液压挖掘机作业循环内油耗量化方法研究

韦俊茂 苏永志 肖青松

摘要：为了识别液压挖掘机作业过程的能量消耗分布情况，根据挖掘机的作业过程将挖掘机的作业循环分为4个阶段，提出可以量化每个阶段油耗的方法。通过分析挖掘机的作业状态和各个阶段的耗油比例，可为油耗优化提供方向，缩短能耗调试周期。

关键词：挖掘机;油耗;作业循环

0  引言

挖掘机使用成本中，燃油消耗费用约占30～40%，挖掘机燃油消耗量是衡量挖掘机燃油经济性的主要指标，用以评价在用机器技术状况的性能参数，越来越受用户的关注[1]。随着市场竞争的加剧，对液压挖掘机节能技术的研究越来越迫切。

人们通常以单位小时消耗的燃油体积及单位时间内的装载重量，即油耗及作业效率来评价液压挖掘机的节能性，但油耗及作业效率仅是一个测试结果，根据测试结果很难直接找出造成产品节能性差异的原因，使得调试优化工作不易找到准确方向，非常耗时耗力[2]。本文基于一种高精度油耗仪，实时采集挖掘机的油耗曲线，并使用传感器对挖掘机作业循环的各个阶段进行识别，从而将挖掘机作业循环各个阶段的油耗情况进行分离，得出不同阶段的油耗占比情况，为油耗优化提供方向。

1  油耗测量原理

常用的油耗测量方法有附加燃油箱法和油耗仪测试法，要对挖掘机作业过程各个阶段的油耗情况进行测试，附加燃油箱法显然不能满足试验要求，所以需采用油耗仪测试法，其连接示意图如图1。

本文中使用的油耗测量设备为GREGORY FCS-D油耗仪，该油耗仪将挖掘机油油路分为油箱回路和发动机回路。油箱回路在油耗仪内置燃油泵的带动下在建立压力，发动机工作时，消耗发动机回路内燃油，油箱回路燃油流经传感器对发动机回路进行补充，流经传感器的燃油量即为发动的燃油消耗量。油耗仪燃油流动原理图见图2。

油耗仪内置传感器由4个柱塞和1个曲轴组成，4个柱塞通过连杆偏心安装在曲轴上面，其结构见图3。已知柱塞的截面积及行程，由此可以计算柱塞单工作循环的注油量，通过测量所有柱塞的工作循环数即可计算出通过传感器的燃油体积。由于各柱塞工作过程完全相同，以柱塞3为例说明传感器的工作过程：曲轴从位置4向位置1转动，柱塞4向左移动，柱塞3进油口打开，燃油进入柱塞3缸体内;曲轴继续转动，柱塞3继续上行并持续注油，直至到达位置2，柱塞3进油口完全关闭，注油完成;曲轴继续转动，由于柱塞4向右移动使柱塞3的进油口与出油口联通且柱塞3向下移动，燃油从出油口排出，直至达到位置4进油口重新关闭，完成一个工作循环。由此可见，曲轴每旋转360°，每个柱塞都会完成一个工作循环。为了统计燃油消耗量，需要将曲轴的旋转转化成电子脉冲，因此在曲轴安装一个磁铁，使用若干个霍爾传感器监测这旋转的磁场，曲轴每一次完整的旋转都生成固定脉冲数。使用数据采集系统脉冲，脉冲的总数乘以体积因子，计算出的结果就是传感器的测量值，试验过程的油耗统计的计算方法如下：

式中：Q为燃油消耗量，单位：mL;

t1、t2分别为测试开始和结束时间;

f为所采集到的传感器输出信号，单位：Hz;

k为油耗仪参数，单位：Hz/mL。

2  挖掘机作业循环分析及数据采集方法

液压挖掘机的一个作业循环可分为4个阶段：挖掘、提升回转、卸载、空斗返回挖掘位置。

①挖掘阶段，斗杆、铲斗回收且伴有动臂提升，直至挖掘完成。该阶段以斗杆开始挖掘为起点，开始回转为终点;②提升回转阶段，挖掘机完成挖掘开始回转并提升动臂，同时为避免物料洒出，斗杆及铲斗继续回收，直至到达预定位置。该阶段以回转开始为起点，动臂停止提升为终点;③卸载阶段，铲斗打开，斗杆外摆，直至卸料完成。操作手提高效率，期间可能伴随回转。该阶段以动臂停止提升为起点，铲斗打开完成为终点;④空斗返回阶段，挖掘机向反方向回转，动臂下降，调整斗杆及铲斗油缸使铲斗到达下一挖掘位置。该阶段以铲斗打开完成为起点，反向回转停止且下一循环斗杆开始挖掘为终点。

根据挖掘机的作业循环，要对挖掘机作业循环的阶段状态进行区分，我们必须实时采集动臂、斗杆、铲斗及回转的动作状态。本文使用拉线式位移传感器对动臂、斗杆、铲斗的位置进行监控，采用陀螺仪对整机的回转状态进行监控。

3  作业过程油耗筛分方法

实现挖掘机作业过程各阶段的油耗的筛分，需要所有信号随挖掘机作业同步完成，本文使用数据采集仪的上述信号进行采集，采集过程对油耗仪的脉冲信号按公式（1）进行积分计算，数据示例见图4。

图4为若干个作业循环的测试数据，通过识别动臂、斗杆、铲斗及回转的位移动作状态，读取循环开始、结束时的累积油耗，两者的差值即为单个循环的油耗量。按照同样的方法，也可以根据挖掘机作业循环内动作的划分，识别单个循环时间内各个阶段的油耗量，阶段划分示例见图5。

4  测试实例

以某型液压挖掘机为例，按照上述方法进行油耗测试。为确保作业对象的一致性及重复性，根据吴学松[3]的研究，选择建筑碎石作业对象。挖掘深度、挖掘高度按日本建设机械化协会（JCMAS）制订的JCMAS H020：2007标准执行，提升回转的角度为90°，试验结果如表1。

对表1数据进行计算，某型液压挖掘机在本工况下的平均循环时间为10.65s;单个作业循环的平均油耗为53.5mL;各阶段用时比例分别为：20.99%、42.49%、13.98%、22.54%，耗油比例分别为：19.16%、52.88%、12.61%、15.35%。根据工况分析可知：由于试验使用的物料为建筑用碎石，挖掘机阻力较小，挖掘阶段耗油比例为19.16%;提升回转阶段整机需要克服惯性回转并提升物料，发动机负荷较大，耗油比例高达52.88%;卸载及空斗返回阶段发动机负荷均较低，耗油比例也较低，各个阶段的耗油比例合理。可见，测试结果与实际情况相符，本方法能有效识别工作循环内各个阶段的燃油消耗情况。

5  结语

本文研究一种液压挖掘机作业循环内油耗量化方法，能准确测量挖掘机不同作业阶段的油耗情况，方法经验证切实可行。方法同时实现挖掘机不同阶段作业阶段用时比例的测量、单循环时间和油耗的测量。能为挖掘机作业效率优化、油耗调试提供方向，也可以用于挖掘机铲斗节能性评价等。

参考文献：

[1]王飞，杨晓磊，张会明.喷油脉宽法测量液压挖掘机燃油耗量研究[J].建筑机械化，2017（2）.

[2]陈健，高聚琼，毛明秀.液压挖掘机作业效率量化方法研究[J].工程机械，2017（10）.

[3]吴学松.液压挖掘机油耗测试与绿色性能评价探讨[J].建筑机械化，2015（4）.

作者简介：韦俊茂（1985-），男，广西都安人，工程师，从事挖掘机试验研究。