挖掘機(jī)節(jié)能液壓控制系統(tǒng)分析與應(yīng)用

曾紹平

（江西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南昌 330095）

挖掘機(jī)節(jié)能液壓控制系統(tǒng)分析與應(yīng)用

曾紹平

（江西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南昌 330095）

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，挖掘機(jī)市場(chǎng)變得越來越大，但是挖掘機(jī)節(jié)能液壓控制系統(tǒng)的有效利用卻并不十分理想，從而造成能源浪費(fèi)。本文通過對(duì)挖掘機(jī)的深入了解和分析，對(duì)挖掘機(jī)節(jié)能液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行探索，從而有效降低挖掘機(jī)燃油的消耗和使用成本。

挖掘機(jī) 節(jié)能液壓控制系統(tǒng) 使用效率

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)的挖掘機(jī)市場(chǎng)越來越大。挖掘機(jī)工作的環(huán)境具有復(fù)雜性和長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)的特點(diǎn)，作業(yè)時(shí)所承擔(dān)負(fù)荷的變化非常大。通常，平均外在負(fù)荷只有最大負(fù)荷的50%～60%，但利用率只達(dá)到總利用率的30%左右。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率過高時(shí)，而液壓泵無法將發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率完全吸收，或者液壓元件出現(xiàn)故障導(dǎo)致漏油時(shí)，都會(huì)損失挖掘機(jī)功率。此外，液壓系統(tǒng)節(jié)流調(diào)節(jié)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)或者鏟斗等機(jī)械裝置工作時(shí)，都會(huì)或多或少地出現(xiàn)功率損失。因此，節(jié)能控制技術(shù)在挖掘機(jī)應(yīng)用過程中有著非常重要的作用。

1 液壓系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 分工況控制

挖掘機(jī)的工作過程和環(huán)境比較復(fù)雜，在挖掘過程中，土質(zhì)也有一定區(qū)別。因此，為了使挖掘機(jī)能夠更好地適應(yīng)各種各樣的工作環(huán)境，系統(tǒng)應(yīng)該進(jìn)行分工況控制。根據(jù)挖掘機(jī)工作環(huán)境的差異，大致上可以將挖掘機(jī)的動(dòng)力模式分為三種，分別為節(jié)能模式、重載模式以及輕載模式。這三種模式在使用過程中的功率分配情況一般分別為發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率的85%、100%以及60%。挖掘機(jī)中的柴油機(jī)通常是恒扭矩調(diào)節(jié)，輸出轉(zhuǎn)速的變化直接影響輸出的功率，因此在挖掘機(jī)實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)該分工況控制，采用三種不同的動(dòng)力模式，以此來保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的最大功率。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)-泵功率匹配

挖掘機(jī)工作時(shí)，液壓控制的能量傳遞通過發(fā)動(dòng)機(jī)—液壓泵—負(fù)載來完成。能量在傳遞的過程中，液壓泵的功率與發(fā)動(dòng)機(jī)的功率是否匹配直接影響液壓系統(tǒng)功率的利用率，同時(shí)也影響液壓系統(tǒng)在工作中的平穩(wěn)性。當(dāng)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的負(fù)載增大時(shí)，變量泵吸收扭矩也會(huì)隨之增大，而變量泵吸收扭矩的增大會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速減小。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，需要將變量泵的排量減小，從而使得變量泵的吸收扭矩隨之減小，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速返回到原本范圍。反之，當(dāng)負(fù)載減小時(shí)，需要經(jīng)變量泵的排量增大。也就是說，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化直接決定著變量泵的排量變化。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)—泵功率匹配控制的關(guān)鍵是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速的變化對(duì)變量泵的排量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)，以提高液壓控制系統(tǒng)的工作效率。

挖掘機(jī)工作的過程中，應(yīng)該根據(jù)實(shí)時(shí)的工作環(huán)境選擇合適的動(dòng)力模式。當(dāng)挖掘機(jī)的作業(yè)環(huán)境是空載時(shí)，控制器根據(jù)設(shè)定空載轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的目標(biāo)位移與油門拉桿反饋位移的差值，輸出PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)油門電機(jī)動(dòng)作。當(dāng)油門拉桿達(dá)到指定的位置后，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)挖掘機(jī)在工作過程中負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，控制器就會(huì)根據(jù)目前發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以及目標(biāo)轉(zhuǎn)速的差值輸出電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制扭矩閥的開度，改變變量泵的排量，使發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率能夠與液壓泵的功率完成實(shí)時(shí)匹配，進(jìn)而使挖掘機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在規(guī)定的范圍之內(nèi)，以保證挖掘機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，如圖1所示。

圖1 挖掘機(jī)節(jié)能空隙系統(tǒng)邊框

2 挖掘機(jī)節(jié)能液壓控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

挖掘機(jī)節(jié)能液壓控制系統(tǒng)的應(yīng)用主要包括控制器、直線電機(jī)、顯示器、繼電器、扭矩閥、轉(zhuǎn)速傳感器、油門旋鈕和24V直流電源等。在這些硬件設(shè)施中，顯示器的主要作用是對(duì)挖掘機(jī)的動(dòng)力模式進(jìn)行選擇和設(shè)置，同時(shí)進(jìn)行故障報(bào)警以及狀態(tài)監(jiān)測(cè)。顯示器通過CAN總線連接到控制器。當(dāng)挖掘機(jī)的作業(yè)環(huán)境是空載時(shí)，控制直線電機(jī)會(huì)使油門旋鈕設(shè)定的空載轉(zhuǎn)速變化，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。而挖掘機(jī)工作狀態(tài)為負(fù)載時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速出現(xiàn)變化，控制器會(huì)輸出PWM信號(hào)來調(diào)整扭矩閥的開度，同時(shí)也會(huì)對(duì)變量泵的排量進(jìn)行調(diào)整，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

3 挖掘機(jī)節(jié)能液壓控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序軟件設(shè)計(jì)

在整個(gè)系統(tǒng)中，主程序軟件采用模塊化編程，如圖2所示。參數(shù)初始化模塊的主要作用是實(shí)現(xiàn)E2PROM中參數(shù)的讀取和參數(shù)掉電的存儲(chǔ)功能。CAN通信模塊的主要作用是對(duì)顯示器和控制器進(jìn)行有效的連接和數(shù)據(jù)通信。而這個(gè)數(shù)據(jù)通信分為兩個(gè)方向，一個(gè)是控制器向顯示器發(fā)送整車狀態(tài)信息的CAN發(fā)送模塊，另一個(gè)則是顯示器向控制器發(fā)送改變動(dòng)力模式命令等在內(nèi)的CAN接受模塊。當(dāng)顯示器發(fā)送的動(dòng)力模式被控制器接受后，就會(huì)對(duì)當(dāng)前的模式進(jìn)行更改。油門控制模塊的主要作用則是對(duì)空油門旋鈕進(jìn)行設(shè)定。而對(duì)于功率匹配模塊來說，該模塊存在的意義是保證發(fā)動(dòng)機(jī)—泵功率完成相應(yīng)的匹配。

3.2 油門控制模塊軟件設(shè)計(jì)

油門控制模塊首先根據(jù)油門旋鈕的檔位位置和動(dòng)力模式對(duì)實(shí)時(shí)檔位的空載設(shè)定轉(zhuǎn)速進(jìn)行確定，然后根據(jù)油門拉桿位移和發(fā)動(dòng)機(jī)空載設(shè)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)空載設(shè)定轉(zhuǎn)速與相應(yīng)的直線電機(jī)目標(biāo)位移值進(jìn)行確定。在作業(yè)過程中，控制器會(huì)根據(jù)當(dāng)前直線電機(jī)的實(shí)際位移值與目標(biāo)位移值的差值，利用PID控制算法對(duì)直線電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而有效控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖2 控制軟件主程序流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

挖掘機(jī)節(jié)能液壓控制在不同的作業(yè)環(huán)境和不同種類作業(yè)的過程中，應(yīng)該選擇合適的作業(yè)模式。挖掘機(jī)使用過程中，變量泵的吸收功率、模式選擇、匹配問題、作業(yè)時(shí)間以及作業(yè)負(fù)荷等問題，都會(huì)直接影響挖掘機(jī)的使用效率。因此，面對(duì)不同的作業(yè)環(huán)境，應(yīng)根據(jù)分工況選擇合適的模式工作，才能節(jié)能控制系統(tǒng)，達(dá)到低耗油高效率的目的。

[1]楊世平，余浩，劉金剛，等.液壓挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)功率匹配及其節(jié)能控制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，（5）：152-160.

[2]車明哲，佟琨，梁東偉.混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)節(jié)能液壓系統(tǒng)仿真分析[J].冶金設(shè)備，2012，（1）：1-5.

[3]郭再泉，黃麟，黃堃.基于專家系統(tǒng)模糊PID控制的液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制研究[J].液壓與氣動(dòng)，2012，（11）：54-56.

[4]李培，杜永良，韓雪，等.液壓挖掘機(jī)液壓控制系統(tǒng)分析[J].建筑機(jī)械，2011，（9）：118-121，23.

[5]吳文海，柯堅(jiān)，李培，等.液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂節(jié)能系統(tǒng)分析[J].機(jī)床與液壓，2013，（1）：45-50.

Analysis and Application of Excavator Energysaving Hydraulic Control System

ZENG Shaoping
(Jiangxi Vocational and Technical College of Industry, Nanchang 330095)

In recent years, with the rapid development of China’s economy, the excavator market has become more and more, but the excavator energy-saving hydraulic control system is not very effective use, resulting in energy waste. In this paper, through the excavator in-depth understanding and analysis of the excavator energy-saving hydraulic control system to explore, so as to effectively reduce the excavator fuel consumption and the use of cost.

excavator, energy-saving hydraulic control system, use efficiency