论文部分内容阅读
摘要：液压挖掘机作为土方石工程作业中普遍使用的工程机械，它在土方石工程发展中占据着至关重要的地位。液压挖掘机是一种耗能极大的工程设备，液压挖掘机节能控制系统的安全性、有效性、经济性会严重影响工程进程和工程的投入成本。控制好动力系统的能量损耗、保证动力系统的工作效率是当前技术研究需首要解决的问题。在此背景下，本文将重点介绍液压挖掘机功率匹配的节能控制研究，主要从挖掘机的主要功率损失、国内液压挖掘机节能控制技术现状、液压挖掘机的功率匹配节能控制方案研究、液压挖掘机节能控制系统设计建议四个方面展开介绍，以期能够提升液压挖掘机的工作性能以及整个动力系统的经济性和可靠性，最终达到提高效率、节约燃油的目的。
关键词：液压挖掘机；功率匹配；动力系统；节能控制研究
液压挖掘机是当前土方石作业中极为重要的工程机械，对液压挖掘机的节能技术研究是当前一个比较热门的研究趋势。国内目前的液压挖掘机节能技术研究还不够完善，国产挖掘机的研制还存在很大空白。随着全球能源短缺的进一步升级，对液压挖掘机的节能研究更显迫切，其节能性能的好坏直接影响到液压挖掘机的应用前景和土方石工程的发展前途。为此，下面本文将具体来分析，分别从挖掘机的主要功率损失、国内液压挖掘机节能控制采用的技术状况、液压挖掘机的功率匹配节能控制方案研究、液压挖掘机节能控制系统设计建议四个方面展开介绍，以期能够实现对柴油机、液压泵、主阀的综合节能控制，促进液压挖掘机节能技术的发展和成熟。
1.挖掘机的主要功率损失
1.1负载过重导致的安全阀溢流耗能。液压挖掘机本身是一种大规模耗能设备，因工作量巨大而时常存在着过重负载的现象，为了保护液压挖掘机，延长使用寿命，往往会在作业过程中液压油达到设定压力后开启安全阀，保证压力油通过安全阀顺利流回油箱。但是，压力油流回油箱导致系统做了无用功，而且还带来了严重的能量损耗，这就是常说的溢流损失。此外还有重负荷挖掘和回转启动、制动过程中的过载耗能。
1.2微动操作时的功率损失。微动时的能耗主要是指在进行掘削和卸土时所发生的能量损耗。在进行掘削和卸土时往往会进行微动控制操作，以便控制进入执行机构的流量大小。此时为了克服工作负载往往会建立起相应的压力通道，为了克服压力，会有大部分的液压油溢流回油箱，这部分的能耗损失还是非常可观的。
1.3压力管道的沿程损失和局部损失严重。在高压液压油输送至执行机构的过程中存在着很大的局部损失和沿程损失。负责输送液压油的元件主要是管道、管接头、阀口和弯管，在输送的过程中会存在着很大的压力损失，主要是由于管道通径较小、液压管道走向不尽合理、管路弯曲过多、管径突变、管接头较多造成的管道压力较大等引起的。
1.4柴油机与液压泵匹配不恰当造成的损失。柴油机的每一个输出功率都有一个与之相对应的燃油能耗最佳点，如果作业过程中能够将能耗功率控制在这个最佳点附件则会极大的节省耗油总量。但是在实际的工作过程中，由于液压挖掘机的负载变化过大、而且正常工作时的油门基本上是定速的，往往会导致了液压泵的工况并不总是能合理控制在能耗最佳点上，造成严重的能耗损失。
2.国内液压挖掘机节能控制采用的技术状况
2.1引进先进的节能液压系统。节能液压系统在液压挖掘机节能控制系统中占据的地位非常重要，目前国内的液压挖掘机节能控制系统已经大规模引进了国外先进的节能液压系统，主要包括负流量控制、负载传感控制系统两大类。在选择多路阀以及液压泵方面，主要选用的是日本生产的多路阀和液压泵以及德国生产的多路阀及变量泵。
2.2引进国外高性能的柴油机。目前国内市场的工程机械柴油机的发展还较缓慢，并非专门为工程机械匹配而设计，主要是通过车用柴油机的调整办法来满足工程柴油机的需求，但是国内柴油机存在着扭矩储备低、附件消耗功率大、油耗大、做功效率低等情况，在此情况下，绝大部分国内挖掘机厂家主要是进口国外先进的高性能柴油机，例如美国康明斯、日本五十铃、洋马、久保田及英国帕金斯发动机等等，都是与国内挖掘机厂家经济往来密切的合作企业。
2.3发动机与液压系统相匹配。这项技术的节能性还是非常乐观的。为了有效提升液压挖掘机的节能性能，从该项技术入手来研究是非常有效的途径。为此很多工程机械制造商开始投入大量资金和技术力量来研制这项节能新技术，通过发动机与液压泵的电控程序控制，实现功率跟随，并且取得了很好的研究成果。
2.4合资企业和独资企业自主研究节能技术工作的广泛开展。目前很多著名的国内独资或者合资企业，例如小松、卡特、日立、神钢、斗山、现代等等，他们为了将液压挖掘机的节能技术产业化，已经开始了大规模自行研究节能关键技术的进程。通过自主研发先进的液压件和发动机，以及系统匹配的节能控制关键技术。
3.液压挖掘机的功率匹配节能控制方案研究
液压挖掘机功率匹配的节能控制的整体控制方案需要将柴油机与液压泵之间、液压泵与液压系统之间、液压系统与负载部分之间的能量损耗全部考虑在内，只有这样才能达到有效节省能耗的目的。只有找到燃油功率的最经济工作曲线，才能确定液压挖掘机的功率、转速、扭矩等量的最佳值，下面本文将具体来分析。
3.1总体方案设计。整体方案设计的最终控制目标是控制柴油机的整体运行状态与液压泵的输出功率，保障柴油机始终能够在外特性最佳油耗曲线附近工作。具体策略主要从两个方面来设计。首先，改善柴油机与液压泵之间的适应性，根据液压泵的负载信号反馈，通过电控系统调节液压泵功率与柴油机输出功率全功率匹配，减少柴油机转速的波动，在提高工作效率的同时，也节省了能耗；其次，采用电液伺服控制技术，达到准确、快速调节速度的目的并在液压泵与负载环节之间采用阀控液压系统。通过这两个方面的改进，从而达到提升负荷工况下的动力性与燃料经济性的目的，提升液压挖掘机节能性的改进。 3.2工作模式选择。为了适应挖掘机负载变化过于频繁的情况，往往需要引进分工况控制技术，以适应不同的工况和作业要求。分工况控制的具体实施办法主要是依据实际的工作状况选择适用的动力模式，并依据动力模式来科学设置油门位置，然后找到相应的动力模式下的柴油机转速和液压泵控制特性。液压挖掘机的动力模式主要有四大类：重负荷挖掘模式（H模式）、标准作业模式（S模式）、轻载作业模式（F模式）、怠速模式（L模式）。依次与之相对应的发动机油门位置分别是100%、85%、70%和50%。
3.3自动怠速控制。挖掘机作业过程中，短暂停止操作时，发动机自动处于怠速状态以节省燃油。采用自动怠速后，替代了高怠速工况，通过简单计算可知，油耗可下降6.8%。自动怠速是由操纵阀操纵连动控制的，过去操纵阀一操纵发动机就一下子恢复高速，现已采用操纵阀手柄操纵量与发动机恢复转速连动，这样在微动操纵时发动机转速缓慢上升，防止不必要使发动机转速一下子升得过高，可进一步节能。
4.液压挖掘机节能控制系统设计建议
4.1改进液压系统以提高节能效果。对液压系统的改进主要是从液压系统的工作元件以及工作环节进行改进。首先，由定量泵改为变量泵，并采用压力感应恒功率控制装置，来节能耗能；其次，为了提升柴油机的功率利用率，将节流调速转变为容积调速，液压泵输出的油液直接进入执行元件，没有溢流损失和节流损失，且工作压力随负载变化而变化，因此效率高，发热少，可以有效提升柴油机工效，节省能耗；最后，将中心开式系统改为中心闭式系统，并通过负流量或者正流量控制的方式与中心系统配合实现负载传感压力补偿控制，使得液压泵在中位时以低压小流量工作，达到节省能耗的目的。
4.2能量再生和回收利用。在液压挖掘机的作业过程中，位能和动能的损失过大，为此，应当考虑能量的再回收和利用。通过在工作装置中设置再生回路，实现回油再利用，提高了工作装置的作业速度，改善了复合操纵性能和使液压系统的能耗降低，效率提高。
4.3柴油机和液压泵的综合控制。对柴油机和液压泵的综合控制主要是从三个方面来改进。首先是实现二者之间的最佳功率匹配，改变传统液压泵功率小于柴油机功率的利用现状，通过引进转速感应控制装置来充分利用柴油机的工作效率，既提升效率又节省能耗。二是实行分工况控制，通过选用不同的动力模式来决定柴油机油门位置、柴油机转速，找到不同工况的最佳平衡点，节能提速。最后是控制发动机和液压泵在联合工作最高效率点上工作，通过柴油机转速和液压泵的排量来确定工作装置的工作速度，及时改变柴油机转速，使其能够稳定运行在高效率的工况点上，从而提升动力系统的工作性能，实现整个工作系统的经济性和可靠性。
5.结束语
液压挖掘机作为一种重要的工程机械，在现代化施工工程中占据着举足轻重的地位。如今各大企业已与各高校联合，纷纷投入大量资金，对液压挖掘机功率匹配的节能控制技术展开研究。通过上述本文的探讨，笔者主要从挖掘机的主要功率损失、国内液压挖掘机节能控制采用的技术状况、液压挖掘机的功率匹配节能控制方案研究、液压挖掘机节能控制系统设计建议四个方面展开了详尽的介绍，以期能够改善液压挖掘机的节能控制现状，促进液压挖掘机机电一体化节能控制技术的显著发展和进步。
6.参考文献
[1]谢国进.基于ARM的液压挖掘机电子节能控制系统研究[D].南宁：广西大学，2008.
[2]王楠，董萌.四万亿投资成效显现，全球工程机械市场中国一枝独秀[J].工
程机械与维修：2010 （2）： 50.
[3]代晴华，赵志刚，涂晓丹等.挖掘机功率控制系统和方法.中国：101818508A[P]，2010-09-01.
[4]郑可文，王彦章，龚润弘等.一种液压挖掘机功率匹配的方法.中国101761105A[P]， 2010-06-30.
[5]陈欠根，李延伟，郝鹏.液压挖掘机负载自适应全局功率匹配控制系统.工程机械第38卷2007年2月.
关键词：液压挖掘机；功率匹配；动力系统；节能控制研究
液压挖掘机是当前土方石作业中极为重要的工程机械，对液压挖掘机的节能技术研究是当前一个比较热门的研究趋势。国内目前的液压挖掘机节能技术研究还不够完善，国产挖掘机的研制还存在很大空白。随着全球能源短缺的进一步升级，对液压挖掘机的节能研究更显迫切，其节能性能的好坏直接影响到液压挖掘机的应用前景和土方石工程的发展前途。为此，下面本文将具体来分析，分别从挖掘机的主要功率损失、国内液压挖掘机节能控制采用的技术状况、液压挖掘机的功率匹配节能控制方案研究、液压挖掘机节能控制系统设计建议四个方面展开介绍，以期能够实现对柴油机、液压泵、主阀的综合节能控制，促进液压挖掘机节能技术的发展和成熟。
1.挖掘机的主要功率损失
1.1负载过重导致的安全阀溢流耗能。液压挖掘机本身是一种大规模耗能设备，因工作量巨大而时常存在着过重负载的现象，为了保护液压挖掘机，延长使用寿命，往往会在作业过程中液压油达到设定压力后开启安全阀，保证压力油通过安全阀顺利流回油箱。但是，压力油流回油箱导致系统做了无用功，而且还带来了严重的能量损耗，这就是常说的溢流损失。此外还有重负荷挖掘和回转启动、制动过程中的过载耗能。
1.2微动操作时的功率损失。微动时的能耗主要是指在进行掘削和卸土时所发生的能量损耗。在进行掘削和卸土时往往会进行微动控制操作，以便控制进入执行机构的流量大小。此时为了克服工作负载往往会建立起相应的压力通道，为了克服压力，会有大部分的液压油溢流回油箱，这部分的能耗损失还是非常可观的。
1.3压力管道的沿程损失和局部损失严重。在高压液压油输送至执行机构的过程中存在着很大的局部损失和沿程损失。负责输送液压油的元件主要是管道、管接头、阀口和弯管，在输送的过程中会存在着很大的压力损失，主要是由于管道通径较小、液压管道走向不尽合理、管路弯曲过多、管径突变、管接头较多造成的管道压力较大等引起的。
1.4柴油机与液压泵匹配不恰当造成的损失。柴油机的每一个输出功率都有一个与之相对应的燃油能耗最佳点，如果作业过程中能够将能耗功率控制在这个最佳点附件则会极大的节省耗油总量。但是在实际的工作过程中，由于液压挖掘机的负载变化过大、而且正常工作时的油门基本上是定速的，往往会导致了液压泵的工况并不总是能合理控制在能耗最佳点上，造成严重的能耗损失。
2.国内液压挖掘机节能控制采用的技术状况
2.1引进先进的节能液压系统。节能液压系统在液压挖掘机节能控制系统中占据的地位非常重要，目前国内的液压挖掘机节能控制系统已经大规模引进了国外先进的节能液压系统，主要包括负流量控制、负载传感控制系统两大类。在选择多路阀以及液压泵方面，主要选用的是日本生产的多路阀和液压泵以及德国生产的多路阀及变量泵。
2.2引进国外高性能的柴油机。目前国内市场的工程机械柴油机的发展还较缓慢，并非专门为工程机械匹配而设计，主要是通过车用柴油机的调整办法来满足工程柴油机的需求，但是国内柴油机存在着扭矩储备低、附件消耗功率大、油耗大、做功效率低等情况，在此情况下，绝大部分国内挖掘机厂家主要是进口国外先进的高性能柴油机，例如美国康明斯、日本五十铃、洋马、久保田及英国帕金斯发动机等等，都是与国内挖掘机厂家经济往来密切的合作企业。
2.3发动机与液压系统相匹配。这项技术的节能性还是非常乐观的。为了有效提升液压挖掘机的节能性能，从该项技术入手来研究是非常有效的途径。为此很多工程机械制造商开始投入大量资金和技术力量来研制这项节能新技术，通过发动机与液压泵的电控程序控制，实现功率跟随，并且取得了很好的研究成果。
2.4合资企业和独资企业自主研究节能技术工作的广泛开展。目前很多著名的国内独资或者合资企业，例如小松、卡特、日立、神钢、斗山、现代等等，他们为了将液压挖掘机的节能技术产业化，已经开始了大规模自行研究节能关键技术的进程。通过自主研发先进的液压件和发动机，以及系统匹配的节能控制关键技术。
3.液压挖掘机的功率匹配节能控制方案研究
液压挖掘机功率匹配的节能控制的整体控制方案需要将柴油机与液压泵之间、液压泵与液压系统之间、液压系统与负载部分之间的能量损耗全部考虑在内，只有这样才能达到有效节省能耗的目的。只有找到燃油功率的最经济工作曲线，才能确定液压挖掘机的功率、转速、扭矩等量的最佳值，下面本文将具体来分析。
3.1总体方案设计。整体方案设计的最终控制目标是控制柴油机的整体运行状态与液压泵的输出功率，保障柴油机始终能够在外特性最佳油耗曲线附近工作。具体策略主要从两个方面来设计。首先，改善柴油机与液压泵之间的适应性，根据液压泵的负载信号反馈，通过电控系统调节液压泵功率与柴油机输出功率全功率匹配，减少柴油机转速的波动，在提高工作效率的同时，也节省了能耗；其次，采用电液伺服控制技术，达到准确、快速调节速度的目的并在液压泵与负载环节之间采用阀控液压系统。通过这两个方面的改进，从而达到提升负荷工况下的动力性与燃料经济性的目的，提升液压挖掘机节能性的改进。 3.2工作模式选择。为了适应挖掘机负载变化过于频繁的情况，往往需要引进分工况控制技术，以适应不同的工况和作业要求。分工况控制的具体实施办法主要是依据实际的工作状况选择适用的动力模式，并依据动力模式来科学设置油门位置，然后找到相应的动力模式下的柴油机转速和液压泵控制特性。液压挖掘机的动力模式主要有四大类：重负荷挖掘模式（H模式）、标准作业模式（S模式）、轻载作业模式（F模式）、怠速模式（L模式）。依次与之相对应的发动机油门位置分别是100%、85%、70%和50%。
3.3自动怠速控制。挖掘机作业过程中，短暂停止操作时，发动机自动处于怠速状态以节省燃油。采用自动怠速后，替代了高怠速工况，通过简单计算可知，油耗可下降6.8%。自动怠速是由操纵阀操纵连动控制的，过去操纵阀一操纵发动机就一下子恢复高速，现已采用操纵阀手柄操纵量与发动机恢复转速连动，这样在微动操纵时发动机转速缓慢上升，防止不必要使发动机转速一下子升得过高，可进一步节能。
4.液压挖掘机节能控制系统设计建议
4.1改进液压系统以提高节能效果。对液压系统的改进主要是从液压系统的工作元件以及工作环节进行改进。首先，由定量泵改为变量泵，并采用压力感应恒功率控制装置，来节能耗能；其次，为了提升柴油机的功率利用率，将节流调速转变为容积调速，液压泵输出的油液直接进入执行元件，没有溢流损失和节流损失，且工作压力随负载变化而变化，因此效率高，发热少，可以有效提升柴油机工效，节省能耗；最后，将中心开式系统改为中心闭式系统，并通过负流量或者正流量控制的方式与中心系统配合实现负载传感压力补偿控制，使得液压泵在中位时以低压小流量工作，达到节省能耗的目的。
4.2能量再生和回收利用。在液压挖掘机的作业过程中，位能和动能的损失过大，为此，应当考虑能量的再回收和利用。通过在工作装置中设置再生回路，实现回油再利用，提高了工作装置的作业速度，改善了复合操纵性能和使液压系统的能耗降低，效率提高。
4.3柴油机和液压泵的综合控制。对柴油机和液压泵的综合控制主要是从三个方面来改进。首先是实现二者之间的最佳功率匹配，改变传统液压泵功率小于柴油机功率的利用现状，通过引进转速感应控制装置来充分利用柴油机的工作效率，既提升效率又节省能耗。二是实行分工况控制，通过选用不同的动力模式来决定柴油机油门位置、柴油机转速，找到不同工况的最佳平衡点，节能提速。最后是控制发动机和液压泵在联合工作最高效率点上工作，通过柴油机转速和液压泵的排量来确定工作装置的工作速度，及时改变柴油机转速，使其能够稳定运行在高效率的工况点上，从而提升动力系统的工作性能，实现整个工作系统的经济性和可靠性。
5.结束语
液压挖掘机作为一种重要的工程机械，在现代化施工工程中占据着举足轻重的地位。如今各大企业已与各高校联合，纷纷投入大量资金，对液压挖掘机功率匹配的节能控制技术展开研究。通过上述本文的探讨，笔者主要从挖掘机的主要功率损失、国内液压挖掘机节能控制采用的技术状况、液压挖掘机的功率匹配节能控制方案研究、液压挖掘机节能控制系统设计建议四个方面展开了详尽的介绍，以期能够改善液压挖掘机的节能控制现状，促进液压挖掘机机电一体化节能控制技术的显著发展和进步。
6.参考文献
[1]谢国进.基于ARM的液压挖掘机电子节能控制系统研究[D].南宁：广西大学，2008.
[2]王楠，董萌.四万亿投资成效显现，全球工程机械市场中国一枝独秀[J].工
程机械与维修：2010 （2）： 50.
[3]代晴华，赵志刚，涂晓丹等.挖掘机功率控制系统和方法.中国：101818508A[P]，2010-09-01.
[4]郑可文，王彦章，龚润弘等.一种液压挖掘机功率匹配的方法.中国101761105A[P]， 2010-06-30.
[5]陈欠根，李延伟，郝鹏.液压挖掘机负载自适应全局功率匹配控制系统.工程机械第38卷2007年2月.