挖掘機(jī)節(jié)能液壓控制系統(tǒng)分析與應(yīng)用研究

張佳楠

（山東省濟(jì)寧邁斯伯爾機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272100）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展，國內(nèi)的挖掘機(jī)市場持續(xù)擴(kuò)大。挖掘機(jī)運(yùn)行的環(huán)境比較復(fù)雜且持續(xù)運(yùn)行，運(yùn)行時所承擔(dān)壓力的變化較大。一般情況下，平均外部負(fù)荷僅有最高負(fù)荷的50%～60%，但使用率僅有總使用率的30%左右。如果發(fā)動機(jī)的傳遞功率較高，而液壓泵不能徹底吸收發(fā)動機(jī)傳出的功率，或是液壓不佳產(chǎn)生故障引起漏油現(xiàn)象時，均會降低挖掘機(jī)功率。另外，液壓結(jié)構(gòu)節(jié)流調(diào)整、回轉(zhuǎn)部件或是鏟斗等設(shè)備運(yùn)行時，均會損失功率。所以，節(jié)能控制措施在挖掘機(jī)運(yùn)用中起到了顯著作用。

1 挖掘機(jī)液壓結(jié)構(gòu)的能耗介紹

（1）機(jī)械耗能。挖掘機(jī)屬于大功率機(jī)械，其機(jī)械耗能源自摩擦與相對運(yùn)轉(zhuǎn)，是無法避免的能量消耗。挖掘機(jī)液壓結(jié)構(gòu)運(yùn)行中，摩擦消耗主要出現(xiàn)在頻繁摩擦的部位，如液壓缸活塞。運(yùn)行過程，該部位通常會出現(xiàn)很大的能量消耗，易出現(xiàn)升溫發(fā)熱等情況，要用冷卻系統(tǒng)立即降溫處理。若挖掘機(jī)長時間運(yùn)行，其作業(yè)強(qiáng)度將不斷增大，該種情況下發(fā)動機(jī)需要立即提速。若柴油機(jī)摩擦耗損太高，會造成挖掘機(jī)長時間處在超載狀態(tài)，若長期如此，容易降低挖掘機(jī)壽命周期。

（2）泵能量消耗。液壓泵通常能視為液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)成部分，該機(jī)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(shè)備作用的充分發(fā)揮，不能保障泵能量的有效轉(zhuǎn)變。另外，液壓泵能量轉(zhuǎn)變過程也極可能出現(xiàn)增溫情況，這些熱量通常不能實(shí)現(xiàn)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(tǒng)中管道設(shè)計(jì)缺少統(tǒng)一借鑒標(biāo)準(zhǔn)，其走勢、分布等可能有不合理的現(xiàn)象，閥門、管道沿途等都會出現(xiàn)壓力消耗，這是造成主泵負(fù)載加大的重要原因，而強(qiáng)化各項(xiàng)要素的分析是防止發(fā)動機(jī)功率消耗的重要途徑。

2 液壓系統(tǒng)降耗控制對策

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

（2）發(fā)動機(jī)—泵功率相搭配。挖掘機(jī)運(yùn)行中，液壓系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時其能量傳輸依次通過發(fā)動機(jī)、液壓器、負(fù)載來完成。所以能量傳送中，液壓泵與發(fā)動機(jī)的功率要相搭配，這樣方可提升液壓系統(tǒng)的使用率，并提升該模塊的穩(wěn)定性。如果挖掘機(jī)液壓結(jié)構(gòu)負(fù)載迅速增大，相關(guān)變量泵的扭矩就會隨之上升，扭矩影響大發(fā)動機(jī)運(yùn)速下降。為保證發(fā)動機(jī)運(yùn)速符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，要求及時管理變量泵流量，最后發(fā)動機(jī)運(yùn)速回歸穩(wěn)定范圍之內(nèi)。由此得知，發(fā)動機(jī)-泵功率相搭配作用中比較重要的部分是，根據(jù)發(fā)動機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速變化情況調(diào)節(jié)變量泵流量，確保發(fā)動機(jī)的運(yùn)速在預(yù)期范疇內(nèi)，其是保障液壓系統(tǒng)運(yùn)行效率的重要部分。

挖掘機(jī)運(yùn)行中，要根據(jù)實(shí)際環(huán)境選擇與調(diào)整動力模式。若挖掘機(jī)空載，則控制器應(yīng)根據(jù)空載轉(zhuǎn)速相應(yīng)的目標(biāo)移動、油門拉桿數(shù)據(jù)差值等來確定，在PWM 指令下油門發(fā)動機(jī)發(fā)揮作用。待油門拉桿運(yùn)行到預(yù)期部位后，發(fā)動機(jī)運(yùn)速會隨之出現(xiàn)變化。若挖掘機(jī)在運(yùn)行過程其負(fù)載出現(xiàn)改變，控制器將根據(jù)運(yùn)速、運(yùn)速差值作用下出現(xiàn)的電流信號來處理，進(jìn)而調(diào)整與控制扭矩開關(guān)大小，并立即調(diào)整變量泵流量，達(dá)到發(fā)動機(jī)、液壓器功率相搭配的目的，進(jìn)而促使挖掘機(jī)發(fā)動機(jī)運(yùn)速在標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)行范圍內(nèi)，提升整個機(jī)械的可靠性、科學(xué)性。挖掘機(jī)節(jié)能減排控制系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 挖掘機(jī)節(jié)能減排控制系統(tǒng)

（3）液壓泵管理。挖掘機(jī)液壓減排系統(tǒng)管理的重要部分就是液壓泵，為確保挖掘機(jī)運(yùn)行的可靠性、科學(xué)性，首先要優(yōu)化與管理液壓泵性能，盡可能選用性能較好的設(shè)備，并及時做好檢修工作。實(shí)際控制過程，能通過液壓泵流量的修改達(dá)到減排的目的，其控制手段通常包含負(fù)流量管理、正流量管理、負(fù)荷管控等，其中，極限負(fù)荷管理是當(dāng)前使用效果最佳的方式。極限負(fù)荷管理的目的是協(xié)調(diào)好挖掘機(jī)液壓結(jié)構(gòu)內(nèi)液壓泵功耗，確保發(fā)動機(jī)在指定功率范圍內(nèi)運(yùn)行，減少發(fā)動機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行引起的故障，這對科學(xué)管理發(fā)動機(jī)功率有一定的保障作用。另外，該控制手段還能及時調(diào)整發(fā)動機(jī)的負(fù)荷，進(jìn)而達(dá)到提升發(fā)動機(jī)效率的目標(biāo)。

3 挖掘機(jī)減排液壓控制結(jié)構(gòu)的硬件及軟件規(guī)劃

3.1 硬件規(guī)劃

挖掘機(jī)減排液壓系統(tǒng)包括兩個部分，即硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)。前者主要由顯示屏、控制器、直線機(jī)組、繼電設(shè)備、油門旋鈕、扭矩開關(guān)、轉(zhuǎn)速傳感器等構(gòu)成一個相互聯(lián)系的總體。操作者能夠按照實(shí)際工況，利用顯示屏選取挖掘機(jī)形式，并將篩選信息傳遞給控制器。如果挖掘機(jī)處于空載狀態(tài)下，則控制器將通過操控直線機(jī)組，把油門旋鈕調(diào)整到空載部位，令發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速處于空載狀態(tài)的轉(zhuǎn)速上。如果挖掘機(jī)處于負(fù)載狀態(tài)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(jī)組，把油門旋鈕調(diào)整至適當(dāng)位置，而且還會調(diào)整扭矩開關(guān)的大小，并調(diào)整變量泵的吸取扭矩，從而令發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速處于相關(guān)動力形式的轉(zhuǎn)速上。如果液壓系統(tǒng)產(chǎn)生問題，則軟件系統(tǒng)將會將故障信號傳送至顯示屏上，提示操作者。

3.2 軟件規(guī)劃

（1）主程序。在整個系統(tǒng)內(nèi)，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(shí)現(xiàn)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(tài)數(shù)據(jù)的CAN 傳輸模塊；其二，顯示屏向控制器輸送調(diào)整動力模式信號等之內(nèi)的CAN 接收模塊。當(dāng)顯示屏傳輸?shù)膭恿δＪ阶尶刂破鹘邮蘸螅瑢{(diào)整當(dāng)下的模式。油門操控模塊的根本作用是設(shè)施空油門旋鈕，但針對功能匹配系統(tǒng)來講，這個模塊的作用是保障發(fā)動機(jī)—泵功能得到有效匹配。

圖2 軟件系統(tǒng)主程序結(jié)構(gòu)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(guān)檔位的空載設(shè)置轉(zhuǎn)速來確定，再按照油門拉桿部位及發(fā)動機(jī)空載設(shè)置的對應(yīng)關(guān)聯(lián)，對空載設(shè)置轉(zhuǎn)速和相關(guān)直線機(jī)組目標(biāo)移動值加以確定。在運(yùn)行環(huán)節(jié)，控制器將按照目前直線機(jī)組的實(shí)際移動值和目標(biāo)移動值之差，采取PID 控制算法驅(qū)動直線機(jī)組的轉(zhuǎn)動，進(jìn)而有效地管控發(fā)動機(jī)的運(yùn)速。

4 節(jié)能模型虛擬與評估

通過上述分析得知，挖掘機(jī)液壓結(jié)構(gòu)經(jīng)軟件系統(tǒng)操控硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，且發(fā)動機(jī)功率影響著變量泵排量的改變。所以，在虛擬創(chuàng)模時，由此為依據(jù)來創(chuàng)模，建立多路閥與變量泵模型，通過油電混合驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生動力，加入發(fā)動機(jī)與減速機(jī)模型，并融進(jìn)挖掘機(jī)機(jī)械臂動力回收結(jié)構(gòu)模型。

經(jīng)對該虛擬模式在模擬具體工況下的運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果展開分析獲得結(jié)果，變量泵排量比極大地影響減排液壓系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性及效率，同時，變量泵排量比能夠作為一個關(guān)鍵的控制產(chǎn)量。當(dāng)外部負(fù)載改變時，基于變量泵排量比來調(diào)整，保證發(fā)動機(jī)運(yùn)速，提升降耗液壓系統(tǒng)運(yùn)行效率，減少油耗，最后達(dá)到節(jié)能目的。虛擬測試也找出了很多問題，如元件磨壞、計(jì)算偏差、設(shè)備偏差等，但均在運(yùn)行早期得到了調(diào)整，令系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)貼合實(shí)際狀況，實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)目標(biāo)。

5 結(jié)語

挖掘機(jī)低碳液壓控制在各種運(yùn)行環(huán)境及不同種類運(yùn)行階段，要選取恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)行模式。應(yīng)用挖掘機(jī)時，變量泵的吸取功率、模式篩選、匹配程度、運(yùn)行時間和運(yùn)行負(fù)荷等，均會直接干擾挖掘機(jī)的利用率。所以，針對不同的運(yùn)行環(huán)境，要按照工況選取適宜的模式運(yùn)行，方可低碳控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)低消耗、高效率的要求。