液壓挖掘機(jī)動力系統(tǒng)功率匹配及其節(jié)能控制措施

摘? 要：液壓挖掘機(jī)由于其獨(dú)特的優(yōu)勢，在工程中獲得廣泛應(yīng)用，但液壓挖掘機(jī)能耗巨大，如果控制不當(dāng)，就會直接導(dǎo)致液壓挖掘機(jī)應(yīng)用成本的提高，因此需要認(rèn)真做好功率匹配和節(jié)能控制工作?；诖?，本文對液壓挖掘機(jī)動力系統(tǒng)功率匹配及其節(jié)能控制措施進(jìn)行探討，以期進(jìn)一步推動我國工程事業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

關(guān)鍵詞：液壓挖掘機(jī);動力系統(tǒng);功率匹配

中圖分類號：U270.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2020）07-0000-00

0前言

液壓挖掘機(jī)在土方作業(yè)中有著非常重要的應(yīng)用，因此在其節(jié)能技術(shù)的研究中投入了大量人力、物力及財力。當(dāng)前，我國液壓挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)相對落后，甚至部分領(lǐng)域處于空白狀態(tài)。隨著全球能源形勢的不斷緊張，其節(jié)能性能的好壞對液壓挖掘應(yīng)用前景和土方工程發(fā)展前景有著直接影響。為此，有必要對挖掘機(jī)的功率損失、節(jié)能控制進(jìn)行研究，以期對我國挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展起到推動作用。

1挖掘機(jī)的主要功率損失

挖掘機(jī)液壓傳動緊密聯(lián)系在一起，其發(fā)展主要以液壓技術(shù)的應(yīng)用為基礎(chǔ)。其結(jié)構(gòu)主要是由發(fā)動機(jī)、液壓系統(tǒng)、工作裝置、行走裝置和電氣控制等部分組成，由于挖掘機(jī)的工作條件惡劣，要求實現(xiàn)的動作復(fù)雜，于是對液壓系統(tǒng)的設(shè)計提出了更高要求。因此，對挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的分析設(shè)計已成為推動挖掘機(jī)發(fā)展的重要一環(huán)。單斗液壓挖拓機(jī)作為一種周期作業(yè)的機(jī)械設(shè)備，其由工作裝置、回轉(zhuǎn)裝置和行走裝置三部分組成。工作裝置包括動有動臂、斗桿以及根據(jù)工作需要可更換的各種換裝設(shè)備，如正鏟、反鏟、裝載斗和抓斗等[1]。

研究發(fā)現(xiàn)負(fù)載過重會直接導(dǎo)致安全閥溢流耗能情況。液壓挖掘機(jī)屬于一種大型的耗能設(shè)備，設(shè)備運(yùn)行能耗相對較大。為了保證挖掘機(jī)的使用壽命，需要液壓油在到達(dá)設(shè)定壓力之后開啟安全閥，讓壓力油順利流回到油箱當(dāng)中。在液壓油流回油箱的過程中，會做大量的無用功，因此能耗損失情況比較嚴(yán)重，這就是溢流損失問題。

微動操作的功率損失。微動耗能主要是指挖掘機(jī)作業(yè)過程中的耗能。在挖掘機(jī)挖掘作業(yè)過程中，進(jìn)行微動操作。這時，為了克服工作負(fù)載，就會建立相應(yīng)的壓力通道，大部分液壓油會溢流會油箱當(dāng)中，這部分的能耗損失也是比較嚴(yán)重的[2]。

壓力管道的沿程損失和局部損失。在高壓液壓油流動過程中，會直接導(dǎo)致局部損失和沿程損失。在液壓油回路當(dāng)中，包含大量的管道、接頭、閥口，其都會導(dǎo)致壓力損失情況。此外，如果液壓管道走向不合理，也會直接導(dǎo)致管道壓力過大情況的發(fā)生。

柴油機(jī)與液壓泵匹配導(dǎo)致壓力損失。柴油機(jī)在實際運(yùn)行過程中，都有一個最佳輸出功率匹配點(diǎn)，如果作業(yè)能耗功率不能控制在最佳點(diǎn)附近，就會導(dǎo)致液壓系統(tǒng)的能耗增大。在挖掘機(jī)實際運(yùn)行過程中，挖掘機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷往往變化比較大，如果油門穩(wěn)定在定速上，就會導(dǎo)致液壓泵的工況不能控制在最佳能耗點(diǎn)上，造成挖掘機(jī)的能耗相對較大等問題。

2挖掘機(jī)節(jié)能控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

采用更加先進(jìn)的節(jié)能液壓系統(tǒng)。當(dāng)前，節(jié)能液壓技術(shù)發(fā)展取得了非常大的進(jìn)步。國內(nèi)的液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)，很多都是在國外先進(jìn)液壓節(jié)能技術(shù)上發(fā)展起來的，其主要包括負(fù)流量控制、負(fù)載傳感控制系統(tǒng)等。在選擇多路閥以及液壓泵方面，通常采用的是日本生產(chǎn)的多路閥和變量泵。

采用國外生產(chǎn)的高性能柴油機(jī)。目前，我國柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展相對緩慢，且并不是為工程機(jī)械特制的，需要通過調(diào)整的方法來滿足工程柴油機(jī)的應(yīng)用需求。國內(nèi)生產(chǎn)的柴油機(jī)在實際使用過程中，經(jīng)常會存在扭矩儲備低、附件消耗功率大、油耗高等問題。為了保證工程機(jī)械的運(yùn)行效果，很多工程柴油機(jī)需要進(jìn)口，如美國的康明斯、日本五十鈴、洋馬等。

發(fā)動機(jī)與液壓系統(tǒng)的匹配。該技術(shù)的發(fā)展前景比較樂觀。為了保證液壓挖掘機(jī)的節(jié)能效果，需要對該項技術(shù)進(jìn)行深入研究。很多工程機(jī)械制造商在工程機(jī)械研發(fā)過程中，投入大量人力和物力，通過發(fā)動機(jī)和液壓泵電控程序來進(jìn)行控制，能夠?qū)崟r對柴油機(jī)運(yùn)行功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此實際應(yīng)用效果比較突出。

合資企業(yè)和獨(dú)資企業(yè)在節(jié)能技術(shù)研究中合作越來越密切。當(dāng)前很多國內(nèi)著名的獨(dú)資或者合資企業(yè)，在液壓挖掘機(jī)的研發(fā)過程中，投入了非常大的力量，并在相關(guān)節(jié)能技術(shù)的研究中取得了一定成果。

3 液壓挖掘機(jī)功率匹配節(jié)能控制方案

想要液壓挖掘機(jī)功率匹配和節(jié)能控制有良好的效果，就需要將柴油機(jī)與液壓泵之間、液壓泵與液壓系統(tǒng)之間、液壓系統(tǒng)與負(fù)載之間的能耗損失全部考慮在內(nèi)，這樣才能保證液壓系統(tǒng)的節(jié)能效果。只有找到最佳的燃油經(jīng)濟(jì)工作曲線，才能合理確定液壓挖掘機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩等的最佳值。

工程方案設(shè)計。通過設(shè)計技術(shù)方案，能將柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)液壓泵的輸出功率控制在比較合理的范圍內(nèi)，讓柴油機(jī)運(yùn)行在最佳特性曲線附近。為了有效改善柴油機(jī)與液壓泵之間的適應(yīng)性，需要根據(jù)液壓泵信號的反饋，直接通過電控系統(tǒng)來調(diào)節(jié)液壓泵的輸入功率，保證柴油機(jī)輸出功率的匹配效果，減少柴油機(jī)運(yùn)行波動，在提升其運(yùn)行效率的同時，還能有效降低其運(yùn)行能耗。此外，通過對電液伺服技術(shù)的應(yīng)用，可以準(zhǔn)確、快速調(diào)節(jié)液壓泵與負(fù)載環(huán)節(jié)之間的閥控制液壓系統(tǒng)。通過這兩個措施，可以進(jìn)一步提升其負(fù)荷工況下的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，保證液壓挖掘機(jī)的節(jié)能效果。

認(rèn)真做好工作模式的選擇。為了有效適應(yīng)挖掘機(jī)負(fù)載變動過于頻繁的情況，需要根據(jù)挖掘機(jī)實際運(yùn)行工況，合理對油門位置進(jìn)行選擇，然后找到相應(yīng)動力模式下的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和液壓泵控制特性。液壓挖掘機(jī)的動力模式主要包括重負(fù)荷挖掘模式、標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)模式、輕載作業(yè)模式、怠速模式等。

4液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計建議

改進(jìn)液壓系統(tǒng)，提升其節(jié)能效果。在挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)改進(jìn)過程中，應(yīng)該從液壓系統(tǒng)工作元件和工作環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)。首先，應(yīng)該盡量使用變量泵，并采用壓力感應(yīng)的恒功率控制裝置，從而起到有效的節(jié)能效果。為了提升柴油機(jī)功率利用率，就應(yīng)該將節(jié)流調(diào)速變?yōu)槿莘e調(diào)速，盡量減少溢流損失和節(jié)流損失，實現(xiàn)對壓力的實時調(diào)整，保證液壓系統(tǒng)的工作效率，降低系統(tǒng)能耗。最后，還可以采用開式系統(tǒng)，通過負(fù)流量或者正流量控制的方式與中心系統(tǒng)配合從而對負(fù)載傳感壓力進(jìn)行有效補(bǔ)償，從而達(dá)到節(jié)省能耗的作用。

能量再生和回收利用。在液壓挖掘機(jī)作業(yè)過程中，動能的損失往往比較嚴(yán)重，可以通過能量回收系統(tǒng)對這些動能進(jìn)行利用。通過合理設(shè)置再生回路，對回油進(jìn)行高效利用，保證工作裝置的作業(yè)速度，改善其操縱性能和液壓系統(tǒng)的能耗，提升設(shè)備運(yùn)行效率。

柴油機(jī)和液壓泵的綜合控制。在柴油機(jī)的綜合控制過程中，需要采用三個方面的控制措施。首先，應(yīng)該實現(xiàn)二者之間的最佳功率匹配，保證柴油機(jī)的功率利用率，通過使用轉(zhuǎn)速感應(yīng)裝置來充分發(fā)揮柴油機(jī)的運(yùn)行效率，降低其運(yùn)行能耗。此外，可以根據(jù)挖掘機(jī)運(yùn)行工況，合理對動力模式進(jìn)行選擇，將柴油機(jī)的油門位置、運(yùn)行轉(zhuǎn)速控制在最佳狀態(tài)。通過將發(fā)動機(jī)和液壓泵聯(lián)合工作在最高效率點(diǎn)上，保證動力系統(tǒng)的工作性能，提升系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

5結(jié)語

隨著時代的發(fā)展，對液壓挖掘機(jī)的使用提出了更高要求。為了進(jìn)一步保證液壓挖掘機(jī)的運(yùn)行效果，需要認(rèn)真做好挖掘機(jī)的功率匹配和節(jié)能控制工作，將其運(yùn)行能耗控制在合理的范圍之內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

[1]蒙文德，王揚(yáng)敬，郭福力，等.基于轉(zhuǎn)速控制的液壓挖掘機(jī)全局功率匹配方案[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2018（2）：22-23.

[2]陳鵬飛.液壓挖掘機(jī)功率匹配與效率控制技術(shù)研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2016（7）：33-34.

收稿日期：2020-06-06

作者簡介：王龍（1985—），男，山東臨沂人，本科，工程師，研究方向：整機(jī)及液壓系統(tǒng)。

Hydraulic Excavator Power System Power Matching and Its Energy-saving Control Measures

WANG Long

（Strong Construction Machinery Co.， Ltd.，Linyi Shandong? 276000）

Abstract：Hydraulic excavators are widely used in engineering due to their unique advantages. However， hydraulic excavators consume huge amounts of energy. Improper control will directly increase the application cost of hydraulic excavators. Therefore， it is necessary to carefully do power matching and energy-saving control work . Based on this， this article discusses the power matching of the hydraulic excavator power system and its energy-saving control measures， in order to further promote the high-quality development of my country's engineering industry.

Keywords：hydraulic excavator; power system; power matching