挖掘机节能液压控制系统分析与应用

曾绍平

（江西工业职业技术学院，南昌 330095）

挖掘机节能液压控制系统分析与应用

曾绍平

（江西工业职业技术学院，南昌 330095）

近年来，随着我国经济的快速发展，挖掘机市场变得越来越大，但是挖掘机节能液压控制系统的有效利用却并不十分理想，从而造成能源浪费。本文通过对挖掘机的深入了解和分析，对挖掘机节能液压控制系统进行探索，从而有效降低挖掘机燃油的消耗和使用成本。

挖掘机 节能液压控制系统 使用效率

随着我国经济的快速发展，我国的挖掘机市场越来越大。挖掘机工作的环境具有复杂性和长时间作业的特点，作业时所承担负荷的变化非常大。通常，平均外在负荷只有最大负荷的50%～60%，但利用率只达到总利用率的30%左右。当发动机的输出功率过高时，而液压泵无法将发动机的输出功率完全吸收，或者液压元件出现故障导致漏油时，都会损失挖掘机功率。此外，液压系统节流调节、回转机构或者铲斗等机械装置工作时，都会或多或少地出现功率损失。因此，节能控制技术在挖掘机应用过程中有着非常重要的作用。

1 液压系统总体结构

1.1 分工况控制

挖掘机的工作过程和环境比较复杂，在挖掘过程中，土质也有一定区别。因此，为了使挖掘机能够更好地适应各种各样的工作环境，系统应该进行分工况控制。根据挖掘机工作环境的差异，大致上可以将挖掘机的动力模式分为三种，分别为节能模式、重载模式以及轻载模式。这三种模式在使用过程中的功率分配情况一般分别为发动机额定功率的85%、100%以及60%。挖掘机中的柴油机通常是恒扭矩调节，输出转速的变化直接影响输出的功率，因此在挖掘机实际应用过程中应该分工况控制，采用三种不同的动力模式，以此来保证发动机运行的最大功率。

1.2 发动机-泵功率匹配

挖掘机工作时，液压控制的能量传递通过发动机—液压泵—负载来完成。能量在传递的过程中，液压泵的功率与发动机的功率是否匹配直接影响液压系统功率的利用率，同时也影响液压系统在工作中的平稳性。当挖掘机液压系统的负载增大时，变量泵吸收扭矩也会随之增大，而变量泵吸收扭矩的增大会导致发动机转速减小。为保证发动机的转速稳定，需要将变量泵的排量减小，从而使得变量泵的吸收扭矩随之减小，使得发动机的转速返回到原本范围。反之，当负载减小时，需要经变量泵的排量增大。也就是说，发动机转速的变化直接决定着变量泵的排量变化。因此，发动机—泵功率匹配控制的关键是根据发动机当前转速的变化对变量泵的排量进行实时调整，从而使发动机的转速控制在预设的范围内，以提高液压控制系统的工作效率。

挖掘机工作的过程中，应该根据实时的工作环境选择合适的动力模式。当挖掘机的作业环境是空载时，控制器根据设定空载转速对应的目标位移与油门拉杆反馈位移的差值，输出PWM驱动信号驱动油门电机动作。当油门拉杆达到指定的位置后，发动机的转速发生相应的变化。当挖掘机在工作过程中负载发生变化时，控制器就会根据目前发动机的转速以及目标转速的差值输出电流驱动信号，控制扭矩阀的开度，改变变量泵的排量，使发动机的输出功率能够与液压泵的功率完成实时匹配，进而使挖掘机发动机的转速保持在规定的范围之内，以保证挖掘机的稳定运行，如图1所示。

图1 挖掘机节能空隙系统边框

2 挖掘机节能液压控制系统的硬件设计

挖掘机节能液压控制系统的应用主要包括控制器、直线电机、显示器、继电器、扭矩阀、转速传感器、油门旋钮和24V直流电源等。在这些硬件设施中，显示器的主要作用是对挖掘机的动力模式进行选择和设置，同时进行故障报警以及状态监测。显示器通过CAN总线连接到控制器。当挖掘机的作业环境是空载时，控制直线电机会使油门旋钮设定的空载转速变化，直接影响发动机的转速。而挖掘机工作状态为负载时，发动机的转速出现变化，控制器会输出PWM信号来调整扭矩阀的开度，同时也会对变量泵的排量进行调整，从而保证发动机的转速能够稳定运行。

3 挖掘机节能液压控制系统的软件设计

3.1 主程序软件设计

在整个系统中，主程序软件采用模块化编程，如图2所示。参数初始化模块的主要作用是实现E2PROM中参数的读取和参数掉电的存储功能。CAN通信模块的主要作用是对显示器和控制器进行有效的连接和数据通信。而这个数据通信分为两个方向，一个是控制器向显示器发送整车状态信息的CAN发送模块，另一个则是显示器向控制器发送改变动力模式命令等在内的CAN接受模块。当显示器发送的动力模式被控制器接受后，就会对当前的模式进行更改。油门控制模块的主要作用则是对空油门旋钮进行设定。而对于功率匹配模块来说，该模块存在的意义是保证发动机—泵功率完成相应的匹配。

3.2 油门控制模块软件设计

油门控制模块首先根据油门旋钮的档位位置和动力模式对实时档位的空载设定转速进行确定，然后根据油门拉杆位移和发动机空载设定的对应关系，对空载设定转速与相应的直线电机目标位移值进行确定。在作业过程中，控制器会根据当前直线电机的实际位移值与目标位移值的差值，利用PID控制算法对直线电机的转动进行驱动，从而有效控制发动机的转速。

图2 控制软件主程序流程图

4 结语

挖掘机节能液压控制在不同的作业环境和不同种类作业的过程中，应该选择合适的作业模式。挖掘机使用过程中，变量泵的吸收功率、模式选择、匹配问题、作业时间以及作业负荷等问题，都会直接影响挖掘机的使用效率。因此，面对不同的作业环境，应根据分工况选择合适的模式工作，才能节能控制系统，达到低耗油高效率的目的。

[1]杨世平，余浩，刘金刚，等.液压挖掘机动力系统功率匹配及其节能控制[J].机械工程学报，2014，（5）：152-160.

[2]车明哲，佟琨，梁东伟.混合动力液压挖掘机节能液压系统仿真分析[J].冶金设备，2012，（1）：1-5.

[3]郭再泉，黄麟，黄堃.基于专家系统模糊PID控制的液压挖掘机节能控制研究[J].液压与气动，2012，（11）：54-56.

[4]李培，杜永良，韩雪，等.液压挖掘机液压控制系统分析[J].建筑机械，2011，（9）：118-121，23.

[5]吴文海，柯坚，李培，等.液压挖掘机动臂节能系统分析[J].机床与液压，2013，（1）：45-50.

Analysis and Application of Excavator Energysaving Hydraulic Control System

ZENG Shaoping
(Jiangxi Vocational and Technical College of Industry, Nanchang 330095)

In recent years, with the rapid development of China’s economy, the excavator market has become more and more, but the excavator energy-saving hydraulic control system is not very effective use, resulting in energy waste. In this paper, through the excavator in-depth understanding and analysis of the excavator energy-saving hydraulic control system to explore, so as to effectively reduce the excavator fuel consumption and the use of cost.

excavator, energy-saving hydraulic control system, use efficiency