利用水平。為順應這種發展趨勢，自上世紀80年代以來，工程機械將“高效、節能、操作舒適、安全、可靠”作為其主要追求目標。為更好的滿足挖掘機效率相關要求，很多工程機械廠加大研究力度，開發出很多液壓系統元器件和節能技術，而使得挖掘機的能源利用效率顯著改善。相繼誕生了全液壓式、電液比例控制系統、整機集成控制系統。90年代中期及以前，挖掘機液壓系統為全液壓控制方式，基于液壓信號來控制變量泵;其后的發展過程中電液控制系統開始出現，其特點是結構緊湊、調整方便、成本低廉，同時在整機節能控制方面具有更好的優勢，因此一經推出，發展速度很快。節能控制效果產生了質的提升。一直以來，核心技術也被國外幾個大公司所壟斷，如德國力士樂公司、日本川崎精工、美國派克公司等。目前最常用的為整機集成控制系統。這種系統的組成單元主要包括柴油機控制系統（控制裝置含自動怠速控制裝置、電子功率優化控制系統、電子噴射控制系統等）、液壓泵流量控制系統、執行元件控制系統、功率匹配控制系統等。在實際的運行過程中這種系統可以對液壓系統和柴油機狀態信息通過傳感器進行檢測，如采集壓力、轉速相關的信息，基于這些信息來控制挖掘機動力系統狀態，從而有效的提升系統的運行效率，降低少液壓系統功率損失，匹配功率，使得柴油機的工作強度保持在較低水平，從而滿足可靠性要求。

為提升整機節能控制效果，國內很多高校和科研單位從不同角度進行研究。如張謙、宋又廉等開發出一種節能控制系統，在運行過程中主要是依據負載對液壓泵的參數進行調節，從而提高運行效率。浙江大學高峰等學者在挖掘機控制過程中，引入了流量控制、壓力切斷控制相關技術，且根據控制要求和反饋信息而提出變參數壓力切斷控制模式。在實際的運行過程中可適當的改變壓力切斷值，而降低挖掘機的工作強度和回轉功率損失。浙大和玉柴合作研發出的液壓挖掘機功能強大，在運行過程中可實現節能控制，故障報警相關功能，且顯示出系統的狀態信息。這些技術對降低液壓挖掘機的油耗有重要的意義，不過受到挖掘機負載的特點因素制約和影響，應該引入新的功率匹配技術模式。

1? 液壓挖掘機的能量損失分析

我國已成為掘進裝備需求大國，功率動態匹配不合理是工程機械燃油經濟性不高的重要原因，發展節能降耗技術已迫在眉睫。

液壓挖掘機屬于一種重要的工程機械組成系統，在運行過程中其表現出復雜性和多變性特征，且在匹配中損失很多。且統計結果也發現其能源利用率一般低于30%，這也使得液壓挖掘機工作效率偏低。其能量損耗表現在以下幾方面。第一：發動機與油泵功率不匹配而造成能量損失。在發動機與油泵聯合工作時，由于液壓挖掘機工作工況種類復雜多變，工作具有非線性特性，因此發動機工作常處于耗油率高的情況，造成了能量耗損。第二：沿程功率損失。當液壓油通過管道及接口處時產生的沿程損失，這種損失是難以避免的，同時在液壓系統中由于沿程壓力所產生的功率損失也是造成功率利用率低下的原因之一。第三：液壓挖掘機動臂及斗桿在下降過程中的能量損失。動臂及斗桿在上升過程中將機械能轉化為勢能，在下降過程中為了防止其因重力因素而下降過快，通常在動臂和斗桿油路上裝單項節流閥，將勢能轉化為熱能。第四：節流損失。一方面當液壓挖掘機進行精細作業時，機械無法實時通過負載控制閥門，導致液壓油在通過控制閥門時產生節流損失，另一方面在液壓挖掘機對流量進行調節的過程中，大量液壓油以旁路節流的形式由中位回箱造成功率損失。第五：溢流損失。當液壓系統需要吸收的流量小于泵的輸出流量時，多余的液壓油則通過溢流閥回到油箱，導致功率利用率下降。回轉機構啟、制動過程中因巨大的轉動慣量使液壓泵繼續工作，因此排出的液壓油經過溢流閥回轉到液壓泵的另一邊，將動能轉化為液壓系統熱能耗散，因此，在挖掘機處于重負荷挖掘及回轉作業時，由于溢流產生的能量損失十分可觀。

2? 提高燃油經濟性的動態模型預測節能控制方式分析

考慮到可持續性發展的環境影響和不可再生能源的形勢，同時為提高液壓挖掘機在世界市場上的競爭力，各國都將節能控制作為重要的研究課題。

節能環保是世界發展的主題，以液壓挖掘機為代表的工程機械的燃油經濟性差，因而在未來發展中很有必要加大節能降耗研究和開發力度。挖掘機的負荷變化頻繁、變化范圍大。相關研究發現挖掘機的燃油經濟性影響因素主要為發動機偏離引發出對應的匹配損失，此外液壓傳動系統效率的影響也很明顯。挖掘機在運行期間，相應的發動機工作點存在復雜的變化，且工作負荷大幅度增加情況下，轉速會降低。而在發動機轉速低于一定閾值條件下，其輸出功率和負荷保持平衡。這種情況下工作點和最佳點并不重合，使得運行效率不高。這種設備的發動機在運行過程中需要長時間保持不經濟狀態，因而也影響了其總體系統水平，在研究過程中需要對此予以重視，而適當的改進和優化。

隨著計算機技術、液壓技術、傳感器等技術的迅速發展和廣泛應用，液壓挖掘機中也開始引入電子控制變量泵技術，且結合發動機控制技術而獲得良好的節能效果。下框圖16顯示出對應的整機節能控制系統組成結構情況。具體分析可知對此系統而言，節能控制過程中，主要是基于轉速、油門、作業負荷相關的信息對目標功率進行計算，且據此確保發動機的實際運行功率和目標功率保持一致，從而更好的滿足動力性和經濟性各方面要求。但由于作業負荷的時變性和非線性，經典的PID和模糊控制技術在應用過程中也存在明顯的局限，如無法確定出實時反饋信息，這對控制效果實現產生一定抑制作用。在負荷大幅度改變情況下，相應的發動機轉速無法保持在最佳運行區，而導致出現一定的經濟性能降低問題。

模型預測控制技術以智能預測控制算法為基礎，且引入反饋和多步滾動優化結合模式。根據實際的應用結果表明，這種控制模式可有效地處理液壓機非線性、遲滯相關問題，使得整個控制系統具有良好的抗變換性和穩定性。模型預測控制算法的精髓在于通過預測模型實時預估控制效果，只要保證預測模型與被控對象之間的對應關系不出現大的偏差，即可以獲得很好的控制品質，目前模型預測控制技術在多變量復雜系統中深受關注并廣泛應用。以動態預測液壓挖掘機負荷功率為目標，建立一個與被控對象（由電液執行機構、變量泵和整機組成的多變量藕合系統）相對應的預測模型，結合整機節能控制策略而進行變量泵聯合控制，理論上可以極大改善液壓挖掘機的控制品質。

3? 結束語

為了降低液壓挖掘機能量損耗，最初設計為液壓控制的集成化、規模化。它降低了生產成本，減少了系統占用空間，減少了能源損失，方便了機械的維修。后來改進為電液比例控制智能化。通過電信號傳遞液壓參數，一方面加快了系統的響應速度，另一方面，智能化的發展使得計算機能夠自動監控機械的各個運行參數，使液壓挖掘機運行情況處于高效節能狀態，且可以更方便的進行動力控制，提高其運行性能。而整機節能技術則是以后的主要發展趨勢之一。我省是國家三大工程機械產業集群之一，我省的先進礦山裝備產業集群是國家首批試點的創新型產業集群，未來發展整機節能技術具有重要的經濟意義和社會意義。

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