分工况节能控制在单斗液压挖掘机系统中的应用

严希清

摘 要：为更有效控制单斗液压挖掘机设备在运作过程中能量损失，同时减少系统发热，使工作性能得到一定的改善，采用分工况节能控制系统设计。本方法通过传感器将挖掘机负荷传到微机，微机对挖掘机的工作状态进行判断，在此基础上对发动机进行控制，最终实现节能的目的。

关键词：单斗液压挖掘机；分工况节能；控制系统

0 引言

作为一种重要的工程机械，单斗液压挖掘机具有应用范围广，作业灵活等特点。其能量损失主要是由于作业环境较为复杂，负荷变化频率快，变化范围较大。挖掘机发展的方向之一就是对能量损失的控制。随着电子及单片机技术在控制领域的广泛应用，液压挖掘机与电子、信息处理、预警技术等有机结合在一起。从而实现了对设备自动控制，故障诊断，在达到节能目的的同时也能够降低工作人员劳动强度，工作效率也会相应提升。

1 单斗液压挖掘机工况分析

单斗液压挖掘机作为一种多功能机械，涉及到的作业内容较多，如挖沟、装修、填埋、装土、破碎、搬运、平地等。作业对象的土质变化范围也比较大，如松砂土，软性土，砂砾原石，软岩等。在不同的作业环境下，其使用要求与方式也不一样，在强调经济性时，对工作效率的要求就不会突出，通常是进行一般性的装土和挖掘作业。在作业环节中也会存在精细化作业。分工况控制的目的就在于适应不同的作业环境。

在重负荷状态下，为了保证完成作业量，发动机处于最大的转速状态。适用情况一般是调整强力挖削，行走。在进行一般作业时，只需要将发动机功率控制在一定范围内，通常情况是发挥88%的最大功率。此种情况下对工作效率没有太大要求，工作速度也较缓慢，该工况主要是为了减少噪音及油耗，系统也处在经济匹配工作状态，是常用的工作档，同时也是经济动力档。

在轻作业情况下，发动机的功率要比一般作业时功率低，大约保持在50%～70%范围内。在该种工况下，主要用于提升工作的精度，进行微调与精细化作业，并且在狭窄区域内安全性也有一定保证，噪音也会相应的降低。

最低怠速工况。该种工况下主要应用于暂停作业。

2 单斗液压挖掘机在作业过程中的能量损失分析及解决方案

设备在工作过程中存在的能量损失主要发生在液压油传递环节。该环节损失主要由两个部分组成。其一是油通过管道，在输送过程中产生的沿程损失。其二则是在进行某些精细化作业过程中，液压油流经节流阀时存在的能量损失。前者是工作中难以避免的。后者则是因为在精细作业时，为了控制作业速度，工作人员往往会打开部分控制阀，控制阀在部分开启状态下，油在通过节流阀时会产生节流损失；油泵的供给量大于需要的进行油量时，控制阀与油泵之间的压力会持续升高，升高到一定程度时，溢流阀就会开启，多余的高压油就会从溢流阀流走，会产生溢流损失。对于该问题的解决，可以采用计算机对液压系統压力进行检测，将检测结果送入计算机分析处理后，计算机对发动机发出转速控制信号，当系统压力值接近或者达到溢流阀开启压力值时，控制系统将会降低发动机转速。而当转速降低到了系统设定范围内并且依然存在溢流时，系统就会发出警报。当压力恢复到设定的最大压力值范围内，发动机在控制系统的作用下又会恢复到最初转速。这样处理后可以将溢流损失降到最低，从而实现节能目的。

3 节能控制系统硬件设计实现

为了便于在原有的设备上实现节能控制，控制系统是在不改变液压系统及发动机内部结构基础上进行的。硬件的结构如图2所示。

从图中可以看出，在控制系统中，硬件系统主要包括了单片机处理器，采样电路，放大电路，拓展电路及其它相关的组成部分。控制系统以液压系统压力为判断信号，对设备的工作状态进行判断，从而对步进电机进行控制。液压系统的压力经过采样输入到单片机，经过分析判断发出相应的指令。

在系统可靠性与安全性方面，电机与主板电路都采用的是同一型号的光电耦合器，共有三路对电机的绕组进行驱动。

4 系统软件设计

为了实现电机变化随负载变化，软件组成主要主程序、测速、测压、滤波、步进电机控制程序组成。

设备电源接通后，首先进行初始化工作，如清零等。之后对液压系统的压力进行判断，依据判断结果，控制系统进行与之相应的操作。在工作过程中也可以进行手动操作。

5 节能实现与原理

依据实际工作情况，设置相由应的工作模式，通过计算机对发动机进行控制，使其保持在一定转速内，由于全功率变量泵的吸收扭矩没有发生变化，发动机的功率与设定转速成正比，从而达到节能的目的。

空载时自动怠速控制。操纵阀在中位时，控制系统将油门关小，从而使发动机进入到怠速状态。而控制系统则对设备载荷进行监控，在超过了预定值时，系统就会控制发动机将其恢复到设定值。

溢流控制。溢流阀开启的压力小于液压系统的压力时，就会出现溢流损失。在损失控制方面，当系统检测到溢流阀压力小于出油压时，就会控制发动机将转速恢复到一定范围内，从而减小损失。而当系统的压力小于设定的压力值时，系统控制发动机恢复到预定值。

节能原理主要是在不同转速条件下，与之对应的最低油耗点扭矩是不同的，每一个扭矩都有与之相对应的转速，并且在该扭矩下，油耗最低。而在空载的时候，发动机处于怠速工作状态，节能效果也比较明显。在超载的时候，通过减小溢流损失也能够达到节能的目标。

6 结束语

控制系统采用了单片机技术，该技术具有体积小，控制准确，操作灵活方便等特点。而在抗干扰性方面，由于采用了滤波，光电隔离等措施，其抗干扰的能力有了相当大的提升，具有一定的经济与社会效益。

参考文献

[1] 王勇，刘荣华，胡明等. 液压挖掘机节能控制系统设计与研究[J]. 测控技术，2013（12）

[2] 党旭辉. 挖掘机液压系统分析与节能控制研究[D]. 长安大学，2015（5）