挖掘机节能液压控制系统分析与应用

赵翔宇 关清鑫

（陆军工程大学训练基地学兵六大队十六队，徐州 221004）

1 挖掘机液压系统结构分析

1.1 挖掘机液压系统组成及动力模式

挖掘机的液压系统主要是由液压油箱、主泵、多路阀、各管路及执行各动作的油缸、马达等设备有机组装成一个整体，通过能源燃烧将内能转换成机械能，并传送到液压泵中，液压泵又将机械能转换成液压能，并将液压能传送到液压缸和马达，进而转换成机械能传送到工作位置，进行工作。由于挖掘机的工作环境不同，其负载也不同，因此，挖掘机的动力系统也应随着负载得到调节。现行的挖掘机通常将动力模式分为三种：节能模式、重载模式、轻载模式。三种动力模式所对应的发动机功率分别为：节能模式发动机功率为85%、轻载模式发动机功率为60%、重载模式发动机功率为100%。因此，对于不同的工作环境和负载，应使用适合的挖掘机动力模式，才能最大化利用发动机功率，进而节约能源。

1.2 液压泵与发动机功率匹配

挖掘机是通过发动机将能量传递到液压泵再到负载进行工作的，期间由内能转换成液压能，液压能又转换成机械能。在这个过程中，由发动机将获得的能量传递给液压泵这一步骤是至关重要的，随着外界负载的变化，发动机的功率也会相应发生变化，液压泵如果不能实时与发动机功率进行匹配，就会影响液压系统的稳定性。因此，当外界负载变化时，液压泵的功率能否实时与发动机功率进行匹配，将会影响发动机功率和液压泵功率的利用率以及整个液压系统的工作稳定性。

当外界负载增大时，液压系统中的变量泵排量就会相应增大，造成变量泵的吸收扭矩增大，进而导致发动机转速降低。发动机都是恒扭矩调节的，因此，为稳定发动机的转速，在不改变外界负载时，要将变量泵的排量减小，进而减小变量泵的吸收扭矩；当外界负载减少时，为稳定发动机转速，就要将变量泵的排量增大，进而增大变量泵的吸收扭矩。外界负载发生变化，会导致发动机变化，而发动机变化就会导致变量泵的变化，但发动机是恒扭矩调节的，转速是在一个稳定范围内，因此，为使发动机转速始终处在一个稳定的范围内，就需要实时调节变量泵，进而提高挖掘机液压系统工作效率。具体运行流程如图1所示。

2 挖掘机节能液压控制系统的硬件设计

挖掘机节能液压系统分为两部分：硬件系统和软件系统。硬件系统主要是由显示器、控制器、直线电机、继电器、油门旋钮、扭矩阀、转速传感器等组成一个相互关联的整体。操作人员可以根据实际工况，通过显示器选择挖掘机模式，并将选择内容传输给控制器。当挖掘机处在空载状态时，控制器会通过控制直线电机，将油门旋钮调节至空载位置，使发动机转速处在空载时的转速上。当挖掘机负载时，显示器将选择的动力模式传递给控制器，控制器通过控制直线电机，将油门旋钮调节到合适位置，同时也会调节扭矩阀的开度，并对变量泵的吸收扭矩进行调节，进而使发动机的转速处在相应动力模式的转速上。当液压系统出现故障时，软件系统就会将故障信息传递到显示器上，提醒操作人员。

图1 挖掘机节能运行流程

3 挖掘机节能液压控制系统的软件设计

3.1 主程序模块

主程序模块是将显示器数据和控制器数据进行传递交换，并将数据进行初始化操作。因此，主程序模块又分为两部分：数据初始化模块和CAN通信模块。数据初始化模块就是实现对参数的读取和参数掉电的存储功能。CAN通信模块则是实现对显示器数据和控制器数据的传递与转换。即该程序模块将操作人员在显示器中选择的内容转换成数据传递给控制器，控制器通过对这些数据读取编译后，传递给油门控制模块；控制器将监视液压系统工作状态的信息转换成数据传递给显示器，显示器对这些数据进行读取编译后显示出来，供操作人员察看。

3.2 油门控制模块

油门控制模块接受控制器传递的数据，并对这些数据进行读取编译，进而实现油门旋钮调节，变量泵调节以及调整扭矩阀的开度等。当操作人员选择某个动力模式后，通过控制器将这一指令传递到油门控制模块，油门控制模块对这一指令进行解析后，调整油门旋钮到相应动力模式位置，并控制变量泵，调节其排量和扭矩阀的开度，最终反馈到发动机上，使发动机转速稳定在一定范围内，实现液压泵功率和发动机功率的匹配。

4 节能模型仿真与评价

由上述可知，挖掘机液压系统通过软件系统控制硬件系统进行稳定工作，且发动机的功率决定了变量泵排量的变化。因此，在仿真建模时，以此为依据进行建模，搭建多路阀和变量泵模型，由油电混合动力系统提供动力，并入发动机和减速机模型，同时融入挖掘机机械臂能量回收系统模型。

通过对该仿真模型在模拟实际工况中的运行结果进行分析得出结论，变量泵的排量比对节能液压系统工作的稳定性和效率有巨大影响，且变量泵的排量比可以作为一个重要的控制参数。当外界负载变化时，通过变量泵的排量比进行调节，稳定发动机转速，提高节能液压系统工作效率，降低油耗，最终实现节能。仿真测试也发现了许多问题，诸如元件磨损、计算误差、设备误差等，但都在运行初期进行了调整，使系统运行接近实际情况，达到预期目标。

5 结语

在使用挖掘机的过程中，应视实际工作环境、工作内容以及挖掘机工况表，选择合适的动力模式，使变量泵和发动机能够实现实时匹配，维持发动机转速在一定范围内，使节能液压系统稳定工作，进而达到减少油耗的目的，实现节能。除节能液压系统会对挖掘机工作效率产生影响外，机械臂回转能量回收，改进挖掘机动力系统也会对挖掘机工作效率产生巨大影响。