大型矿用液压挖掘机节能模糊控制系统研究

刘志成　齐松

摘 要：我国工业基础相对薄弱，科技水平较低。相比国外同类产品，国内的液压挖掘机仍有很大差距，挖掘机工作环境极为恶劣，具有明显的载荷变化，这就导致发动机偏离低油耗区，使液压系统产生巨大的能源消耗。为更好地节约能源，提升国内液压挖掘机在全球市场中的竞争力，推动国民经济的良性运转。

关键词：大型矿用；液压挖掘机；节能；模糊控制；系统

引言

液压挖掘机，多数情况下是进行土石采掘。特征：作业相对灵活，适用于多工种。它有助于降低劳动强度，同时也能改进工程品质，提升劳动生产率。能源、环保，这是世界各国关注的要点。液压挖掘机无法科学地排放，消耗的能源多，这些缺点相当突出。因此，探讨节能和减排技术和方法，有一定的现实意义。作为工程机械的典型产品，探讨液压挖掘机如何进行节能，也可以为同类机械提供比较可靠的处理方案。论文中的节能控制理论，所选的控制方法均具有较强的可行性，对实际开发国内挖掘机的节能控制系统有极为关键的参考价值。在保证我国液压挖掘机经济运行的基础上，还能提升系统的动力性和竞争力，兼具理论、实用双重价值。

1 国内研究概况

在中国，液压挖掘机可以追溯的时间并不长。1954年，抚顺挖掘机厂研发和生产了第一台单斗挖掘机，其具体的容量为1m3。即便是现在，很多国产产品相较于西方国家，仍不具备很好的节能效果。国产液压挖掘机在自身的节能指标和性能上也有很大的改觀。贵州詹阳机械生产的JY320型履带式挖掘机，它的多路阀以及液压泵都是从川崎公司进行采购（日本）。

1995年10月，广西玉柴股份尝试生产了液压挖掘机，数量为2台。不过，柴油机以及液压系统都是从国外进口所得；控制系统，为变量双泵+MEC电子控制；如此，挖掘机才能够进行自动降档，对故障进行检测，同时也能自动调节电子功率，并提出报警。很快，国内有不少大专院校纷纷开始对液压挖掘机及其技术创新进行研究。冯培恩和高峰（浙江大学）共同设计和推出的液压挖掘机机器人，可以将正流量、交叉功率以及负流量等进行联合控制[1]。通过构建相应的控制模型，根据机器人来对作业展开了试验，并证实有理想的节能效果。另外，他们还建议对变参数压力进行切断控制。通过对切断值进行调整，减轻系统自身的工作强度，降低回转功率损失。

2 混合动力挖掘机驱动机构与能量损失分析

液压挖掘机主要由动力装置以及传动系统等构成，还包括操纵机构和回转机构以及行走机构等，此外还有工作装置以及辅助设备。

2.1 动力装置

挖掘机中含有一种动力装置，其一般采用的是直立式多缸类型的柴油机。为了体现出大型液压铲的节能效果，通常液压挖掘机主要以电驱动式为主。

2.2 回转机构

回转机构主要是为了使设备支架、上部转台能够左右移动，由此达到挖掘、卸料等目的。回转支撑主要包括转柱式、滚动轴承式这两种结构类型，回转机构共有两种传动型式，一种是直接传动，另一种是间接传动。

2.3 行走机构

行走机构作为挖掘机的重要支撑，是保证行走任务得以完成的关键，大多数矿用挖掘机主要采用的是履带式。这种行走机构与其他类型的机构具有相同的结构，都是通过挖掘机两侧的液压马达来驱动履带，类似于回转装置，可选择高速大扭矩、低速大扭矩这两种马达[2]。

2.4 传动系统

反铲挖掘机拥有不同类型的传动系统，按照挖掘机的主泵或是回路等具体数量，也可按照其功率调节、驱动等方式，可对传动系统进行分类。定量系统中的执行器只要不发生溢流，液压油泵可得到固定的流量供给，根据工作压力的最大值、固定流量可确定出油泵功率；变量系统主要包括分功率变量、全功率变量这两种。

3 系统仿真实验研究

3.1 液压系统的改造

为控制液压挖掘机总的成本，本课题选取了2台变量柱塞泵（斜盘式，轴向）。系统中，三位四通换向阀部件起到对挖掘机液压系统中相关执行元件的选择和闭合作用。该系统与本次所研究的挖掘机液压系统基本相同，其区别之处在于该系统中，液压马达和铲杆液压缸不能同时进行动作[3]，以及铲斗液压缸和起重臂液压缸亦不能同时进行动作。液压系统中包含了五个独立泵，且分别由单独的液压泵控制四个执行元件，这可以保证该台液压挖掘机具备更好的操作性能。该液压系统能够有效节省进回油、旁路中的油料，也能有效回收工作机构的势能和转台的制动能。

3.2 液压元件的参数设定

该液压挖掘机的主要构件选用的斜盘式轴向柱塞液压泵的相关参数为：需求功率89.5kW、额定压力32MPa、最大流量2*214L/min、额定转速2000r/min、最大排量100cm3/r。该系统中的轴向定量柱塞液压马达的相关参数为：额定输出扭矩450Nm、最大排量90cm3/r、额定压力32MPa、额定转速2000r/min。

3.3 动力系统设计

结合实验选用的发动机（115kW）参数以及前文对液压挖掘机参数进行匹配的结果，最终将混合动力型挖掘机的发动机额定功率确定为30kW，系统发电机额定功率确定为110hp。

（1）体现挖掘机变频器性能的参数包括可调频率范围、额定功率以及电压等级。结合液压挖掘机对超级电容器和发电机的技术要求[4]，选择可调频率范围参数为0-100Hz、额定功率为85kW、电压等级为600-750V的变频器。

（2）选用380V电压等级、1800r/min额定转速的绕线式三相交流发电机，作为液压挖掘机的发电机元器件。

（3）将液压挖掘机发动机定为稳态调速率择额定转速neN=1900r/min、稳态调速率？啄eN=1.2，转矩适应性系数Temax=157Nm，转速适应性系数？椎eT=7.9%。

（4）超级电容器SOC对挖掘机性能有影响的几个参数为总、电压等级以及最大充放电电流。根据实际，在满负荷转速2000r/min工作状态下，发电机所能达到的最大工作电压约为600V。而该液压挖掘机发电机是由超级电容器提供电能，因此要求超级电容器的电压要高于600V，以此确定超级电容器的额定电压等级为700V，最大充放电电流为300A。根据液压挖掘机降本增效性能要求，最终将超级电容器容量确定为16F。

4 结束语

本文分析了国内外挖掘机节能技术研究现状和当今液压挖掘机存在的主要能量损失，结合液压挖掘机的工作特性，将发动机、变量泵和负载作为一个动态系统来全面研究其节能问题。论文借鉴先进的模糊控制理论，提出新的挖掘机节能控制方法，并开发出节能模糊控制器。论文建立了系统的发动机、变量泵、阀和缸的数学模型和传递函数，并根据试验和仿真的要求简化模型，用比例溢流阀模拟 系统负载变化，得到系统试验的简化加载模型。

参考文献

[1]国香恩.液压挖掘机节能模糊控制系统研究[D].吉林大学，2004.

[2]金立生，赵丁选，丁德胜，等.液压挖掘机节能参数自适应模糊PID控制器研究[J].农业工程学报，2003，19（6）：87-90.

[3]国香恩，赵丁选，尚涛，等.模糊控制在液压挖掘机节能中的应用[J].吉林大学学报：工学版，2004，34（2）：217-221.

[4]赵丁选，尚涛，张红彦，等.液压挖掘机模糊节能控制策略及实验研究[J].中国机械工程，2006，17（2）：177-179.

作者简介：刘志成（1986，09-），男，汉族，内蒙古包头市，内蒙古科技大学在读硕士，工业自动化工程师。