液壓挖掘機(jī)節(jié)能問題淺析

羅斐 蔡焱苗

摘要：液壓挖掘機(jī)在礦山開采、建筑、交通領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，這種機(jī)械的特征表現(xiàn)為適用性強(qiáng)，操作方便，因而在工程建設(shè)中有重要的應(yīng)用價(jià)值。本文通過分析國內(nèi)外液壓挖掘機(jī)發(fā)展情況及趨勢(shì)，探討液壓挖掘機(jī)能量損失的主要表現(xiàn)形式是功率，為達(dá)到節(jié)能的目的，本文分析使用動(dòng)態(tài)模型預(yù)測控制技術(shù)提高燃油經(jīng)濟(jì)性，為提高液壓挖掘機(jī)的工作效率提供了相應(yīng)的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：液壓挖掘機(jī);節(jié)能;功率;動(dòng)態(tài)模型預(yù)測

中圖分類號(hào)：TU621? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）21-0040-02

0? 引言

經(jīng)濟(jì)繁榮的背后，需要消耗大量的能源，從而導(dǎo)致環(huán)境高度污染，以致全球出現(xiàn)能源危機(jī)、溫室效應(yīng)、甚至是冰川融化等自然問題。2016年12月，發(fā)改委、能源局闡述了“十三五”時(shí)期我國能源發(fā)展的總體藍(lán)圖和行動(dòng)綱領(lǐng)，明確提出“能源攸關(guān)國計(jì)民生和國家家未來發(fā)展目標(biāo)”?！笆濉睂?duì)我國實(shí)現(xiàn)小康社會(huì)目標(biāo)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(fā)展領(lǐng)域，應(yīng)該大力推進(jìn)清潔能源，建設(shè)現(xiàn)代能源體系：提高能源利用水平。為順應(yīng)這種發(fā)展趨勢(shì)，自上世紀(jì)80年代以來，工程機(jī)械將“高效、節(jié)能、操作舒適、安全、可靠”作為其主要追求目標(biāo)。為更好的滿足挖掘機(jī)效率相關(guān)要求，很多工程機(jī)械廠加大研究力度，開發(fā)出很多液壓系統(tǒng)元器件和節(jié)能技術(shù)，而使得挖掘機(jī)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(tǒng)、整機(jī)集成控制系統(tǒng)。90年代中期及以前，挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)為全液壓控制方式，基于液壓信號(hào)來控制變量泵;其后的發(fā)展過程中電液控制系統(tǒng)開始出現(xiàn)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)整方便、成本低廉，同時(shí)在整機(jī)節(jié)能控制方面具有更好的優(yōu)勢(shì)，因此一經(jīng)推出，發(fā)展速度很快。節(jié)能控制效果產(chǎn)生了質(zhì)的提升。一直以來，核心技術(shù)也被國外幾個(gè)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(jī)集成控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的組成單元主要包括柴油機(jī)控制系統(tǒng)（控制裝置含自動(dòng)怠速控制裝置、電子功率優(yōu)化控制系統(tǒng)、電子噴射控制系統(tǒng)等）、液壓泵流量控制系統(tǒng)、執(zhí)行元件控制系統(tǒng)、功率匹配控制系統(tǒng)等。在實(shí)際的運(yùn)行過程中這種系統(tǒng)可以對(duì)液壓系統(tǒng)和柴油機(jī)狀態(tài)信息通過傳感器進(jìn)行檢測，如采集壓力、轉(zhuǎn)速相關(guān)的信息，基于這些信息來控制挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)，從而有效的提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率，降低少液壓系統(tǒng)功率損失，匹配功率，使得柴油機(jī)的工作強(qiáng)度保持在較低水平，從而滿足可靠性要求。

為提升整機(jī)節(jié)能控制效果，國內(nèi)很多高校和科研單位從不同角度進(jìn)行研究。如張謙、宋又廉等開發(fā)出一種節(jié)能控制系統(tǒng)，在運(yùn)行過程中主要是依據(jù)負(fù)載對(duì)液壓泵的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而提高運(yùn)行效率。浙江大學(xué)高峰等學(xué)者在挖掘機(jī)控制過程中，引入了流量控制、壓力切斷控制相關(guān)技術(shù)，且根據(jù)控制要求和反饋信息而提出變參數(shù)壓力切斷控制模式。在實(shí)際的運(yùn)行過程中可適當(dāng)?shù)母淖儔毫η袛嘀?，而降低挖掘機(jī)的工作強(qiáng)度和回轉(zhuǎn)功率損失。浙大和玉柴合作研發(fā)出的液壓挖掘機(jī)功能強(qiáng)大，在運(yùn)行過程中可實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制，故障報(bào)警相關(guān)功能，且顯示出系統(tǒng)的狀態(tài)信息。這些技術(shù)對(duì)降低液壓挖掘機(jī)的油耗有重要的意義，不過受到挖掘機(jī)負(fù)載的特點(diǎn)因素制約和影響，應(yīng)該引入新的功率匹配技術(shù)模式。

1? 液壓挖掘機(jī)的能量損失分析

我國已成為掘進(jìn)裝備需求大國，功率動(dòng)態(tài)匹配不合理是工程機(jī)械燃油經(jīng)濟(jì)性不高的重要原因，發(fā)展節(jié)能降耗技術(shù)已迫在眉睫。

液壓挖掘機(jī)屬于一種重要的工程機(jī)械組成系統(tǒng)，在運(yùn)行過程中其表現(xiàn)出復(fù)雜性和多變性特征，且在匹配中損失很多。且統(tǒng)計(jì)結(jié)果也發(fā)現(xiàn)其能源利用率一般低于30%，這也使得液壓挖掘機(jī)工作效率偏低。其能量損耗表現(xiàn)在以下幾方面。第一：發(fā)動(dòng)機(jī)與油泵功率不匹配而造成能量損失。在發(fā)動(dòng)機(jī)與油泵聯(lián)合工作時(shí)，由于液壓挖掘機(jī)工作工況種類復(fù)雜多變，工作具有非線性特性，因此發(fā)動(dòng)機(jī)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(dāng)液壓油通過管道及接口處時(shí)產(chǎn)生的沿程損失，這種損失是難以避免的，同時(shí)在液壓系統(tǒng)中由于沿程壓力所產(chǎn)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(jī)動(dòng)臂及斗桿在下降過程中的能量損失。動(dòng)臂及斗桿在上升過程中將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為勢(shì)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(dòng)臂和斗桿油路上裝單項(xiàng)節(jié)流閥，將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為熱能。第四：節(jié)流損失。一方面當(dāng)液壓挖掘機(jī)進(jìn)行精細(xì)作業(yè)時(shí)，機(jī)械無法實(shí)時(shí)通過負(fù)載控制閥門，導(dǎo)致液壓油在通過控制閥門時(shí)產(chǎn)生節(jié)流損失，另一方面在液壓挖掘機(jī)對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)的過程中，大量液壓油以旁路節(jié)流的形式由中位回箱造成功率損失。第五：溢流損失。當(dāng)液壓系統(tǒng)需要吸收的流量小于泵的輸出流量時(shí)，多余的液壓油則通過溢流閥回到油箱，導(dǎo)致功率利用率下降?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)啟、制動(dòng)過程中因巨大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量使液壓泵繼續(xù)工作，因此排出的液壓油經(jīng)過溢流閥回轉(zhuǎn)到液壓泵的另一邊，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為液壓系統(tǒng)熱能耗散，因此，在挖掘機(jī)處于重負(fù)荷挖掘及回轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)，由于溢流產(chǎn)生的能量損失十分可觀。

2? 提高燃油經(jīng)濟(jì)性的動(dòng)態(tài)模型預(yù)測節(jié)能控制方式分析

考慮到可持續(xù)性發(fā)展的環(huán)境影響和不可再生能源的形勢(shì)，同時(shí)為提高液壓挖掘機(jī)在世界市場上的競爭力，各國都將節(jié)能控制作為重要的研究課題。

節(jié)能環(huán)保是世界發(fā)展的主題，以液壓挖掘機(jī)為代表的工程機(jī)械的燃油經(jīng)濟(jì)性差，因而在未來發(fā)展中很有必要加大節(jié)能降耗研究和開發(fā)力度。挖掘機(jī)的負(fù)荷變化頻繁、變化范圍大。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)挖掘機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性影響因素主要為發(fā)動(dòng)機(jī)偏離引發(fā)出對(duì)應(yīng)的匹配損失，此外液壓傳動(dòng)系統(tǒng)效率的影響也很明顯。挖掘機(jī)在運(yùn)行期間，相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)存在復(fù)雜的變化，且工作負(fù)荷大幅度增加情況下，轉(zhuǎn)速會(huì)降低。而在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于一定閾值條件下，其輸出功率和負(fù)荷保持平衡。這種情況下工作點(diǎn)和最佳點(diǎn)并不重合，使得運(yùn)行效率不高。這種設(shè)備的發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中需要長時(shí)間保持不經(jīng)濟(jì)狀態(tài)，因而也影響了其總體系統(tǒng)水平，在研究過程中需要對(duì)此予以重視，而適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)和優(yōu)化。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、液壓技術(shù)、傳感器等技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，液壓挖掘機(jī)中也開始引入電子控制變量泵技術(shù)，且結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)而獲得良好的節(jié)能效果。下框圖16顯示出對(duì)應(yīng)的整機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)情況。具體分析可知對(duì)此系統(tǒng)而言，節(jié)能控制過程中，主要是基于轉(zhuǎn)速、油門、作業(yè)負(fù)荷相關(guān)的信息對(duì)目標(biāo)功率進(jìn)行計(jì)算，且據(jù)此確保發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行功率和目標(biāo)功率保持一致，從而更好的滿足動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性各方面要求。但由于作業(yè)負(fù)荷的時(shí)變性和非線性，經(jīng)典的PID和模糊控制技術(shù)在應(yīng)用過程中也存在明顯的局限，如無法確定出實(shí)時(shí)反饋信息，這對(duì)控制效果實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生一定抑制作用。在負(fù)荷大幅度改變情況下，相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速無法保持在最佳運(yùn)行區(qū)，而導(dǎo)致出現(xiàn)一定的經(jīng)濟(jì)性能降低問題。

模型預(yù)測控制技術(shù)以智能預(yù)測控制算法為基礎(chǔ)，且引入反饋和多步滾動(dòng)優(yōu)化結(jié)合模式。根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用結(jié)果表明，這種控制模式可有效地處理液壓機(jī)非線性、遲滯相關(guān)問題，使得整個(gè)控制系統(tǒng)具有良好的抗變換性和穩(wěn)定性。模型預(yù)測控制算法的精髓在于通過預(yù)測模型實(shí)時(shí)預(yù)估控制效果，只要保證預(yù)測模型與被控對(duì)象之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系不出現(xiàn)大的偏差，即可以獲得很好的控制品質(zhì)，目前模型預(yù)測控制技術(shù)在多變量復(fù)雜系統(tǒng)中深受關(guān)注并廣泛應(yīng)用。以動(dòng)態(tài)預(yù)測液壓挖掘機(jī)負(fù)荷功率為目標(biāo)，建立一個(gè)與被控對(duì)象（由電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)、變量泵和整機(jī)組成的多變量藕合系統(tǒng)）相對(duì)應(yīng)的預(yù)測模型，結(jié)合整機(jī)節(jié)能控制策略而進(jìn)行變量泵聯(lián)合控制，理論上可以極大改善液壓挖掘機(jī)的控制品質(zhì)。

3? 結(jié)束語

為了降低液壓挖掘機(jī)能量損耗，最初設(shè)計(jì)為液壓控制的集成化、規(guī)?；?。它降低了生產(chǎn)成本，減少了系統(tǒng)占用空間，減少了能源損失，方便了機(jī)械的維修。后來改進(jìn)為電液比例控制智能化。通過電信號(hào)傳遞液壓參數(shù)，一方面加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，另一方面，智能化的發(fā)展使得計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)監(jiān)控機(jī)械的各個(gè)運(yùn)行參數(shù)，使液壓挖掘機(jī)運(yùn)行情況處于高效節(jié)能狀態(tài)，且可以更方便的進(jìn)行動(dòng)力控制，提高其運(yùn)行性能。而整機(jī)節(jié)能技術(shù)則是以后的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。我省是國家三大工程機(jī)械產(chǎn)業(yè)集群之一，我省的先進(jìn)礦山裝備產(chǎn)業(yè)集群是國家首批試點(diǎn)的創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)集群，未來發(fā)展整機(jī)節(jié)能技術(shù)具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]Azam S， Qureshi. Energy conservation and proportional control with load sensing hydraulic systems[J]. SAE Paper No：810929.

[2]高峰，潘雙夏.液壓挖掘機(jī)負(fù)流量負(fù)荷傳感控制策略[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2005，36（7）：111-113.

[3]王昕.基于單神經(jīng)元的液壓挖掘機(jī)自適應(yīng)PID節(jié)能控制[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2005，35（7）：377-380.

[4]劉順安，王輝，沙永柏.挖掘機(jī)負(fù)荷傳感泵控系統(tǒng)的分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2005，36（8）：111-114.

[5]龐琳娜.液壓挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020，5：215-216.

[6]陳欠根，費(fèi)望龍，蔣平.液壓挖掘機(jī)功率匹配節(jié)能方法研究[J].建筑機(jī)械，2007（12）.