聂文磊 杨涛 刘方帅
江苏汇智高端工程机械创新中心有限公司 江苏 徐州221004
摘要：挖掘机可以代替气候和地理复杂性方面的工作，比工作效率更高。不同类型的挖掘机有其自身的优点，可以在不同的构造环境中使用。随着社会经济的发展，工程机械的多样性和数量不断增加，环境理念的日益传播和发展，国内外对工程机械污染问题给予了更大的重视，这对于推动挖掘机等工程产品的发展走向无害环境的方针至关重要。
关键词：挖掘机；动力系统；节能控制
引言
液压挖掘机消耗的能量较大，将其应用到工程建设中，尽管能够有效提升建设效率，但是会消耗大量的能量，造成能源浪费，针对这一情况，需要对液压挖掘机进行节能技术分析，尽可能减少能耗，实现高效率工作。
1挖掘机概述
挖土机是一种极为重要的施工方法，它允许连续作业，同时允许平衡的地面清除和处理，这在工业和民用领域等领域得到广泛应用。1960年代以来，我国引进了欧美发达国家使用的液压采矿机械。改革开放后，国内生产出口机械开始迅速发展。虽然总生产量和总水平与国外发达国家不同，但随着大量先进挖掘机进入中国市场，国内外挖掘机系统配置的差异正在缩小。钻井机械市场的快速增长对社会经济发展有着重要影响，大量工程机械消耗大量资源，污染了许多污染物。因此，需要有针对性地研究节能措施。小型挖掘机具有很大的灵活性，可用于许多小型项目。小型挖掘机通常使用柴油机作为动力系统，导致工作负荷繁重，消耗高，污染严重。特别是在人口稠密的城市，这可能对正常生活和生产产生不利影响。当今挖掘机行业的全球技术条件落后，需要对节能进行彻底研究。大多数国内小型微型输出电机通过手动控制电机转速来调整电机转速，不仅影响生产率，而且导致不必要的消耗。
2挖掘机的能耗问题
液压挖掘机属于一种重要的工程机械组成系统，在运行过程中其表现出复杂性和多变性特征，且在匹配中损失很多。且统计结果也发现其能源利用率一般低于30%，这也使得液压挖掘机工作效率偏低。其能量损耗表现在以下几方面。第一：发动机与油泵功率不匹配而造成能量损失。在发动机与油泵联合工作时，由于液压挖掘机工作工况种类复杂多变，工作具有非线性特性，因此发动机工作常处于耗油率高的情况，造成了能量耗损。第二：沿程功率损失。当液压油通过管道及接口处时产生的沿程损失，这种损失是难以避免的，同时在液压系统中由于沿程压力所产生的功率损失也是造成功率利用率低下的原因之一。第三：液压挖掘机动臂及斗杆在下降过程中的能量损失。动臂及斗杆在上升过程中将机械能转化为势能，在下降过程中为了防止其因重力因素而下降过快，通常在动臂和斗杆油路上装单项节流阀，将势能转化为热能。第四：节流损失。一方面当液压挖掘机进行精细作业时，机械无法实时通过负载控制阀门，导致液压油在通过控制阀门时产生节流损失，另一方面在液压挖掘机对流量进行调节的过程中，大量液压油以旁路节流的形式由中位回箱造成功率损失。第五：溢流损失。当液压系统需要吸收的流量小于泵的输出流量时，多余的液压油则通过溢流阀回到油箱，导致功率利用率下降。回转机构启、制动过程中因巨大的转动惯量使液压泵继续工作，因此排出的液压油经过溢流阀回转到液压泵的另一边，将动能转化为液压系统热能耗散，因此，在挖掘机处于重负荷挖掘及回转作业时，由于溢流产生的能量损失十分可观。
3液压挖掘机传统节能技术
3.1控制发动机输出功率的措施
其一，控制油门电机的措施。在挖掘机上安装有自动油门马达，其是由两部分组成，即电位器和直流电机。在油门电机当中所安装的电位器被称为“油门电位器”。对油门电机的目标开度予以识别，可以采用操作电位器的方法，对于油门电机的运转情况予以控制，使其达到预定的位置，可以发挥单片机的作用，通过SPI和TLE6209通讯可以起到很好的控制作用。要促使油门电机响应迅速，确保定位有较高的精确度，将加速控制算法和减速控制算法加入其中。在调节精度的过程中，对比油门电位器的反馈以及发动机的输出功率，根据对比结果做好调节工作。其二，控制防熄火功能的措施。
当发动机处于低速运转状态的时候，运转的速度不能达到自动待机运转的速度，此时很有可能出现发动机熄火的问题。为了避免这种现象发生，当经过检测获得这样的结果的时候，通常控制器会自动提高发动机的运转速度，并达到待机的运转速度。如果这样的操作依然不能达到功率需求，控制装置就会将比例阀的电流输出量相应地减少，发动机保持启动状态，不会产生熄火的现象。
3.2模型预测控制技术的应用
以智能预测控制算法为基础，且引入反馈和多步滚动优化结合模式。根据实际的应用结果表明，这种控制模式可有效地处理液压机非线性、迟滞相关问题，使得整个控制系统具有良好的抗变换性和稳定性。模型预测控制算法的精髓在于通过预测模型实时预估控制效果，只要保证预测模型与被控对象之间的对应关系不出现大的偏差，即可以获得很好的控制品质，目前模型预测控制技术在多变量复杂系统中深受关注并广泛应用。以动态预测液压挖掘机负荷功率为目标，建立一个与被控对象（由电液执行机构、变量泵和整机组成的多变量藕合系统）相对应的预测模型，结合整机节能控制策略而进行变量泵联合控制，理论上可以极大改善液压挖掘机的控制品质。
3.3液压马达驱动模式切换回转电机辅助驱动模式的有效策略
液压马达驱动模式与回转电机辅助驱动模式之间可以切换，当回转电机驱动回转系统的同时，回转马达驱动回转系统，此时，超级电容会提供电压，但是并不是时刻都可以提供，使得回转电机保持在对外输出转矩的状态。当电压降低，达到某一个恒定值的时候，回转电机运行中就会从回转机构中进行转矩吸收，这个时候，系统运行并不能达到能源节约的效果，甚至还会出现能源消耗量增加的趋势。要防止产生这种现象，就要找出临界电压U，随着超级电容电压不能达到临界电压U，这个时候离合器断开，回转电机断开，不会与回转机构之间保持连接。如果让回转电机输出转矩给转机构，就可以确保回转电机运行中处于空载状态的时候，启动过程中所产生的角加速度就会超过回转机构的要求。
3.4混合动力技术的应用
模型预测控制技术以智能预测控制算法为基础，且引入反馈和多步滚动优化结合模式。根据实际的应用结果表明，这种控制模式可有效地处理液压机非线性、迟滞相关问题，使得整个控制系统具有良好的抗变换性和稳定性。模型预测控制算法的精髓在于通过预测模型实时预估控制效果，只要保证预测模型与被控对象之间的对应关系不出现大的偏差，即可以获得很好的控制品质，目前模型预测控制技术在多变量复杂系统中深受关注并广泛应用。以动态预测液压挖掘机负荷功率为目标，建立一个与被控对象（由电液执行机构、变量泵和整机组成的多变量藕合系统）相对应的预测模型，结合整机节能控制策略而进行变量泵联合控制，理论上可以极大改善液压挖掘机的控制品质。
结束语
为了降低液压挖掘机能量损耗，最初设计为液压控制的集成化、规模化。它降低了生产成本，减少了系统占用空间，减少了能源损失，方便了机械的维修。后来改进为电液比例控制智能化。通过电信号传递液压参数，一方面加快了系统的响应速度，另一方面，智能化的发展使得计算机能够自动监控机械的各个运行参数，使液压挖掘机运行情况处于高效节能状态，且可以更方便的进行动力控制，提高其运行性能。而整机节能技术则是以后的主要发展趋势之一。
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