液压挖掘机油耗测试与绿色性能评价探讨

吴学松/WU Xue-song（中国建筑科学研究院 建筑机械化研究分院，河北 廊坊 065000）

液压挖掘机油耗测试与绿色性能评价探讨

吴学松/WU Xue-song
（中国建筑科学研究院 建筑机械化研究分院，河北 廊坊 065000）

[摘 要]在阐述工程机械节能减排的重要性基础上，结合行业标准《液压挖掘机燃油消耗试验方法》的制定，介绍了液压挖掘机油耗测试作业对象选择、测试工况确定、油耗测量方法、评价指标及计算，确定了以挖掘机能效作为评价挖掘机油耗水平的主要指标，并指出液压挖掘机绿色性能评价应该从能效、废气排放、噪声等方面综合考虑。

[关键词]绿色性能评价；液压挖掘机；油耗测试；能效；节能减排；绿色施工

1 时代背景

节能减排、绿色环保是工程机械行业未来发展方向。随着工程机械行业的发展与市场保有量的迅速增长，工程机械节能降耗的重要性愈发明显。以挖掘机为例，近年来挖掘机产量均在十几万台，在用挖掘机约120万台以上，每年燃油消耗量巨大，造成了严重的有害气体排放污染。

节能环保不仅是工程机械自身发展的要求，更是建筑施工行业的要求。当前我国建设行业正在大力推进绿色建筑、绿色施工，建筑施工中使用绿色施工机械是绿色施工的重要方面，工程机械能耗指标已经成为影响客户设备采购的重要因素。绿色施工机械是指建筑工程施工中，在保证质量、安全等基本要求的前提下，最大限度地降低能耗与减少对环境负面影响，满足节能、减排、降噪、环保性能的施工机械。

施工机械绿色评价应该从能耗或能效、废气排放、噪声等方面综合考虑。当前发动机废气排放和工程机械噪声测量已有相关标准要求，而对于工程机械的能耗或能效一直缺乏各方一致认同的试验方法，已经形成标准的只有日本建设机械化协会(JCMAS)制订的挖掘机、装载机、推土机油耗测试标准，ISO/TC127国际标准化组织2010年开始着手起草土方机械能耗试验方法的标准，但尚未发布。国内一些制造商（包括国产品牌和外资品牌）各自按照自己的方法进行研究性测试，不同制造商公布的油耗、节油率都是根据自定的测试方法得来的数据，缺乏可比性。

为了统一油耗测试方法，2013年开始，结合课题研究，联合相关企业编写了《液压挖掘机燃油消耗试验方法》GXB/TY0026-2014协会标准，2014年12月由中国工程机械工业协会发布实施，同时发布的还有《轮胎式装载机燃油消耗试验方法》GXB/TY0025-2014，弥补了工程机械油耗试验方法的空白，为工程机械标准体系增添了新的成员。

2 制定原则

液压挖掘机油耗测试和评价方法应以实际作业为基础，剔除对测试结果影响较大的干扰因素，尽量选择性能参数、状态比较稳定的作业对象，以便能较真实地反映燃油消耗情况，又能保证试验过程的可重复性，提高试验方法的可操作性。重点要研究测试工况的合理性、可操作性与评价指标的科学性。

在规定实验条件下，在规定工作循环内测试燃油消耗量、作业时间和作业量，以单位耗油量所完成的作业量，即能效值作为最终评价指标。

3 测试作业对象选择

挖掘机耗油量与作业工况是息息相关的。为了尽量体现挖掘机作业真实性，应负载测试，选取状态稳定的作业对象和一致的作业工况并保证可重复性是至关重要的，同时应便于实现。

土方挖掘是挖掘机的主要作业内容之一。但土壤的物理性质在各地很不一致，密度、含水率、粘结性、粘着性等差别比较大，并且受季节、天气影响较大。土壤密度按组成土壤物质的种类和含量不同，通常有2.60～2.70t/m3、1.2～1.8t/m3、1.3～1.4t/m3等多种，一般含矿物质多的土壤密度较大，含腐殖质多的土壤密度较小，选取物理性质一致的土壤非常困难。如选用土壤为挖掘机测试作业对象，因土壤阻力不同将造成测试结果差异比较大。

经过反复比较，决定测试作业对象使用生产混凝土用的建筑碎石，具有良好级配的粒径10～40mm的建筑用碎石是各地常用的建筑材料，其堆积密度一般为1 500～1 800kg/m3。可以保证作业对象的一致性和可重复性。

建筑碎石较其他物料一致性要好，在各地广泛使用，且建筑碎石具有一定的挖掘阻力，便于发挥挖掘机作业性能，更接近挖掘机真实作业工况。使用建筑碎石比空载模拟实验更能反映挖掘机真实性能，较使用其他物料更容易保证测试的可比性。测试场地不一定是专用试验场，可以是符合测试条件的料场等。

日本建设机械化协会(JCMAS)制订的《土工机械-挖掘机油耗测试标准》（JCMAS H 020：2007）,设定了挖掘模拟、平地模拟、行走和发动机怠速4种工况分别测试，然后将这4种工况的测试数据按一定的加权比例计算出挖掘机油耗。但挖掘、平地作业都是空载模拟动作，没有实际负载作业，虽然便于测试操作，剔除了试验条件的不稳定因素，但无法发挥挖掘机真实作业性能，挖掘机的控制方式、液压系统的匹配等良莠得不到体现，不能反映挖掘机实际油耗。

4 油耗测量方法

挖掘机耗油量测量可以使用附加油箱或油耗仪计量。用附加油箱称量测试前后燃油质量之差，应尽量减少油管拆卸过程的燃油损失及称量过程的外界影响；油耗仪需要保证油耗仪计量精度达到规定要求，同时需按实测的燃油密度将测得的燃油流量换算为质量。

5 测试工况确定

测试采取挖掘机向下挖掘作业、回转180°、将物料卸载到一定高度处工况。挖掘机停放于物料堆正前方，试验初始时物料顶面与挖掘机停机面在同一高度平面，物料顶面与挖掘机停机面平齐。测试时，挖掘机挖取物料后，抬起动臂过程中回转180°，将物料卸载到规定高度的自卸运输车上，挖掘机工作装置返回，此为一个作业循环。根据挖掘机大小，规定了挖掘机最低卸载高度、连续作业循环次数，参见表1。试验应在同一地点一天内完成。

表1 挖掘机最低卸载高度与作业循环次数

为了规范、统一，规定使用节能模式（经济模式）测试，发动机以该模式下的额定转速运转。没有设置节能模式的单一模式挖掘机，实验时发动机应使用额定转速运转。挖掘机由制造商选派熟练的司机驾驶。

挖掘机铲斗大小对测试结果具有一定影响，为了尽量回避这种影响，规定使用标准铲斗进行测试，同时规定了不同挖掘机所对应的推荐标准铲斗容量，所用铲斗不得超过推荐标准铲斗容量的±7%。如6t挖掘机应使用0.22m3（0.205～0.235m3）的铲斗测试，20t挖掘机应使用0.88m3（0.82～0.94m3）的铲斗测试。否则测试出来的数据缺乏可比性。可以另外选择加大铲斗测试，但只作为参考比较数据。

6 评价指标及计算

挖掘机在规定工况下单位燃油消耗量完成的作业量即挖掘机能效，以此作为评价挖掘机油耗水平的主要指标。因此需要在测试挖掘机油耗的同时测量装载的物料质量和作业时间。

为尽量避免测试结果的偶然性因素影响，需要连续进行做3个试验周期测试，每2个试验周期的挖掘机燃油消耗量之差不大于5%为有效，否则须增加试验次数，直至3个试验周期中每2个试验周期的燃油消耗量之差小于5%。

6.1 计算公式

挖掘机燃油消耗量G、作业效率Q、能效E可分别按下列公式计算。取3次有效试验结果的算术平均值作为最终试验结果。

式中 G──挖掘机燃油消耗量，kg/h；

f──规定作业循环次数的燃油消耗，g；

w── 规定作业循环次下数挖掘物料的总质量，kg；

T──试验作业时间，s；

Q──挖掘机作业效率，t/h；

E──挖掘机能效，t/kg。

6.2 测试举例

按照本实验方法，选取6t、6.5t、8t、22t四款挖掘机换用不同斗容的铲斗进行测试，测试结果如表2。计算表明，这几款挖掘机能效值为15～21t/kg之间，较大吨位挖掘机能效值比小型挖掘机能效值高。使用较大斗容的铲斗虽然燃油消耗量有所增加，但因为装载的物料质量更多，使得能效值表现较好。

7 进一步的研究

通过测试数据可计算出挖掘机作业效率Q、燃油消耗量G及能效E。但仔细分析会发现，挖掘机能效E只是挖掘机消耗每公斤燃油所完成的物料装载量，并没有体现挖掘机作业效率（生产能力）与油耗的关系，为比较挖掘机能耗性能的优劣常需要比较作业效率、燃油消耗量、能效等多个参数，有时也难以衡量其优劣。比如2台同样是20吨的挖掘机：一台挖掘机能效值为20.5t/kg，每小时作业量395t/h；另一台挖掘机能效值为19.8t/kg，每小时作业量412t/h。性能优异的挖掘机应该是在较高作业效率前提下油耗较低。不与作业效率相联系的油耗值是没有意义的（图1）。很多客户选择挖掘机时只考虑油耗高低，而忽略了挖掘机的生产效率问题，是一个误区。

表2 四款挖掘机油耗测试及计算示例

表3 挖掘机能效值E与能效评价值K的比较计算

图1 挖掘机油耗与作业效率的关系

为了科学反映挖掘机能耗与作业能力，使用结合作业效率的挖掘机能效评价值K（挖掘机能效E与完成与该机整机质量相等的物料作业量所需时间倒数的乘积）作为挖掘机油耗评价参数似乎更为合理。其计算方法见式4，公式中同时修正了不同斗容、不同物料密度对生产效率的影响。

式中 M—挖掘机整机工作质量，kg；

V—测试使用的铲斗容量，m3；

Va—推荐的标准铲斗容量，m3；

ρ—实测的碎石堆积密度，kg/m3；

ρa—基准碎石堆积密度，ρa=1 650kg/m3;

从表3可以看出，上述举例中的2台20吨挖掘机如果只从其能效值E看发现挖掘机A较好，但比较其K值则发现挖掘机B更优一些，因为挖掘机B作业效率更高一些。

8 结 语

《液压挖掘机燃油消耗试验方法》的制定遵循了科学性、合理性、实用性、可操作性的原则。本测试方法标准具有测量和计算相结合、操作性强的特点，相关工程技术人员、检测人员熟悉后能很快上手。

《液压挖掘机燃油消耗试验方法》的制定，为液压挖掘机绿色性能评价工作的开展打下了基础。液压挖掘机绿色性能评价应该从能效（E或K）、废气排放、噪声等方面综合考虑。其中能效（E或K）的优劣可作为主要评价指标；噪声水平的评价应同时考虑机外辐射噪声与司机位置处的噪声；废气排放应根据《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法柴油机排气污染物排放限值》各阶段所应该达到的指标进行评判。将以上三方面按其重要程度分配合理的加权值，即可计算出一款挖掘机的绿色指数，确定相应的绿色等级。

[参考文献]

[1] GXB/TY0026-2014，液压挖掘机燃油消耗试验方法[S].

[2] JCMAS H 020:2007.土方机械-液压挖掘机燃油消耗量试验方法[S].

[3] GB12523-2011，建筑施工场界噪声限值[S].

（编辑 张海霞）

［基金项目］国家“十二五”科技支撑计划项目绿色建造与施工协同关键技术研究与示范(2012BAJ03B01)

［中图分类号］TU621

［文献标识码］B

［文章编号］1001-1366(2015)04-0032-04

［收稿日期］2015-03-02

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