挖掘机液压系统节能控制的分析研究

江苏省交通工程集团有限公司 渠国良

挖掘机液压系统节能控制的分析研究

江苏省交通工程集团有限公司 渠国良

本文研究的液压挖掘机的能量损失分析，通过分析对比两种基础不同的节能控制方案从而可知节能的优劣。挖掘机节能技术的应用首先可以提高能源利用率，降低燃料费用；另外也要求发动机工作更高效，最大化发挥其性能。如此以来，开发出挖掘机液村系统的节能控制可更好地实现国产液压挖掘机的市场竞争力有十分重要的意义。

挖掘机；液压系统；节能控制；动力

引言

液压挖掘机系统包括电源系统、液压系统、传动系统、行走系统，各系统采用不连续的战略进行组建，通过改变挖掘机的位置和状态的调整实现诸如采矿作业、土方开挖等一系列的工程作业。然而该系统具有一些能源消耗和无功功率损失的存在，据此笔者试图从其能源损耗要点分析，从而提出合理的节能方案，并透过与现有系统对比，进一步提出节能液压系统的发展趋势。以期减少液压挖掘机的能源浪费，为打造绿色、低碳建设出谋献策。

1.挖掘机的能耗分析

由于大范围使用挖掘机，据统计全球有65%到70%的土渣经其处理的，这使得挖掘机用途广泛在各种各样的工程项目中应用。但由于大挖掘机前期设备质量可移动的能量臂在工作时产生能量损失和损耗内能致液压机构被转换成油温不断升高，从而使挖掘机运作的效率急剧下降，同时对挖掘机的使用期限产生较大影响，导致挖掘机的燃料消费高，劣质差排尾气，这已经导致了挖掘机产业的广泛的重视。

某机械公司作出以下的统计数字对能源利用的液压挖掘机能量利用公布(见图1)：大型挖掘机只有20%利用的能源。说明能耗不完全被利用，大部分的能量损失在液压系统、液压系统的能源利用率仅约30% 它也是一项重要导致挖掘机低效率的主要原因。

图1 大型液压挖掘机能量利用分布

对液压机构共同的现象的能源消耗分析，主要在以下几点：

(1) 溢出损耗。挖掘机液压系统的溢出现象通常是由过载条件引起的。当泵的压力超过设计压力的安全阀时，溢出现象会引在液压系统的薄弱环节渗漏，从而引发损耗。

(2) 沿程损失。即沿油路受阻力所产生的损耗。由于粘滞摩擦对压力的损失，这是不可避免的，但可以减少，通过设计管道的压力损失和优化工作；

(3) 匹配的损失。由于负载损耗，在挖掘机的操作作业时迅速频繁变压，特别是小装载，并且在高速下运作的损害更大，通过设计可行的快速反应模型来控制损害，如负载敏感系统；

(4) 动能和潜在势能损耗。在动能和潜在的能源损失发生在操作挖掘机的臂操作和操作的铲斗杆的反应、特别是大型挖掘机，由于臂质量过大和较笨重的情况下，并且它的动能和惯性表现是在过大的情况时出现，如此针对这点作好节能的改造措施是十分有意义的。

2.节能方案的提出

多年以来，技术人员为溢出损失存在于液压机构而大动脑筋，同时对配比的损失和摩擦控制电路和新的组分的损失等都设计很多新型减耗元件，明显的节能作用得到推广。分析动态机臂势能的新的节能计划。

2.1 系统原理

图2是一个新节能型液压回路系统。计划的能量恢复原理是：当动臂下降无杆腔由电机2，液压变压器驱动变量泵3，液压油流通过单向阀 9 到蓄能器20，液压缸的液压油流量20存储动臂下降势能。动臂下降速度反过来由液压泵2，信号控制电机调速，通过控制系统的位移、 控制转动的速度的液压泵2，从而达到调节液压泵2位移的目的。然后控制臂下降的速度。此外，非有杆腔的液压油流动具有蓄热式阀26，回有杆腔形成流率再生，达到节约能源的目的。

图2 新节能方案原理图

2.2 与现有系统比较

分别建立现有系统的AMESim模型，见下图3所示：

图3 现有的液压系统原理图

图4 新旧系统方案节能对比

以上说到的新系统与旧系统的方案中，为作出有价值的对比，现设计基本要求如下：(1)设蓄能器初始压强和体积都设置为80Mpa和10L。(2)定位马达和泵的效率设置为0.8，容积为0.85。(3)模拟10s时长，时间步长为0.1s，加载相同的条件后两者分别对比如图4所示。

通过模拟对比分析，我们可以看到图4新旧系统的差异，新系统的运动性能可以满足的液压缸运动显示两个系统的能耗，同时要求，清楚地看到，新系统节能效果优于现有的系统。虽然速度控制并无多大改进，便节能效果是很明显的。此外，新系统使用能量恢复环路控制速度的移动的手臂，以避免油门阀可以调整移动的手臂，可以导致油温急剧升高，上涨的速度的现象。液压元件的使用寿命，提升效率。

新的系统提出的基础上使现有的流量再生循环，在原挖掘机上增加了能量回收电路板，通过对这种系统的数学建模和模拟AMESim 的分析和仿真结果与原来电路对比，新的电路板能源的利用率增加了15% 比原来的系统有良好的节能效果。

3.液压节能技术的发展趋势

伴随之机械业发展，大量数字技术集成到液压系统的节能技术和软件技术当中，液压系统的节能技术的方向发展，节能、高性能、高稳定、高效率越加受到重视，发展形势的液压系统的节能技术在国内和国外趋势如下：

(1)开发新的混合动力系统已广泛应用挖掘机，如：电力驱动混合动力。

(2)高精度控制注入新的液压系统,减少液压元件的液压油泄漏,提高组件的使用寿命。

(3)改善传统的液压系统与电气控制技术相结合，减少节流损失,避免溢流损失和损失范围的压力。

(4)采用更先进的控制方法，提高控制精度。

(5)电源输出功率控制更智能，和电源的输出功率和工作条件是由电子控制系统控制的最佳匹配。

(6)提高液压油的清洁能力和冷却液压油的温度。

(7)采用新材料降低前端工作设备带来的重力势能，减少能源消耗程度。

4.结论

分析液压机构的可能的能源消耗，分别从液压元件和国内外先进的节能技术作研究，瞄准能源消耗问题，根据现有的技术关于节能技术开发方向，以很大数量的计算机元素的综合化到挖掘机的节能技术里，使效率技术不仅现在达到了能量守恒的目的。更多关注给予改进液压机构的整体表现。

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